Probleme und Lösungen mit Turbo-Prolog: Logikaufgaben Sortierprogramme Auswerfen von Datenbanken Variationen von Bäumen

202 Pages·1988·3.547 MB·German

by  Dietmar Herrmann (auth.)

D. Herrmann
Probleme und Lösungen
mi t Turbo-Prolog
Programmieren von Mikrocomputern
Die Bände dieser Reihe geben den Benutzern von Heimcomputern, HObbycomputern bzw.
Personalcomputern über die Betriebsanleitung hinaus zusätzliche Anwendungshilfen. Der Leser
findet wertvolle Informationen und Hinweise mit Beispielen zur optimalen Ausnutzung seines
Gerätes, besonders auch im Hinblick auf die Entwicklung eigener Programme.
Bisher erschienene Bände
Band 1 Einftihrung in BASIC Band 16 Einftihrung in die Anwendung des
von W. Schneider Betriebssystems MS-DOS
von W. Schneider
Band 3 BASIC für Fortgeschrittene
von W. Schneider Band 17 Einführung in die Anwendung des
UCSD p-Systems
Band 4 Einführung in Pascal von K. Buckner/M. J. Cookson/
von W. Schneider A. I. Hinxman/ A. Tate
Band 6 BASIC-Programmierbuch zu den Band 18 Mikrocomputer-COBOL
grundlegenden Ablaufstrukturen von W. Kähler
der Datenverarbeitung
von E. Kaier Band 19 Fortgeschrittene Programmier-
techniken in Turbo Pascal
Band 7 Lehr-und Übungsbuch für von E. Hering und K. Scheurer
Commodore-Volkscomputer
von G. Oetzmann Band 20 Einführung in die Anwendung des
Betriebssystems Apple DOS
Band 9 Einführung in die Anwendung des (Apple II)
Betriebssystems CP/M von H. R. Behrendt und
von W. Schneider H. Junghans
Band 10 Datenstrukturen in Pascal und Band 22 Einführung in Turbo Pascal unter
BASIC CP/M 80
von D. Herrmann von G. Harbeck
Band 11 Programmierprinzipien in BASIC Band 23 Pascal mit der Turtle
und Pascal von K. und K. H. Beelich
von D. Herrmann
Band 24 Programmieren mit UNIX
Band 13 Strukturiertes Programmieren in von G. Martin und M. Trostmann
BASIC
von W. Schneider Band 25 Murmeltierwelt und Pascal
von H. Pinke
Band 14 Logo-Programmierkurs für
Commodore 64 Logo und Band 27 Sprachverarbeitung mit LlSP
Terrapin Logo (Apple 11) und Prolog auf dem PC
von B. Schuppar von J. Handke
Band 15 Entwerfen von Programmen Band 28 Probleme und Lösungen mit
(Commodore 64) Turbo Prolog
von G. Oetzmann von D. Herrmann
Programmieren von Mikrocomputern Band 28
Dietmar Herrmann
Probleme und Lösungen
mit Thrbo-Prolog
Logikaufgaben
Sortierprogramme
Auswerfen von Datenbanken
Variationen von Bäumen
Mit 20 Abbildungen und 60 Programmen
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden
ISBN 978-3-528-04564-7 ISBN 978-3-322-91755-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91755-3
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1988
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und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Peter Lenz, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: W. LangeJüddecke, Braunschweig
v
Inhaltsverzeichnis
Einleitung .... ............... ......... ................................................... 1
Verzeichnis der Programme •.....•... ............................................ 4
1 Programmieren in Turbo-Prolog •••.•......••..............••..•.. ... ... .... 8
1.1 Fakten, Regeln, Anfragen ...................................................... 8
1.2 Programmaufbau .................................................................... II
1.3 Arithmetik und Standardfunktionen .............. ........... ............ 16
1.4 Listen ...................................................................................... 19
1.5 Ein-/ Ausgabe ......................................................................... 22
1.6 Graphik ................................................................................... 27
I. 7 Unifikation .................................. ..................... ...... ................ 31
1.8 Logische Grundlagen ............................................................. 34
1.9 Rekursion ................................................................................ 40
1.10 Backtracking ........................................................................... 45
1.11 Dateiverwaltung ..................................................................... 51
1.12 DOS- und Systemfunktionen ................................................ 54
2 Programm beispiele •••••••••.•••••.••...•••••.••••....••••.••.....•••.••..•.••.•.. 58
2.1 Elementare Probleme ............................................................. 58
KALENDER.PRO ..............•..............•••••......•••.........••..•.........•...... 58
OSTERN .PRO ...................•.......•.................................................. 60
TILGUNG.PRO •...••.......•••.......................................•.................... 62
AEGYPT.PRO ..•............................••..••.•..•.....•.•.............••........••.. 63
WECHSEL.PRO ...........•..........................................•.................... 64
