Técnicas básicas de programación Prolog

Transcripción

1 Técnicas básicas de programación Prolog Programación Declarativa Pablo López 25 de octubre de Programación recursiva La recursión es una técnica fundamental en Prolog, tanto para representar los datos como para procesarlos. Esto se debe a que Prolog, como todos los lenguajes declarativos puros, carece de iteración. Aunque la programación recursiva es una técnica que nos resulta familiar, la recursión en Prolog exhibe ciertas particularidades que se apartan lo habitual. Por ejemplo, el caso base y el caso recursivo no tienen por qué ser excluyentes, lo que permite generar respuestas múltiples. Esta sección ilustra el empleo de la recursión en Prolog a través un ejemplo simple pero eficaz: la axiomatización de la aritmética de Peano. Los objetos a representar serán los números naturales {0, 1, 2, 3...} y las relaciones serán las operaciones aritméticas básicas: suma, resta, producto... Además de la recursión (de datos y código), introduciremos los conceptos de modo de un argumento, y uso, comportamiento y significado de un predicado. Ejemplo: Axiomatización de la aritmética de Peano El dominio de los naturales. inductivamente como sigue: El conjunto de los naturales N se define 1. 0 N [Caso Base] 2. si x N, entonces σ(x) N [Caso Recursivo] donde σ es la función sucesor σ : N N; es decir, σ(x) representa al sucesor de x. Las anteriores definiciones permiten construir el conjunto N partiendo del caso base (1), obteniendo nuevos elementos aplicando el caso recursivo (2): N = { 0 }{{} base, σ(0), σ(σ(0)), σ(σ(σ(0))),... }. } {{ } recursivo

2 T2.2 Técnicas básicas de programación Prolog Los naturales así definidos son recursivos: un natural mayor que 0 será de la forma σ(x); es decir, «contiene» otro natural x más pequeño que él. Por lo tanto, debemos encontrar una estructura de datos recursiva para representar los naturales. En la mayoría de los lenguajes imperativos la recursión de datos debe ser simulada mediante punteros o mecanismos similares. Por el contrario, la recursión de datos puede emplearse en Prolog de forma directa. En concreto, para representar los naturales en Prolog basta emplear términos Prolog recursivos que capturen la definición inductiva de N. El caso base de N nos asegura la existencia de un objeto concreto y único: el 0. Para representar este objeto en Prolog utilizaremos una constante c. El caso recursivo introduce una función σ : N N. La expresión σ(x) es un objeto compuesto que debe ser representado por una estructura de aridad 1. Tomaremos una estructura de functor s/1. Los naturales se representarán entonces por términos Prolog que se ajusten a la gramática G N : N ::= c [Caso Base] s(n) [Caso Recursivo] donde el functor s/1 es siempre aplicado a un término que representa un natural bien formado. Los siguientes son ejemplos de términos Prolog que representan naturales bien formados; es decir, que se ajustan a la gramática G N : c s(c) s(s((c))) s(s(s(c))) Un natural n N se representa aplicando n veces el functor s/1 a la constante c, lo que denotaremos de forma abreviada por s n (c). El programador no puede comunicar de ninguna forma a Prolog que tiene la intención de representar los naturales por términos que se ajusten a la gramática G N. Esto se debe a que Prolog carece de definiciones de tipos. Los siguientes son términos Prolog que no son naturales bien formados, pues el functor s/1 no siempre se aplica a un natural bien formado: s(s(f(c))) s(s(a)) Aunque no es posible restringir el functor s/1 de forma que siempre se aplique correctamente, sí podemos definir una relación es_natural/1 que se satisfaga cuando su único argumento sea un natural bien formado. El predicado es_natural/1 podría definirse extensionalmente (por enumeración de todos los casos):

3 Técnicas básicas de programación Prolog T2.3 es_natural(c). es_natural(s(c)). es_natural(s(s(c))).... El problema de esta definición es que deberíamos introducir un número infinito numerable de hechos para completarla. Parece más apropiado definir es_natural/1 intensionalmente, determinando las condiciones que debe cumplir un término Prolog para ser un natural bien formado. Basta razonar siguiendo la definición inductiva de N: 1. 0 N [Caso Base] El 0 es un elemento de N. Esto es cierto incondicionalmente, por lo que se traduce a Prolog el por hecho: es_natural(c). donde reemplazamos 0 por su representación Prolog, c. 2. si x N entonces σ(x) N [Caso Recursivo] Este enunciado incluye una condición y una conclusión, por lo que se traduce a Prolog por la regla: es_natural(s(x)):- es_natural(x). donde reemplazamos σ(x) por s(x). de donde obtenemos la definición: es_natural(s). es_natural(s(x)) :- es_natural(x). El predicado es_natural/1 así definido es una definición de dominio o tipo, pues define el conjunto de términos que representan un dominio (tipo) dado. Para comprobar el funcionamiento de es_natural/1, basta resolver el objetivo: :- es_natural(s(s(s(c)))). al que Prolog responderá afirmativamente. Por el contrario, Prolog responderá negativamente a los siguientes objetivos: :- es_natural(s(s(s(0)))). :- es_natural(s(f(s(0)))). También es posible plantear un objetivo donde aparezca una variable: :- es_natural(x).

