7.10. Просеивай Двойки, Просеивай Тройки

Просеивай Двойки,

Просеивай Тройки,

Эратосфена Решето,

Пусть все кратные им отсеем,

Простые числа получим зато.

Аноним

Простое число – это целое положительное число, которое делится нацело только на 1 и на само себя. Например, число 5 – простое, а число 15 – нет, поскольку оно делится на 3. Один из методов построения простых чисел называется «решетом Эратосфена». Этот метод, «отсеивающий» простые числа, не превышающие N, работает следующим образом:

1. Поместить все числа от 2 до N в решето.

2. Выбрать и удалить из решета наименьшее число.

3. Включить это число в список простых.

4. Просеять через решето (удалить) все числа, кратные этому числу.

5. Если решето не пусто, то повторить шаги 2-5.

Чтобы перевести эти правила на Пролог, мы определим предикат целые для получения списка целых чисел, предикат отсеять для проверки каждого элемента решета и предикат удалить для создания нового содержимого решета путем удаления из старого всех чисел, кратных выбранному числу. Это новое содержимое опять передается предикату отсеять. Предикат простые - это предикат самого верхнего уровня, такой что простые(N, L) конкретизирует L списком простых чисел, заключенных в диапазоне от 1 до N включительно.

простые(Предел,Рs):- целые(2,Предел,Is),отсеять(Is,Рs).

целые (Min,Max,[Min|Oct]):-Min=‹Max,!, М is Min+1,целые(М,Мах,Ост).

целые(_,_,[]).

отсеять([],[]).

отсеять([I|Is],[I|Ps]):-удалить(I,Is,Нов),отсеять(Нов,Рs).

удалить(Р,[],[]).

удалить (P,[I|Is],[I|Nis]):-not(0 is I mod Р),!,удалить(Р,Is,Nis).

удалить (P,[I|Is],Nis):-0 is I mod Р,!,удалить(Р,Is,Nis).

Продолжая эту арифметическую тему, рассмотрим Пролог-программу, реализующую рекурсивную формулировку алгоритма Евклида для нахождения наибольшего общего делителя (НОД) и наименьшего общего кратного (НОК) двух чисел. Целевое утверждение нод(I,J,K) доказуемо, если K является наибольшим общим делителем чисел I и J. Целевое утверждение нок(I,J,K) доказуемо, если K является наименьшим общим кратным чисел I и J:

нод(I,0,I).

нод(I,J,K):- R is I mod J, нод(J,R,K).

нок(I,J,K):- нод(I,J,R), K is (I*J)/R.

Заметим, что из-за особенностей способа вычисления остатка эти предикаты не являются «обратимыми». Это означает, что для того чтобы они работали, необходимо заблаговременно конкретизировать переменные I и J.

Упражнение 7.10. Если числа X, Y и Z таковы, что квадрат Z равен сумме квадратов X и Y (т. е. если Z²=X²+Y²), то про такие числа говорят, что они образуют Пифагорову тройку. Напишите программу, порождающую Пифагоровы тройки. Определите предикат pythag такой что, задав вопрос

?- pythag(X,Y,Z).

и запрашивая альтернативные решения, мы получим столько разных Пифагоровых троек, сколько пожелаем. Подсказка: используйте предикаты, подобные целое_число из гл. 4.

7.11. Символьное дифференцирование

Символьным дифференцированием в математике называется операция преобразования одного арифметического выражения в другое арифметическое выражение, которое называется производной. Пусть U обозначает арифметическое выражение, которое может содержать переменную х. Производная от U по х записывается в виде dU/dx и определяется рекурсивно с помощью некоторых правил преобразования, применяемых к U. Вначале следуют два граничных условия. Стрелка означает «преобразуется в»; U и V обозначают выражения, а с – константу:

dc/dx → 0

dx/dx → 1

d(-U)/dx → -(dU/dx)

d(U+V)/dx → dU/dx+dV/dx

d(U-V)/dx → dU/dx-dV/dx

d(cU)/dx → c(dU/dx)

d(UV)/dx → U(dV/dx) + V(dU/dx)

d(U/V)dx → d(UV^-1)/dx

d(U^c)/dx → cU^c-l(dU/dx)

d(lnU)/dx → U^-1(dU/dx)

Этот набор правил легко написать на Прологе, поскольку мы можем представить арифметические выражения как структуры и использовать знаки операций как функторы этих структур. Кроме того, сопоставление целевого утверждения с заголовком правила мы можем использовать как сопоставление образцов. Рассмотрим цель d(E,X, F), которая считается согласованной, когда производная выражения E по константе^[12] X есть выражение F. Помимо знаков операций +, -, *, /, которые имеют встроенные определения, нам нужно определить операцию ^, такую, что X^Y означаете x^y, а также одноместную операцию ~, такую что ~Х означает «минус X». Эти определения операций введены исключительно для того, чтобы облегчить распознавание синтаксиса выражений. Например, после того как d определен, можно было бы задать следующие вопросы:

?- d(x+1,x,X).

X = 1+0

?- d(x*x-2,x,X).

 X = х*1+1*х-0

Заметим, что само по себе простое преобразование одного выражения в другое (на основе правил) не всегда дает результат в приведенной (упрощенной) форме. Приведение результата должно быть записано в виде отдельной процедуры (см. разд. 7.12). Программа дифференцирования состоит из определений дополнительных операций и построчной трансляции приведенных выше правил преобразования в утверждения Пролога:

?- op(10,yfx,^).

?- op(9,fx,~).

d(X,X,1):-!.

d(C,X,0):- atomic(C).

d(~U,X,~A):- d(U,X,A).

d(U+V,X,A+B):- d(U,X,A), d(V,X,B).

d(U-V,X,A-В):- d(U,X,A), d(V,X,B).

d(C*U,X,C*A):- atomic(C), C\=X, d(U,X,A),!.

d(U*V,X,B*U+A*V):- d(U,X,A), d(V,X,B).

d(U/V,X,A):- d(U*V^~1),X,A).

d(U^C,X,C*U^(C-1)*W):- atomic(C),C\=X,d(U,X,W).

d(log(U),X,A*U^(~1)):- d(U,X,A).

Обратите внимание на два места, в которых задан предикат отсечения. В первом случае отсечение обеспечивает тот факт, что производная от переменной по ней самой распознается только первым утверждением, исключая возможность применения второго утверждения. Во втором случае предусмотрено два утверждения для умножения. Первое – для специального случая. Если имеет место специальный случай, то утверждение для общего случая должно быть устранено из рассмотрения.

Как уже говорилось, данная программа выдает решения в неприведенной форме (т. е. без упрощений). Например, всякое вхождение х*1 может быть приведено к х, а всякое вхождение вида х*1+1*х-0 может быть приведено к 2*х. В следующем разделе рассматривается программа алгебраических преобразований, которую можно использовать для упрощения арифметических выражений. Примененный способ очень похож на тот, каким выше выводились производные.