PRIMZ.PRO ...•.............•..........................................••.................. 65
GGT.PRO •...........•.....•.••.........................................••.......•.......... 66
WUERFEL.PRO ......•............................•..........................•........•... 67
VI ~tsverzeichnds
2.2 Rekursion ................................................................................ 68
ARITH.PRO •••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••• 68
FIBO.PRO ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••• 69
PARTIT.PRO ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••• 70
REVERSE. PRO ••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 71
SIMPSON.PRO ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••..••••••••••.••••••••.•••••..•. 72
2.3 Turtle-Graphik ....................................................................... 74
BAUM1.PRO ••••••••••••••••.••••••••••••••••••••..•••••••...•••••••.••.••••••••••.....•••. 74
BAUM2.PRO ••.••••••••••.•••.••••••••.••••..•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 76
BAUM3.PRO .••••.••••••••••.•••••••.••••.••..•••••••••••..••.•••••••••.•••••••••••••..•••. 78
HILBERT.PRO .•..•••••••...•.•.•.•••..••••.••••••••••••••••••.•••••••••••••.••••••••••..•• 80
SCHNEEFL.PRO •••••••••••••••••••••••••••••...••••••..••.•••••••••••••.•••••••••••..•••• 83
DRAGON.PRO .••••••••.••..•.•.•••••..•••••••••••••••••••••••.••••••••••••.•.•••••.•••.•.• 85
2.4 Logik ....................................................................................... 87
WAHR.PRO ..•••••........•••...••.....•...........•••......••.•••.••.••...••.••••••••....•• 87
BOOL.PRO .•••.......•...•..........••.....••••••••.••............•......•..•••.......•••••• 88
ADDIERER.PRO ••••••••••.••••••••••.•••••••••••.•.•.•.••.••••••••••••.•..•.•.••..•••.... 90
PARTY.PRO ..••.........•..•..........•...........••••...........••••.•..•..•••••••.•..••.• 93
FLIPFLOP .PRO . .••. ••••....... ..•... ••••......••••.....•... ••••••• •••.. •••••••. .•••. •••• 94
2.5 Knobeleien .............................................................................. 97
ZEBRA.PRO .•.•.•.......•.............•.•••••.••...••...•.•.....••••.•••...•••••...•••..•.• 97
LUEGNER.PRO ..••..••••....•...•••........••••••..•..........•....•.....•••••.........••• 99
FAEHRMAN.PRO ••........................••••••...•..•.•••.............................. 100
DAMEN.PRO •.••.•••....•.........•.......••••••••.•..•........•.••..•••...........••.....• 103
SPRINGER.PRO ...........•••..•....••••••••••...•••.........••••••••••.•...•••...••.•.... 106
2.6 Listen ... ................. ................... ........... ... ...... ............ ............... 110
LISTE.PRO ....••..•... •.•........ ••••.. ........ .••............ .•........... ••...... ......... 110
UMWAND.PRO .......•..........................••.............•••..•........••••......... 113
ROEMISCH.PRO .... ........... .......•. •••••................ ...... ..•... ............. .... 114
PERMUT .PRO .••..•••........••....•.........................••...•......•...........•.•.. 115
KOMPLEX. PRO .•..•.•........................................••...........•.............• 116
VEKTOR. PRO ..•.. .... .•...•••.. ....•••..................... •.......... .......... ..••..... 118
CRAMER.PRO .•..••.........•••.....•••....................••..........••..........••.. ... 120
HORNER.PRO ............•...•......................................•...•............•.... 121
FOLGE.PRO ...................................................•............................ 122
2.7 Sortieren .................................................................................. 123
BUBBLE.PRO .............................................................................. 123
INSERT.PRO ...........•............•...................................................•.. 123
QUICKSRT.PRO .......................................................................... 124
Inhaltsverzeichnis VII
2.8 Mengen 125
MENGE.PRO ...•.......................•...........................•...............••...... 125
TEILER. PRO ...... ..................... .... ................•........•... •••...... .......... 126
SIEB.PRO ............. ................... ....... ............................................ 128
LOTTO.PRO .............................................................•.................. 129
2.9 Graphentheorie ....... ................................... ........ .......... ......... ... 131
FAERBUNG.PRO ......................................................................... 131
LABYRINT.PRO .......................................................................... 133
MINWEG.PRO ............................................................................. 134
