Второе, каковы разрешенные ходы, переводящие мир из одного состояния в другое? Существуют четыре типа ходов:
(1) схватить банан,
(2) залезть на ящик,
(3) подвинуть ящик,
(4) перейти в другое место.
Рис. 2.12. Исходное состояние обезьяньего мира, представленное в виде структурного объекта. Его четыре компоненты суть горизонтальная позиция обезьяны, вертикальная позиция обезьяны, позиция ящика, наличие или отсутствие у обезьяны банана.
Не всякий ход допустим при всех возможных состояниях мира. Например, ход "схватить" допустим, только если обезьяна стоит на ящике прямо под бананом (т.е. в середине комнаты) и еще не имеет банана. Эти правила можно формализовать в Прологе в виде трехместного отношения ход:
ход( Состояние1, М, Состояние2)
Три аргумента этого отношения определяют ход, следующим образом:
Состояние1 --------> Состояние2
М
Состояние1 это состояние до хода, М — выполняемый ход, и Состояние2 — состояние после хода.
Ход "схватить", вместе с необходимыми ограничениями на состояние перед этим ходом, можно выразить такой формулой:
ход( состояние( середина, наящике, середина, неимеет),
% Перед ходом
схватить, % Ход
состояние( середина, наящике, середина, имеет) ).
% После хода
В этом факте говорится о том, что после хода у обезьяны уже есть банан и что она осталась на ящике в середине комнаты.
Таким же способом можно выразить и тот факт, что обезьяна, находясь на полу, может перейти из любой горизонтальной позиции P1 в любую позицию Р2. Обезьяна может это сделать независимо от позиции ящика, а также независимо от того, есть у нее банан или нет. Все это можно записать в виде следующего прологовского факта:
ход( состояние( P1, наполу, В, H),
перейти( P1, Р2), % Перейти из P1 в Р2
состояние( Р2, наполу, В, H) ).
Заметим, что в этом предложении делается много утверждений и, в частности:
• выполненный ход состоял в том, чтобы "перейти из некоторой позиции P1 в некоторую позицию Р2";
• обезьяна находится на полу, как до, так и после хода;
• ящик находится в некоторой точке В, которая осталась неизменной после хода;
• состояние "имеет банан" остается неизменным после хода.
Рис. 2.13. Рекурсивная формулировка отношения можетзавладеть.
Данное предложение на самом деле определяет все множество возможных ходов указанного типа, так как оно применимо к любой ситуации, сопоставимой с состоянием, имеющим место перед входом. Поэтому такое предложение иногда называют схемой хода. Благодаря понятию переменной, имеющемуся в Прологе, такие схемы легко на нем запрограммировать.
Два других типа ходов: "подвинуть" и "залезть" — легко определить аналогичным способом.
Главный вопрос, на который должна ответить наша программа, это вопрос: "Может ли обезьяна, находясь в некотором начальном состоянии S, завладеть бананом?" Его можно сформулировать в виде предиката
можетзавладеть( S)
где аргумент S — состояние обезьяньего мира. Программа для можетзавладеть может основываться на двух наблюдениях:
(1) Для любого состояния S, в которой обезьяна уже имеет банан, предикат можетзавладеть должен, конечно, быть истинным; в этом случае никаких ходов не требуется. Вот соответствующий прологовский факт:
можетзавладеть( состояние( _, _, _, имеет) ).
(2) В остальных случаях требуется один или более ходов. Обезьяна может завладеть бананом в любом состоянии S1, если для него существует ход из состояния P1 в некоторое состояние S2, такое, что, попав в него, обезьяна уже сможет завладеть бананом (за нуль или более ходов). Этот принцип показан на рис. 2.13. Прологовская формула, соответствующая этому правилу, такова:
можетзавладеть( S1) :-
ход( S1, М, S2),
можетзавладеть( S2).
Теперь мы полностью завершили нашу программу, показанную на рис. 2.14.
Формулировка можетзавладеть рекурсивна и совершенно аналогична формулировке отношения предок из гл. 1 (ср. рис. 2.13 и 1.7). Этот принцип используется в Прологе повсеместно.
Мы создали нашу программу "непроцедурным" способом. Давайте теперь изучим ее процедурное поведение, рассмотрев следующий вопрос к программе:
?- можетзавладеть( состояние( удвери, наполу, уокна, неимеет) ).
Ответом пролог-системы будет "да". Процесс, выполняемый ею при этом, обрабатывает, в соответствии с процедурной семантикой Пролога, последовательность списков целей. Для этого требуется некоторый перебор ходов, для отыскания верного из нескольких альтернативных. В некоторых точках при таком переборе будет сделан неверный ход, ведущий в тупиковую ветвь процесса вычислений. На этом этапе автоматический возврат позволит исправить положение. На рис. 2.15 изображен процесс перебора.
% Разрешенные ходы
ход( состояние( середина, на ящике, середина, неимеет),
схватить, % Схватить банан
состояние( середина, наящике, середина, имеет)).
ход( состояние( P, наполу, P, H),
залезть, % Залезть на ящик
состояние( P, наящике, P, H) ).
ход( состояние( P1, наполу, P1, H),
подвинуть( P1, Р2), % Подвинуть ящик с P1 на Р2
состояние( Р2, наполу, Р2, H) ).
ход( состояние( P1, наполу, В, H),
перейти( P1, Р2), % Перейти с P1 на Р2
состояние( Р2, наполу, В, H) ).
% можетзавладеть(Состояние): обезьяна может завладеть
% бананом, находясь в состоянии Состояние
можетзавладеть( состояние( -, -, -, имеет) ).
% может 1: обезьяна уже его имеет
можетзавладеть( Состояние1) :-
% может 2: Сделать что-нибудь, чтобы завладеть им
ход( Состояние1, Ход, Состояние2),
% сделать что-нибудь
можетзавладеть( Состояние2).
% теперь может завладеть
Рис. 2.14. Программа для задачи об обезьяне и банане.
Для ответа на наш вопрос системе пришлось сделать лишь один возврат. Верная последовательность ходов была найдена почти сразу. Причина такой эффективности программы кроется в том порядке, в котором в ней расположены предложения, касающиеся отношения ход. В нашем случае этот порядок (к счастью) оказался весьма подходящим. Однако возможен и менее удачный порядок. По правилам игры обезьяна могла бы с легкостью ходить туда-сюда, даже не касаясь ящика, или бесцельно двигать ящик в разные стороны. Как будет видно из следующего раздела, более тщательное исследование обнаруживает, что порядок предложений в нашей программе является, на самом деле, критическим моментом для успешного решения задачи.
Рис. 2.15. Поиск банана обезьяной. Перебор начинается в верхнем узле и распространяется вниз, как показано. Альтернативные ходы перебираются слева направо. Возврат произошел только один раз.
2.6. Порядок предложений и целей