4 T2.4 Técnicas básicas de programación Prolog es_natural(c). es_natural(s(x)):- es_natural(x). 1) es_natural(x) 1 - {X/c} 2 - {X/s(X1)} 2. éxito 3) es_natural(x1) {X/c} 1 - {X1/c} 2 - {X1/s(X2)} 4. éxito 5) es_natural(x2) {X/s(c)} 1 - {X2/c} 2 - {X2/s(X3)} 6. éxito {X/s(s(c))} 7) es_natural(x3)... Figura 1: Árbol de búsqueda del objetivo es_natural(x). Intuitivamente, estamos preguntando a Prolog si existe algún X tal que X es un natural bien formado. Obviamente, existen un número infinito numerable de términos X que son naturales bien formados, y vemos que Prolog los genera en orden creciente: :- es_natural(x). X= c; X= s(c); X= s(s(c));... La figura 1 muestra el árbol de búsqueda del objetivo es_natural(x). Puede apreciarse que la rama más a la derecha es infinita, por lo que el objetivo nunca termina. Además, cada respuesta computada se obtiene de forma progresiva, introduciendo variables (X i ) y sustituciones (X i /s(x i+1 )) intermedias. Para derivar o construir el natural n, basta descender n veces a la derecha (aplicando la regla recursiva) y descender finalmente a la izquierda (aplicando el caso base). Este comportamiento se debe a que al resolver los subobjetivos es_natural(x i ), el caso base y el caso recursivo no son excluyentes. Obtenemos un comportamiento similar si planteamos un objetivo con un argumento parcialmente instanciado: :- es_natural(s(s(x))). X= c; X= s(c); X= s(s(c));... Modo de un argumento. Los objetivos anteriores realizan funciones muy distintas a pesar de invocar al mismo procedimiento. La razón es que el

5 Técnicas básicas de programación Prolog T2.5 papel jugado por los argumentos pasados al procedimiento es diferente. Un argumento o parámetro actual de un procedimiento puede estar en dos modos: 1 Modo + el argumento no tiene variables libres o las variables que contiene no van a resultar instanciadas como resultado de la ejecución Modo - el argumento tiene variables libres que resultan instanciadas al ejecutar el procedimiento El argumento del objetivo es_natural(s(s(s(c)))) no contiene variables, por lo que está en modo +. Por el contrario, los argumentos de los objetivo es_natural(x) y es_natural(s(s(y))) contienen variables que resultan instanciadas en el proceso de resolución, por lo que están en modo -. Simplificando, podemos identificar el modo + con los parámetros de entrada y el modo - con los parámetros de salida y entrada/salida. En los lenguajes imperativos tradicionales, el que un parámetro sea de entrada o salida depende exclusivamente de cómo se defina el parámetro formal en la cabecera del procedimiento. Por el contrario, en Prolog, el que un parámetro sea de entrada o salida depende del propio parámetro actual y de cómo se defina el parámetro formal correspondiente en la cabecera del predicado. Esto es consecuencia de emplear la unificación como mecanismo para el paso de parámetros. Uso, comportamiento y significado de un predicado. Como hemos visto en el ejemplo anterior, un predicado puede comportarse de forma diferente e incluso no funcionar según el modo en que se encuentren sus parámetros actuales. Se llama uso de un predicado a la combinación de los modos de los parámetros actuales. Por ejemplo, el predicado es_natural tiene dos usos diferentes: es_natural(+) y es_natural(-), según su único argumento esté en modo + o -. Puesto que un parámetro puede estar en dos modos diferentes, un predicado con n argumentos puede tener hasta 2 n usos diferentes. La forma en que actúa un predicado para un uso concreto se denomina comportamiento. El comportamiento clasifica a los predicados según el número de respuestas que generan en test o generador. Un predicado se comporta como un test si la respuesta computada está vacía; es decir, no se instancia ninguna variable. Esto quiere decir que la única respuesta que se obtiene de un test es éxito o fracaso. Por ejemplo, el objetivo es_natural(s(s(c))) se comporta como un test, pues su único argumento está en modo +. El test corresponde siempre al uso en que 1 Estas definiciones de modo no se ajustan a las que aparecen en el estándar ISO de Prolog y no son completamente precisas. Para simplificar, nos ceñiremos a ellas a lo largo del curso.