AUTOMAT.PRO ........................................................................... 136
2.10 Arbeiten mit Texten .............................................................. 137
PLURAL.PRO ...................... ........................ ... .... ............... .......... 137
SATZ.PRO .................................................................................. 139
MORSEN. PRO ............................................................................. 140
ELIZA.PRO .................................................................................. 142
2.11 Datenbanken ........................................................................... 145
EUROPA.PRO ............................................................................. 145
STERNE.PROjSTERNE.DBA ......................................................... 146
ATOMKERN.PROjELEMENT.DBA ................................................ 150
j ATOMKERN .DBA
2.12 Expertensystem ...................................................................... 160
EXPERT.PRO .............................................................................. 160
2.13 DOS ......................................................................................... 165
BENCHMKl.PRO ........................................................................ 165
BENCHMK2.PRO .................................................•....................... 166
BIOS.PRO . ......... ................. ......................•........................... ...... 167
3 Das Turbo-Prolog-System .••................................................. 169
3.1 Installation .............................................................................. 169
3.2 Abgrenzung gegenüber Standard-Prolog .............................. 174
Literaturverzeichnis ................................................•............... 177
Schlüsselwörter und wichtige Begriffe ...................................... 178
Stichwortverzeichnis ............................................................... 192
1
Einleitung
Prolog (eigentlich: PROgrammation LOGique, meist als PROgramming in
LOGic gedeutet) wurde 1970 bis 1972 von der Forschungsgruppe GIA
(Groupe d'Intelligence Artificielle) der Universität Aix-Marseille unter
der Leitung von Alain Colmerauer entwickelt und 1973 erstmalig auch
implementiert.
Größere Bedeutung erhielt Prolog durch die Arbeiten von Robert Ko
walski an der Universität Edinburgh ab 1974, der zusammen mit Harry
Barrow vom Stanford Research Institute (Kalifornien) durch eine Imple
mentierung auf einer DEC-IO einen grundlegenden Standard setzte. Diese
Edinburgh-Version findet sich insbesondere in dem Standardwerk von
ClocksinjMellish (1981) [4].
Durch einen Gastaufenthalt von Koichi Furukawa 1978 in Stanford ge
langte Prolog nach Japan. In einer breitangelegten japanischen Studie
wurde Prolog als Programmiersprache der fünften Computergeneration
ausgewählt. Damit gelang Prolog der weltweite Durchbruch zu einer
Sprache der künstlichen Intelligenz. Es tritt damit in Konkurrenz zu Lisp
(LISt Processing language), das bereits Anfang der sechziger Jahre von
John McCarty am Massachusetts Institute of Technology in Boston ent
wickelt wurde und damit neben Fortran eine der ältesten Programmier
sprachen ist. Während Lisp eine abstrakte, streng formal aufgebaute Spra
che ist, kommt Prolog dem Programmierer durch eine leichte Lesbarkeit
und einfachere Syntax entgegen.
Da Prolog neben Fakten auch Regeln enthalten kann, eignet es sich her
vorragend, um eine Datenbank als Wissensbasis für ein Expertensystem zu
verwenden. Ganz Prolog-spezifisch ist der eingebaute Backtracking-Me
chanismus, der es dem Rechner erlaubt, aufgrund der gegebenen Fakten
selbst eine Problemlösung in Angriff zu nehmen. Ein dritter wesentlicher
Aspekt von Prolog ist die Unifizierung, die auf Arbeiten von J. Robinson
(1965) zurückgeht. Diese ermöglicht eine Anpassung komplexer Strukturen
an einfache Regeln und damit eine Handhabung von abstrakten Problem
stellungen.
Zusammen mit der eingebauten Programm logik lassen sich damit auf ein
fachere Weise als in anderen Programmiersprachen Probleme aus Logik,
Wissensanwendung, Mustererkennung, Sprachanalyse, Symbolverarbeitung
und Beweistechnik bearbeiten.
Inzwischen gibt es eine Vielzahl von Prolog-Compilern für Microcompu
ter. Außer Turbo-Prolog weichen auch das Arity-Prolog (Arity Corpora
tion Massachusetts) und das Prolog 11 (PrologIA Marseille) erheblich vom
Standard-Prolog ab. Turbo-Prolog von Borland (Kalifornien) stellt einen
2 Einleitung
schnellen, komfortablen Einstieg in die Welt der deklarativen Program
miersprachen dar. Durch den integrierten Editor, Window-Technik, DOS
Schnittstelle, Real-Arithmetik und die Graphik wird sogar die Systempro
grammierung ermöglicht. In Kapitel 3 finden Sie Informationen zu Tur
bo-Prolog als System.
