Трудности с отсечением и отрицанием

Используя отсечение, мы кое-что выиграли, но не совсем даром. Преимущества и недостатки применения отсечения были показаны на примерах из предыдущих разделов. Давайте подытожим сначала преимущества:

(1) При помощи отсечения часто можно повысить эффективность программы. Идея состоит в том, чтобы прямо сказать пролог-системе: не пробуй остальные альтернативы, так как они все равно обречены на неудачу.

(2) Применяя отсечение, можно описать взаимоисключающие правила, поэтому есть возможность запрограммировать утверждение:

если условие P, то решение Q,

иначе решение R

Выразительность языка при этом повышается.

Ограничения на использование отсечения проистекают из того, что есть опасность потерять такое важное для нас соответствие между декларативным и процедурным смыслами программы. Если в программе нет отсечений, то мы можем менять местами порядок предложений и целей, что повлияет только на ее эффективность, но не на декларативный смысл. Если же отсечения в ней присутствуют, то изменение порядка предложений может повлиять на ее декларативный смысл. Это значит, что программа с измененным порядком, возможно, будет давать результаты, отличные от результатов исходной программы. Вот пример, демонстрирующий этот факт:

p:- а, b.

p:- с.

Декларативный смысл программы: p истинно тогда и только тогда, когда истинны одновременно и а, и b или истинно с. Это можно записать в виде такой логической формулы:

p <===> (а & b) U с

Можно поменять порядок этих двух предложений, но декларативный смысл останется прежним. Введем теперь отсечение

p:- а,!, b.

p:- с.

Декларативный смысл станет теперь таким:

p <===> (а & b) U (~а & с)

Если предложения поменять местами

p:- с.

p:- а,!, b.

декларативный смысл станет таким:

p <===> с U (а & b)

Важным моментом здесь является то, что при использовании отсечения требуется уделять больше внимания процедурным аспектам. К несчастью, эта дополнительная трудность повышает вероятность ошибок программирования.

В наших примерах из предыдущего раздела мы видели, что удаление отсечений из программы может привести к изменению ее декларативного смысла. Но были также в такие случаи, когда отсечение на него не влияло. Использование отсечений последнего типа требует меньшей осторожности, и поэтому такие отсечения иногда называют "зелеными отсечениями". С точки зрения наглядности программы такие отсечения "невинны" и их использование вполне приемлемо. При чтении программы их можно просто игнорировать.

Напротив, отсечения, влияющие на декларативный смысл, называются "красными". Красные отсечения — это такие отсечения, которые делают программу трудной для понимания, и их нужно применять с особой осторожностью.

Отсечение часто используется в комбинации со специальной целью fail. В частности, мы определили отрицание какой-либо цели (not), как ее неуспех. Определенное таким образом отрицание представляет собой просто особый (более ограниченный) вид отсечения. Из соображений ясности программ мы предпочтем пользоваться not вместо комбинации отсечение — неуспех (всюду, где возможно), поскольку отрицание является понятием более высокого уровня, чем отсечение — неуспех.

Следует заметить, что использование оператора not также может приводить к неприятностям, и его тоже следует применять с осторожностью. Трудность заключается в том, что тот оператор not, который был нами определен, не в точности соответствует отрицанию в математике. Если спросить

?- not человек(мэри).

система, возможно, ответит "да". Не следует понимать этот ответ как "мэри не человек". Что в действительности пролог-система хочет сказать своим "да", так это то, что программе не хватает информации для доказательства утверждения "Мэри — человек". Это происходит потому, что при обработке цели not система не пытается доказать истинность этой цели впрямую. Вместо этого она пытается доказать противоположное утверждение, и если такое противоположное утверждение доказать не удается, система считает, что цель not — успешна. Такое рассуждение основано на так называемом предположении о замкнутости мира. В соответствии с этим постулатом мир замкнут в том смысле, что все в нем существующее либо указано в программе, либо может быть из нее выведено. И наоборот — если что-либо не содержится в программе (или не может быть из нее выведено), то оно не истинно и, следовательно, истинно его отрицание. Это обстоятельство требует особого внимания, поскольку мы обычно не считаем мир замкнутым: если в программе явно не сказано, что

человек(мэри)

то мы этим обычно вовсе не хотим сказать, что Мэри не человек.

Дальнейшее изучение опасных аспектов использования not проведем на таком примере:

r(а).

g(b).

p(X):- not r(X).

Если спросить теперь

?- g(X), p(X).

система ответит

X = b

Если же задать тот же вопрос, но в такой форме

?- p(X), g(X).

система ответит

nо (нет)

Читателю предлагается проследить работу программы по шагам, чтобы понять, почему получились разные ответы. Основная разница между вопросами состоит в том, что переменная X к моменту вычисления p(X) в первом случае была уже конкретизирована, в то время как во втором случае этого еще не произошло.

Мы детально обсудили аспекты применения отсечения, которое неявно присутствует в not. При этом нами руководило желание предупредить пользователей о соблюдении необходимой осторожности, а вовсе не желание убедить их совсем не пользоваться этим оператором. Отсечение полезно, а часто и необходимо. А что касается трудностей Пролога, порождаемых отсечением, то подобные неудобства часто возникают и при программировании на других языках.

Резюме

• Отсечение подавляет перебор. Его применяют как для повышения эффективности программ, так и для повышения выразительности языка.

• Эффективность повышается путем прямого указания (при помощи отсечения) пролог — системе не проверять альтернативы, про которые нам заранее известно, что они должны потерпеть неудачу.

• Отсечение дает возможность сформулировать взаимно исключающие утверждения при помощи правил вида:

если Условие то Утверждение1 иначе Утверждение2

• Отсечение дает возможность ввести отрицание как неуспех: not(Цель) определяется через неуспех цели Цель.

• Иногда бывают полезными две особые цели true и fail. true — всегда успешна и fail — всегда терпит неудачу.

• Существуют ограничения в применении отсечения: его появление может нарушить, соответствие между декларативным и процедурным смыслами программы. Поэтому хороший стиль программирования предполагает осторожное применение отсечений и отказ от их применения без достаточных оснований.

• Оператор not, определенный через неуспех, не полностью соответствует отрицанию в математической логике. Поэтому not тоже нужно применять с осторожностью.

Литература

Различать "зеленые и "красные" отсечения предложил ван Эмден (1982).

van Emden M. (1982). Red and green cuts. Logic Programming Newsletter: 2.