6 T2.6 Técnicas básicas de programación Prolog todos los argumentos del predicado están en modo +, pues de lo contrario algún argumento resultaría instanciado y la respuesta computada no estaría vacía. Un predicado se comporta como un generador si las respuestas computadas no están vacías. Para ello, al menos un argumento debe estar en modo -. Según el número de respuestas computadas generadas, tendremos un generador único (una sola respuesta), acotado (un número finito de respuestas) o no acotado (infinitas respuestas). El objetivo es_natural(x) de la figura 1 se comporta como un generador no acotado. Llamaremos generador anómalo a aquel generador que es incapaz, por construcción, de generar la secuencia completa de respuestas computadas esperada (normalmente, porque el árbol de búsqueda incluye más de una rama infinita). Un ejemplo de generador anómalo es el predicado p/2: p(x,y) :- es_natural(x), es_natural(y). Intuitivamente, p(a,b) debería devolvernos todos los pares (A, B) tales que A, B N. Sin embargo, sólo nos devuelve pares (0, B) con B N:?- p(a,b). A= c B= c; A= c B= s(c); A= c B= s(s(c));... Por último, llamaremos significado a la acción particular llevada a cabo por el predicado en cierto uso. El significado suele describirse indicando la clase de términos para los que tiene éxito (en el caso de tests), o el patrón que siguen las respuestas computadas (en el caso de generadores.) Todos los posibles usos, comportamientos y significados de un predicado pueden recogerse en una tabla de comportamiento. Una tabla de comportamiento tiene tres columnas. En la primera aparece el uso, en la segunda el comportamiento y en la tercera y última el significado. La figura 2 muestra la tabla de comportamiento del predicado es_natural/1. Normalmente un programador Prolog competente suele anotar los usos admisibles de un predicado como parte de la documentación de un programa. Algunas implementaciones de Prolog disponen de la directiva mode para declarar los usos soportados por un predicado. La directiva: :- mode nombre_pred(modo_1,..., modo_n).

7 Técnicas básicas de programación Prolog T2.7 es_natural(x) uso comportamiento significado + test X N - generador no acotado X = c, s(c), s(s(c)),... Figura 2: Tabla de comportamiento de es_natural/1. declara un uso válido de nombre_pred/n, indicando para cada argumento el modo en que puede aparecer, que puede ser + o -. Si se intenta utilizar un predicado en un uso que no ha sido declarado mediante la correspondiente directiva mode, el compilador de Prolog puede generar una advertencia. 2 Podríamos declarar los usos válidos del predicado es_natural/1 mediante las directivas: :- mode es_natural(+). :- mode es_natural(-). que declaran que es_natural/1 puede emplearse en usos + o -. La directiva mode soporta una abreviatura,?, que indica que el argumento puede aparecer indistintamente en modo + o -, lo que permite especificar varios usos válidos con una sola directiva mode. Por ejemplo, los usos válidos de es_natural/1 se pueden declarar mediante la directiva: :- mode es_natural(?). puesto que el predicado funciona independientemente del modo en que se encuentre su argumento. Aunque una implementación de Prolog no soporte declaraciones de modo, es buena idea añadirlas al programa en forma de comentario: % :- mode es_natural(?). es_natural(c). es_natural(s(x)) :- es_natural(x). Así aparecen descritos los predicados en casi todas las librerías Prolog. 3 Ejercicios 1. Cómo se comporta es_natural/1 si intercambiamos el orden del hecho y la regla? es_natural(s(x)) :- es_natural(x). es_natural(c). 2 Son pocos los compiladores de Prolog que soportan la directiva mode y más escasos aún los que comprueban los usos correctos en tiempo de ejecución. 3 SWI-Prolog no soporta la directiva mode; sin embargo, emplea la notación +, -,? en la documentación de los parámetros de los predicados predefinidos.

