7.6. Представление и обработка множеств

Множество - одна из наиболее важных структур данных, используемых как в математике, так и в программировании. Множество – это набор элементов, напоминающий список, но отличающийся тем, что вопрос о том, сколько раз и в каком месте что-либо входит в множество в качестве его элемента, не имеет смысла. Так, множество (1, 2, 3) – это то же самое множество, что и (1, 2, 3, 1), поскольку значение имеет только сам факт, принадлежит данный элемент множеству или нет. Элементами множеств могут также быть другие множества. Самой фундаментальной операцией над множествами является определение того, принадлежит некоторый элемент данному множеству или нет.

Не должно вызывать удивления, что множества удобно представлять в виде списков. Список может содержать произвольные элементы, включая другие списки, и над списками можно определить предикат принадлежности. Однако условимся, что когда мы представляем множество в виде списка, такой список содержит только по одному элементу на каждый объект, принадлежащий множеству. При работе со списками без повторяющихся элементов упрощаются некоторые операции, такие, как удаление элементов. Итак, нам предстоит иметь дело только со списками без повторяющихся элементов. Предикаты, рассматриваемые ниже, соблюдают это свойство и опираются на него.

Над множествами обычно определяется следующий набор операций (мы будем применять и общепринятые математические обозначения для тех читателей, кто к ним привык):

Принадлежность множеству: X∈Y

X принадлежит некоторому множеству Y, если X является одним из элементов Y.

Пример: а∈{с,а,t}.

Включение: X⊂Y

Множество Y включает в себя множество X, если каждый элемент множества X является также элементом Y. Множество Y может содержать некоторые элементы, которых нет в X.

Пример: {x,r,u}⊂{p,q,r,f,t,u,v,w,x,y,z}.

Пересечение: X∩Y

Пересечением множеств X и Y является множество, содержащее те элементы, которые одновременно принадлежат X и Y.

Пример: {r,a,p,i,d} ∩ {p,i,c,t,u,r,e} = {r,i,p}.

Объединение: X ∪ Y

Объединением множеств X и Y является множество, содержащее все элементы, принадлежащие X или Y или одновременно им обоим.

Пример: {a,b,c} ∪ {с,d,е} = {a,b,c,d,e}.

Это – основные операции, которые обычно используются при работе с множествами. Теперь мы можем приступить к написанию Пролог-программ, реализующих каждую из них. Первая основная операция 'принадлежность' реализуется тем же самым предикатом принадлежит, с которым мы уже встречались несколько раз. Однако в нашем определении принадлежит в граничном случае нет символа «отсечения», поэтому мы можем создавать последовательные элементы списка, используя возвратный ход:

принадлежит(Х,[Х|_]).

принадлежит(Х,[_|Y]):- принадлежит(Х,Y).

Следующая операция 'включение' реализуется предикатом включает, причем включает(Х, Y) завершается успешно, если X является подмножеством Y, т. е. Y включает X. Второе утверждение в его определении опирается на математическое соглашение о том, что пустое множество является подмножеством любого множества. В Прологе это соглашение дает способ проверки граничного условия для первого аргумента, поскольку запрограммирована рекурсивная обработка его хвоста:

включает([А|Х],Y):- принадлежит(А,Y), включает(Х,Y).

включает([],Y).

Следом идет самый сложный случай, реализация пересечения. Целевое утверждение пересечение(Х, Y,Z) доказуемо, если пересечением X и Y является Z. Это как раз тот случай, когда используется предположение, что данные списки не содержат повторяющихся элементов:

пересечение([], X, []).

пересечение([X|R],Y,[X|Z]):-принадлежит(Х, Y),!,пересечение(R, Y,Z).

пересечение([Х|R],Y,Z):- пересечение(R, Y,Z).

Наконец, объединение. Целевое утверждение объединение (X,Y,Z) доказуемо, если объединением X и Y является Z. Заметим, что реализация предиката объединение сконструирована на основе определений предикатов пересечение иприсоединить:

объединение([],Х,Х).

объединение([Х|R],Y,Z):- принадлежит(Х,Y),!,

объединение(R,Y,Z). объединение([X |R],Y,[X|Z]):- объединение(R,Y,Z).

Этим исчерпывается наш перечень предикатов работы с множествами. И хотя использование множеств может оказаться не характерным для ваших программ, тем не менее полезно изучить эти примеры. Они позволяют вам получить ясное представление о том, как можно использовать рекурсию и возвратный ход.