Kapitellumfaßt zwölf Abschnitte, in denen die wichtigsten Grundlagen
des Programmierens in Prolog besprochen werden. Wichtige Fachausdrük
ke und Begriffe werden außerdem im Stichwortverzeichnis (Anhang) ge
sondert erklärt. Insbesondere befinden sich dort alle Schlüsselwörter (key
words) von Turbo-Prolog zum Nachschlagen. Den grundlegenden Prinzi
pien wie Backtracking, Rekursion und Unifikation ist jeweils ein eigener
Abschnitt zugedacht; ebenso den logischen Grundlagen.
Dieses Buch soll kein Lehrbuch für Prolog sein. Es wendet sich an Leser
mit Programmiererfahrung in einer oder mehreren prozeduralen Program
miersprachen wie BASIC oder C. Es werden aber auch Parallelen zu Logo
und Lisp aufgezeigt. Da man das Programmieren am besten anhand zahl
reicher Fragestellungen lernt, umfaßt das zweite Kapitel 60 Programmbei
spiele der verschiedensten Art. Dabei wurde versucht, nicht nur Prolog
typische Probleme wie das Auswerten einer Datenbank oder Lösen von
Logikaufgaben aufzugreifen.
Die AufgabensteIlungen sind vielseitig: Neben Kalender-Berechnungen
werden das Würfelspiel und das Ziehen von Lottozahlen simuliert. Am
Beispiel der bekannten Fibonacci-Folge wird die Umwandlung einer Re
kursion in ein iteratives Schema aufgezeigt. Obwohl numerische Prozedu
ren kein Prolog-Thema sind, wird hier als Beispiel zur Real-Arithmetik
die numerische Berechnung eines Integrals mittels Simpson-Formel ge
zeigt. Einblick in die Welt der Graphik bieten vier Variationen von Bäu
men und fraktalen Kurven. Das Programm party.pro stellt ein grundsätzli
ches Verfahren zur Lösung von Logik-Aufgaben vor, bei denen verschie
dene Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein müssen. Die mit der Aussagen
logik verwandte Schaltalgebra wird zum Nachvollziehen eines Serienad
dierers und eines Flipflops herangezogen. Anspruchsvoller sind die Pro
gramme zum Acht-Damen-Problem und Springerzug (Rösselsprung) auf
dem Schachbrett. Anhand der hier eingesetzten Backtrackings wird die
Entwicklung künstlicher Intelligenz gezeigt. Grundlegende Verfahren zur
Listenverarbeitung werden im Abschnitt Listen bereitgestellt; diese kön
nen als Grundlage zur eigenen Programmierung dienen. In weiteren Pro
grammen werden die zahlreichen Anwendungen des Listenkonzeptes bei
anderen Datenstrukturen demonstriert. Am Beispiel der Sortierprogramme
wird der prinzipielle Unterschied zwischen deklarativer und prozeduraler
Programmierweise besonders deutlich. Auch Mengen-Operationen lassen
sich sehr elegant in Prolog realisieren. Eine weitere Anwendung findet die
künstliche Intelligenz in der Graphentheorie, einem relativ neuen Zweig
Einleitung 3
der Mathematik. Als Beispiele werden hier die Färbung einer Landkarte
und die Wegsuche in einem Labyrinth behandelt. Die Pluralbildung im
Englischen und eine Mini-Grammatik werden im Abschnitt zum Arbeiten
mit Texten aufgezeigt. Als Beispiel für Datenbanken findet sich hier eine
Datei aller europäischen Länder, ein Katalog der 100 hellsten Sterne und
ein Verzeichnis aller stabilen Atomkerne. Für nichtstabile Atomkerne
wird abgeschätzt, welche Radioaktivität sie entwickeln. Dieses Programm
kann bereits als Expertensystem angesehen werden. Das Programm
expert .pro stellt ein eigentliches Expertensystem zur Klassifikation von
Edelsteinen dar. Den Abschluß der Programme bilden zwei Benchmark
Programme, mit denen Sie die Schnelligkeit Ihres Rechners testen können,
und das Programm bios.pro, das einen Zugriff auf das BIOS (Basic lnput
jOutput System) ermöglicht. Alle Programme sind auf Diskette erhältlich,
die mit beiliegender Karte bestellt werden kann. Die Programme sind ent
weder selbst-startend (bei Aufruf von RUN im Hauptmenü) oder enthal
ten im Kommentarteil das aufzurufende Prädikat. Zahlreiche Graphiken
und Bildschirm-Hardcopies dienen zur Veranschaulichung des Textes und
dem Ablauf der Programme.