8 T2.8 Técnicas básicas de programación Prolog En concreto, cómo afecta esto a las semánticas declarativa y operacional del programa? Influye el orden en que aparecen los hechos y reglas en un programa? 2. Qué representa el término s(s(x))? Cómo se comporta el objetivo es_natural(s(s(x)))? En qué modo se encuentra el argumento s(s(x))? 3. Define los predicados par/1 e impar/1 utilizando recursión directa y recursión mutua. Construye las tablas de comportamiento y compara las semánticas declarativa y operacional. Relaciones aritméticas básicas. Una vez representados los objetos (los naturales) mediante términos Prolog, parece razonable preguntarse qué tipo de relaciones entre naturales nos interesan y cómo podemos representarlas mediante procedimientos (hechos y reglas). Las relaciones entre naturales serán operaciones (+,,,...) y relaciones (<, >, =,...) aritméticas básicas. Estas operaciones y relaciones se definen habitualmente como funciones: + : N N N : N N N... Prolog no permite definir funciones, sino predicados o relaciones. Esto significa que debemos pasar de un estilo funcional a un estilo relacional. La ventaja del estilo relacional es que, como veremos, desaparecen los conceptos de entrada y salida. Comenzaremos definiendo la suma de naturales como una relación ternaria tal que suma(x,y,z) se satisface cuando Z = X + Y. Puesto que los objetos relacionados (naturales) son recursivos, lo normal será que la relación suma/3 sea recursiva. En general, para definir una relación recursiva aplicaremos recursión a algunos de sus argumentos (o a alguna relación entre sus argumentos). En el caso de suma/3, podemos aplicar recursión al primer argumento, que podrá ser c (caso base) o s(x) (caso recursivo), de donde obtenemos el esquema: suma(c,?,?) :-... suma(s(x),?,?) :-... [Caso Base] [Caso Recursivo] Ahora debemos determinar qué términos corresponden a los otros argumentos, señalados en el esquema con el símbolo?, así como las condiciones que debe verificar cada caso de la relación. El segundo argumento puede ser cualquier natural y no es necesario razonar según su valor. Por lo tanto, podemos utilizar una variable Y:

9 Técnicas básicas de programación Prolog T2.9 suma(c,y,?) :-... suma(s(x),y,?) :-... [Caso Base] [Caso Recursivo] El caso base es fácil de resolver: su tercer argumento es la suma de c e Y; es decir, Y. Además, 0 + Y = Y se satisface incondicionalmente, por lo que basta emplear un hecho: suma(c,y,y). suma(s(x),y,?) :-... [Caso Base] [Caso Recursivo] El caso recursivo es sólo un poco más complicado. Por ser recursivo, debe contener una llamada a sí mismo: suma(c,y,y). suma(s(x),y,?) :- suma(?,?,?),... [Caso Base] [Caso Recursivo] La cláusula recursiva se emplea para resolver (X + 1) + Y. La llamada recursiva debe resolver una suma menor, más próxima al caso base. En particular, puesto que estamos aplicando recursión sobre el primer argumento, X + 1, la invocación recursiva debe calcular la suma X + Y, de donde: suma(c,y,y). suma(s(x),y,?) :- suma(x,y,?),... [Caso Base] [Caso Recursivo] Supongamos que sabemos la solución de X + Y, a la que llamaremos Z. Entonces obtenemos: suma(c,y,y). suma(s(x),y,?) :- suma(x,y,z),... [Caso Base] [Caso Recursivo] Ahora bien, si X + Y = Z, entonces (X + 1) + Y = Z + 1, luego: suma(c,y,y). suma(s(x),y,s(z)) :- suma(x,y,z). [Caso Base] [Caso Recursivo] Podemos plantear ahora la resolución del objetivo:?- suma(s(s(c)),s(c),z). que devolverá como única respuesta computada Z=s(s(s(c))). A pesar de las apariencias, el predicado suma/3 no está correctamente definido. Para entender por qué, basta resolver el objetivo:?- suma(c, f(a), Z). que devuelve como única respuesta computada Z=f(a). Esto es incorrecto, pues la relación suma/3 sólo debe satisfacerse entre tres naturales. Prolog es incapaz de reconocer este error por carecer de tipos. Para subsanarlo basta añadir una comprobación de dominio al caso base: suma(c,y,y):- es_natural(y). suma(s(x),y,s(z)) :- suma(x,y,z). [Caso Base] [Caso Recursivo]

10 T2.10 Técnicas básicas de programación Prolog 1) suma(s(s(c)), s(c), s(s(s(c)))) 2 - {X1/s(c), Y1/s(c), Z1/s(s(c))} 2) suma(s(c), s(c), s(s(c))) 2 - {X2/c, Y2/s(c), Z2/s(c)} 3) suma(c, s(c), s(c)) 1 - {Y3/s(c)} 4) es_natural(s(c)) 4 - {X4/c} 5) es_natural(c) 3-6. éxito {} Figura 3: Uso (+,+,+) de suma/3. Cómo se construye una tabla de comportamiento. El predicado suma/3 tiene, en principio, 8 usos diferentes (2 3, 3 argumentos en modos + o -). Para obtener la tabla de comportamiento de suma/3 basta resolver objetivos que ilustren los distintos usos. El uso (+,+,+) es un test que comprueba que el tercer elemento de la relación es la suma de los dos primeros. El objetivo:?- suma(s(s(c)),s(c),s(s(s(c)))). Yes termina con éxito y da lugar al árbol de búsqueda de la figura 3. El caso recursivo va eliminando functores s/1 tanto de X como de Z. En el caso base, X se ha reducido a c y Y y Z deben ser idénticos. El uso (+,+,-) es un generador único que calcula la suma de los dos primeros argumentos:?- suma(s(s(c)),s(c),z). Z= s(s(s(c))) ; No La figura 4 muestra un uso (+,+,-) de suma/3. El caso recursivo va eliminando functores s/1 de X y construyendo progresivamente Z. Para ello,

11 Técnicas básicas de programación Prolog T2.11 1) suma(s(s(c)), s(c), Z) 2 - {X1/s(c), Y1/s(c), Z/s(Z1)} 2) suma(s(c), s(c), Z1) 2 - {X2/c, Y2/s(c), Z1/s(Z2)} 3) suma(c, s(c), Z2) 1 - {Y3/s(c), Z2/s(c)} 4) es_natural(s(c)) 4 - {X4/c} 5) es_natural(c) 3-6. éxito {Z/s(s(s(c)))} Figura 4: Uso (+,+,-) de suma/3. se introducen variables intermedias Z i y se construyen sustituciones de la forma {Z i /s(z i+1 )}. El caso base unifica Y con la última variable Z n introducida, donde n es el número de functores s/1 de X, completando la construcción de Z. Esta construcción progresiva de la solución mediante variables y sustituciones intermedias es típica de la programación lógica, por lo que es importante familiarizarse con este mecanismo. El uso (+,-,+) se comporta como un generador único que calcula la diferencia entre el tercer y el primer argumento:?- suma(s(s(c)),y,s(s(s(c)))). Y= s(c) ; No Lo interesante de este ejemplo es que estamos usando el mismo código para sumar y para restar. En el estilo funcional, los argumentos de la función son siempre entradas que se deben facilitar y el valor devuelto por la función es la salida. En el estilo relacional desaparece la dependencia de las salidas respecto de las entradas. Que un parámetro sea de entrada o salida depende de cuál sea su modo. El árbol de búsqueda se muestra en la figura 5. Como en el uso (+,+,+), el caso recursivo va eliminando functores de X y Z. Al llegar al caso base se unifica la incógnita Y con Z. El uso (-,+,+) es similar a (+,-,+). También es un generador único que sirve para restar. La diferencia es que en este caso el árbol (ver figura 6) contendrá una rama fallo adicional. Esto se debe a que cuando Y y

12 T2.12 Técnicas básicas de programación Prolog 1) suma(s(s(c)), Y, s(s(s(c)))) 2 - {X1/s(c), Y1/Y, Z1/s(s(c))} 2) suma(s(c), Y, s(s(c))) 2 - {X2/c, Y2/Y, Z2/s(c)} 3) suma(c, Y, s(c)) 1 - {Y3/s(c), Y/s(c)} 4) es_natural(s(c)) 4 - {X4/c} 5) es_natural(c) 3-6. éxito {Y/s(c)} Figura 5: Uso (+,-,+) de suma/3. 1) suma(x, s(s(c)), s(s(s(c)))) 2 - {X/s(X1), Y1/s(s(c)), Z1/s(s(c))} 2) suma(x1, s(s(c)), s(s(c))) 2 - {X1/s(X2), Y2/s(s(c)), Z2/s(c)} 1 - {X1/c, Y2/s(s(c))} 3) es_natural(s(s(c))) 7) suma(x2, s(s(c)), s(c)) 4 - {X3/s(c)} 2 - {X2/s(X3), Y3/s(s(c)), Z3/c} 4) es_natural(s(c)) 8) suma(x3, s(s(c)), c) fallo 4 - {X4/c} 5) es_natural(c) 3-6. éxito {X/s(c)} Figura 6: Uso (-,+,+) de suma/3.

13 Técnicas básicas de programación Prolog T2.13 1) suma(x, Y, s(s(c))) 1 - {X/c, Y1/s(s(c)), Y/s(s(c))} 2 - {X/s(X1), Y1/Y, Z1/s(c)} 2) es_natural(s(s(c))) 4 - {X2/s(c)} 6) suma(x1, Y, s(c)) 1 - {X1/c, Y2/s(c), Y/s(c)} 2 - {X1/s(X2), Y2/Y, Z2/c} 3) es_natural(s(c)) 4 - {X3/c} 4) es_natural(c) 3-5. éxito {X/c, Y/s(s(c))} 7) es_natural(s(c)) 4 - {X3/c} 8) es_natural(c) 3-9. éxito {X/s(c), Y/s(c)} 10) suma(x2, Y, c) 1 - {X2/c, Y3/c, Y/c} 11) es_natural(c) éxito {X/s(s(c)), Y/c} Figura 7: Uso (-,-,+) de suma/3. Z unifican, se pueden aplicar tanto el caso base como el caso recursivo. El primero completará la construcción de X y conducirá a la solución, mientras que el segundo acabará fallando al reducir Z a c. Aunque ambos usos sirven para restar, el uso (+,-,+) es preferible por ser más eficiente. El uso (-,-,+) se comporta como un generador acotado que descompone un natural dado Z en dos sumandos X e Y:?- suma(x,y,s(s(c))). X= c Y= s(s(c)) ; X= s(c) Y= s(c) ; X= s(s(c)) ; Y= c No Este caso ilustra la potencia que puede alcanzar el estilo relacional. El árbol de resolución se muestra en la figura 7. Puesto que el caso base y el recursivo no son excluyentes, la ejecución de este objetivo genera respuestas múltiples. Cuando se aplica el caso base, X se instancia a c y se unifican Y y Z, una forma trivial de satisfacer la relación. El caso recursivo elimina un

14 T2.14 Técnicas básicas de programación Prolog 1) suma(s(s(c)), Y, Z) 2 - {X1/s(c), Y1/Y, Z/s(Z1)} 2) suma(s(c), Y, Z1) 2 - {X2/c, Y2/Y, Z1/s(Z2)} 3) suma(c, Y, Z2) 1 - {Y3/Z2, Y/Z2} 4) es_natural(z2) 4 - {Z2/s(X4)} 3 - {Z2/c} 5. éxito {Y/c, Z/s(s(c))} 6) es_natural(x4) 4 - {X4/s(X5)} 3 - {X4/c} 7. éxito {Y/s(c), Z/s(s(s(c)))} 8) es_natural(x5)... Figura 8: Uso (+,-,-) de suma/3. functor s/1 de Z, y construye progresivamente X, introduciendo variables y sustituciones intermedias. El uso (+,-,-) es un generador no acotado:?- suma(s(s(c)),y,z). Y= c Z= s(s(c)) ; Y= s(c) Z= s(s(s(c))) ;... en Y obtenemos los naturales y en Z los naturales mayores o iguales que X. La figura 8 muestra el árbol de búsqueda. Al estar X en modo +, los casos base y recursivo de suma/3 son excluyentes y la recursión converge de forma determinista al caso base. El caso recursivo va eliminando functores s/1 de X y construyendo progresivamente Z. Una vez que se alcanza el caso base, se unifican la Y y la variable Z n, completando la construcción de Z. En los ejemplos anteriores, todas las comprobaciones de dominio es_natural/1 se han ejecutado en modo +. En este caso, como Y ha quedado libre, la comprobación de dominio es_natural se ejecuta en modo -, comportándose como un generador no acotado. La capacidad de generar respuestas múltiples de suma(+,-,-) proviene del uso en modo -

15 Técnicas básicas de programación Prolog T2.15 1) suma(x, s(c), Z) 1 - {X/c, Y1/s(c), Z/s(c)} 2 - {X/s(X1), Y1/s(c), Z/s(Z1)} 2) es_natural(s(c)) 5) suma(x1, s(c), Z1) 4 - {X2/c} 1 - {X1/c, Y2/s(c), Z1/s(c)} 2 - {X1/s(X2), Y2/s(c), Z1/s(Z2)} 3) es_natural(c) 6) es_natural(s(c)) 8) suma(x2, s(c), Z2) {X3/c} 1 - {X2/c, Y3/s(c), Z2/s(c)} 2 - {X2/s(X3), Y3/s(c), Z2/s(Z3)} 4. éxito {X/c, Z/s(c)} 7) es_natural(c)... 9) es_natural(s(c))... 10) suma(x3, s(c), Z3)... Figura 9: Uso (-,+,-) de suma/3. del predicado es_natural/1. El uso (-,+,-) es similar al uso (+,-,-):?- suma(x,s(s(c)),z). X= c Z= s(s(c)) ; X= s(c) Z= s(s(s(c))) ;... el árbol de resolución de la figura 9 muestra que, en este caso, se generan respuestas múltiples porque los casos base y recursivo de suma/3 no son excluyentes; mientras que es_natural/1 se comporta como un test. Finalmente, el uso (-,-,-) se comporta como un generador anómalo:?- suma(x,y,z). X= c Y= c Z= c ; X= c Y= s(c) Z= s(c) ;...

16 T2.16 Técnicas básicas de programación Prolog 1) suma(x, Y, Z) 1 - {X/c, Y1/Z, Y/Z} 2 - {X/s(X1), Y1/Y, Z/s(Z1)} 2) es_natural(z) 4 - {Z/s(X2)} 3 - {Z/c} 5) suma(x1, Y, Z1) 1 - {X1/c, Y2/Z1, Y/Z1} 2 - {X1/s(X2), Y2/Y, Z1/s(Z2)} 3. éxito {X/c, Y/c, Z/c} 4) es_natural(x2) 6) es_natural(z1) 7) suma(x2, Y, Z2) Figura 10: Uso (-,-,-) de suma/3. La semántica declarativa nos dice que este objetivo debería generar todas las tripletas (X, Y, Z) tales que Z = X + Y. Sin embargo, la ejecución del objetivo su semántica operacional genera tripletas de la forma (0, Y, Z), con Z = 0 + Y = Y. El problema, tal y como ilustra la la figura 10, es que hay más de una rama infinita. El objetivo suma(x,y,z) se puede resolver aplicando el caso base o el recursivo. Al aplicar el primero, X se instancia a c, se unifican Y y Z, y obtenemos el subojetivo es_natural(z), que se comporta como un generador no acotado. Puesto que la construcción del árbol se hace en profundidad, nunca se considera la posibilidad de aplicar el caso recursivo al objetivo inicial. La figura 11 muestra la tabla de comportamiento del predicado suma/3. Generadores, dominios y respuestas genéricas. Añadir comprobaciones de dominio a los predicados, tal como acabamos de hacer con suma/3, tiene ventajas e inconvenientes. Entre las ventajas podemos destacar que nos puede ayudar a encontrar errores en los programas al fracasar objetivos que devolverían respuestas computadas erróneas:

17 Técnicas básicas de programación Prolog T2.17 suma(x,y,z) uso comportamiento significado (+,+,+) test Z = X + Y (+,+,-) generador único suma: Z = X + Y (+,-,+) generador único resta: Y = Z X (-,+,+) generador único resta: X = Z Y (-,-,+) generador acotado {(X, Y)/X Z Y Z Z = X + Y} (+,-,-) generador no acotado {(Y, Z)/Y N Z = X + Y} (-,+,-) generador no acotado {(X, Z)/X N Z = X + Y} (-,-,-) generador anómalo X = 0, Y N, Z = Y Figura 11: Tabla de comportamiento de suma/3 con comprobación de dominio.?- suma(c,a,z). No Además, puesto que la definición de dominio es_natural/1 puede comportarse como un generador, el predicado suma/3 hereda esa capacidad generadora siempre que el segundo y tercer argumentos estén en modo -, tal como vimos al analizar el uso (+,-,-):?- suma(s(s(c)),y,z). Y = c Z = s(s(c)) ; Y = s(c) Z = s(s(s(c))) ; Y = s(s(c)) Z = s(s(s(s(c)))) ;... En cuanto a los inconvenientes de incorporar una comprobación de dominio, uno muy obvio es la ineficiencia. Además, conceptualmente estamos clasificando como falsos objetivos que quizá deberían interpretarse como errores y deberían por tanto ser rechazados por el sistema. Finalmente, al retener la capacidad generadora de es_natural/1, el predicado suma/3 pierde la posibilidad de devolver respuestas genéricas; es decir, respuestas que contengan variables libres. Si definimos el predicado sumag/3 omitiendo la comprobación de dominio en el caso base de suma/3: sumag(c,y,y). sumag(s(x),y,s(z)) :- sumag(x,y,z). para el siguiente objetivo :?- sumag(s(s(c)),y,z).

18 T2.18 Técnicas básicas de programación Prolog Z = s(s(y)) ; No obtenemos una respuesta genérica, pues Y queda libre. Las variables libres de las respuestas computadas se considera que están universalmente cuantificadas; es decir, que pueden reemplazarse por cualquier término. El objetivo pregunta a Prolog si existen Y y Z tales que Z = 2 + Y, y Prolog responde que Y puede ser cualquier natural, y Z será dos unidades superior a Y. 4 En general, prescindiremos de la comprobación de dominios, de manera que sacrificaremos la corrección para mejorar la eficiencia y obtener respuestas genéricas. Otras relaciones aritméticas. A continuación presentamos las definiciones y tablas de comportamiento de otras relaciones aritméticas típicas. iguales(x,y) se satisface si X = Y. Se puede definir aplicando recursión al primer argumento: iguales(c,c). iguales(s(x),s(y)) :- iguales(x,y). iguales(x,y) uso comportamiento significado (+,+) test X = Y (+,-) generador único copia: Y = X (-,+) generador único copia: X = Y (-,-) generador no acotado {(X, Y)/X = Y X N} Otra forma de definir iguales/2 consiste en emplear la unificación para forzar la igualdad entre los argumentos, y comprobar su sintaxis en el cuerpo de la regla: iguales(x,x) :- es_natural(x). menor(x,y) se satisface si X < Y. Podemos aplicar recursión sobre el primer argumento: menor(c,y) :- natural(y). menor(s(x),s(y)) :- menor(x,y). 4 En realidad Prolog responde que Y puede ser cualquier término, incluso uno que no sea un natural bien construido. Es el usuario el que interpreta que Y puede ser cualquier natural.

19 Técnicas básicas de programación Prolog T2.19 menor(x,y) uso comportamiento significado (+,+) test X < Y (+,-) generador no acotado {Y/Y > X} (-,+) generador acotado {X/X < Y} (-,-) generador anómalo Ejercicios 1. Construye la tabla de comportamiento el predicado sumag/3 y compárala con la de suma/3. 2. Qué ocurre al ejecutar el objetivo iguales(x,s(x))? 3. Qué ocurre si eliminamos la comprobación es_natural(y) en el caso base de menor/2? Cómo afecta esto a la tabla de comportamiento? 4. Define el predicado menor_igual(x,y), que se satisface si X Y. minimo(x,y,z) se satisface si Z = mín(x, Y). Basta aplicar recursión simultánea sobre los dos primeros argumentos. Esto permite reducir ambos argumentos hasta que uno de ellos se haga cero: minimo(c,y,c) :- es_natural(y). minimo(x,c,c) :- es_natural(x). minimo(s(x),s(y),s(z)) :- minimo(x,y,z). La definición anterior es incorrecta. Si ambos argumentos son iguales, obtenemos una respuesta repetida, lo que no tiene sentido pues el mínimo de dos naturales es único. Para solucionarlo, basta considerar explícitamente las tres posibilidades: que ambos argumentos se hagan cero simultáneamente, o que uno de ellos se haga cero y el otro no: minimo(c,c,c). minimo(c,s(y),c) :- es_natural(y). minimo(s(x),c,c) :- es_natural(x). minimo(s(x),s(y),s(z)) :- minimo(x,y,z). Esta definición sí es correcta, pero se puede hacer más concisa agrupando los dos primeros hechos: minimo(c,y,c) :- es_natural(y). minimo(s(x),c,c) :- es_natural(x). minimo(s(x),s(y),s(z)) :- minimo(x,y,z). Alternativamente, podemos evitar la recursión haciendo uso de las relaciones menor/2 y menor_igual/2:

20 T2.20 Técnicas básicas de programación Prolog minimo(x,y,x) :- menor_igual(x,y). minimo(x,y,y) :- menor(y,x). producto(x,y,z) se satisface si Z = X Y. La idea se basa en la siguiente definición recursiva de producto: Z = X Y = } X + X + X {{ + + X } Y veces = (X + X + + X) +X } {{ } (Y 1) veces = X (Y 1) + X Por lo tanto, hay que aplicar recursión sobre el segundo argumento: producto(x,c,c):- es_natural(x). producto(x,s(y),z) :- producto(x,y,t), suma(t,x,z). producto(x,y,z) uso comportamiento significado (+,+,+) test Z = X Y (+,+,-) generador único producto: Z = X Y (-,+,-) generador no acotado múltiplos de Y: {(X, Z)/X N Z = X Y} (+,-,-) generador no acotado múltiplos de X: {(Y, Z)/Y N Z = X Y} (+,-,+) no funciona cociente entero: Y = Z/X y no termina (-,+,+) no funciona cociente entero: X = Z/Y y no termina (-,-,+) no funciona si Z = 0 entonces X = Z, Y = 1 y no termina sino X N y Y = 0 (-,-,-) generador anómalo X N, Y = 0, Z = 0 El patrón de predicado recursivo. Todos los predicados recursivos que hemos definido, y la mayoría de los que definiremos a lo largo del curso, son instancias del siguiente patrón de predicado recursivo, resolver/2: resolver(problema_base,solucion_base) :- condiciones_base. [Caso Base] resolver(problema,solucion) :- reducir(problema, ProblemaReducido), resolver(problemareducido, SolucionReducida), componer(problema,solucionreducida,solucion). [Caso Recursivo]