7344

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Н.Ю. Прокопенко

ЛОГИЧЕСКОЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Учебно-методическое пособие

по подготовке к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы)

для обучающихся по дисциплине «Логическое и функциональное программирование»

по направлению подготовки 09.03.04 Программная инженерия профиль Разработка программно-информационных систем

Нижний Новгород

2018

УДК 004.9

Прокопенко Н.Ю. Логическое и функциональное программирование [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / Прокопенко Н.Ю.; Нижегор. гос. архитектур.

-строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. – 60 с;

Вданном учебно-методическом пособии по дисциплине «Логическое и функциональное программирование» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины и тем самым способствующие достижению целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в усвоении лекций и подготовке к практическим занятиям.

Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Логическое и функциональное программирование» по направлению подготовки 09.03.04 Программная инженерия. Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной профессиональной образовательной программе направления 09.03.04 Программная инженерия, утверждённым решением учёного совета ННГАСУ от 02.03.2018 г. (протокол № 3).

© Н.Ю., Прокопенко, 2018 © ННГАСУ, 2018

2

Оглавление

1. Общие положения…………………………………………………..……..4

1.1Цели изучения дисциплины и результаты обучения ……………..…..4

1.2Содержание дисциплины…………………………………………..……4

1.3Порядок освоения материала…………………….………………..…….5 2.Методические указания по подготовке к лекциям………...………….....6

2.1Общие рекомендации по работе на лекциях………….……………..…6

2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций…….……...…6

2.3Общие рекомендации по изучению материала лекций………..............7

2.4Контрольные вопросы…………………………….…………………….21

3. Методические указания по подготовке к практическим занятиям…...24

3.1 Общие рекомендации по подготовке к практическим занятиям…….24

3.2 Примеры задач для практических занятий…………………..………..25

4. Методические указания по организации самостоятельной работы…..48

4.1Общие рекомендации для самостоятельной работы…………............48

4.2Темы для самостоятельного изучения………………...........................51

4.3Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы………52

4.4Задания для самостоятельной работы………………………...............52

3

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины «Логическое и функциональное про-

граммирование» являются формирование и закрепление системного подхода при разработке программ с применением языков логического и функционального про-

граммирования.

В процессе освоения дисциплины студент должен

Знать: проблематику дисциплины «Функциональное и логическое программи-

рование» и ее основные разделы; базовые понятия и определения, используемые в логическом и функциональном программировании; основы технологии программи-

рования в программных средствах, используемых в современных декларативных языках.

Уметь: обосновать выбор методов обработки данных для решения поставлен-

ной задачи; разрабатывать и тестировать программы с применением программных средств, используемых в современных декларативных языках.

Владеть: методами построения программ на основе языков логического и функционального программирования.

Данная дисциплина позволит студентам не только систематизировать получен-

ные теоретические знания, укрепить исследовательские навыки, но и даст возмож-

ность ориентироваться в новом предметном поле информатики.

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

1. Общие сведения о языках логического и функционального программирования.

Функциональное и логическое программирование как научная дисциплина.

Общие сведения о языках логического и функционального программирования.

Перспективы дальнейшего развития теории и практики функционального и логиче-

ского программирования. Языки искусственного интеллекта.

2. Основные элементы и приемы программирования языка ПРОЛОГ. Методы по-

4

строения программ в языке ПРОЛОГ.

Основные элементы и приемы программирования языка ПРОЛОГ. Предложе-

ния: факты и правила. Цели внутренние и внешние. Отношения (предикаты). Пере-

менные свободные и связанные. Анонимная переменная. Отсечение и способы его использования. Семантические модели. Использование конструкций языка ПРОЛОГ для реализации семантических моделей.

3. Основные конструкции языка LISP. Управляющие структуры языка LISP.

Основные особенности языка LISP. Основные понятия и базовые механизмы функционального языка программирования Лисп, ориентированного на решение за-

дач обработки символьных данных. Рассматриваются приемы рекурсивного про-

граммирования, в том числе с использованием функционалов.

1.3 Порядок освоения материала

Материал дисциплины изучается в соответствии с порядком, определённым в следующей таблице:

2. Методические указания по подготовке к лекциям

5

2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях

Лекция является главным звеном дидактического цикла обучения. Ее цель — формирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лек-

ции преподаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обуча-

емым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.

Назначение лекции состоит в том, чтобы доходчиво изложить основные поло-

жения изучаемой дисциплины, ориентировать на наиболее важные вопросы учебной дисциплины и оказать помощь в овладении необходимых знаний и применения их на практике.

Личное общение на лекции преподавателя со студентами предоставляет боль-

шие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей.

При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с пре-

зентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положе-

ния, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекоменду-

ется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффектив-

ности лекционных занятий.

2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций

Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного ма-

териала. Конспект помогает внимательно слушать, лучше запоминать в процессе осмысленного записывания, обеспечивает наличие опорных материалов при подго-

товке к семинару, зачету, экзамену.

Полезно оставить в рабочих конспектах поля, на которых делать пометки из ре-

комендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, а также подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений.

В случае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподава-

телю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев непонимание материала дисциплины.

6

2.3 Общие рекомендации по изучению материала лекций

Раздел 1: Общие сведения о языках логического и функционального программиро-

вания.

Одними из наиболее универсальных понятий в математике являются поня-

тия функции и предиката, именно они легли в основу современных языков функционального и логического программирования.

При ФП задача специфицируется в виде набора определений функций, ко-

торый можно назвать библиотекой, или базой данных, и некоторого выражения с фактическими параметрами, которое можно назвать целевым выражением,

или запросом. Целью решения задачи является вычисление значения этого вы-

ражения, содержащего обычно обращения к встроенным и (или) определенным в базе данных функциям. В целях большей универсальности вид выражения за-

ранее не фиксируется, и пользователь может формулировать его произвольно.

При ЛП база данных описывается набором логических правил и фактов, ко-

торые можно рассматривать как аксиомы предметной области. Запрос пред-

ставляет собой некоторую логическую формулу, которая, в отличие от преды-

дущего случая может содержать переменные. Целью решения является попытка доказать, что эта формула есть логическое следствие аксиом с определением всех вариантов означивания переменных в запросе, либо получить сообщение,

что запрос не является логическим следствием.

Для практического применения данных подходов необходимо конкретизи-

ровать способы, с помощью которых строятся определения функций (в ФП) или логических формул (в ЛП). Понятно, что чем меньше ограничений накладыва-

ется на допустимые способы определения функций (или логических формул),

тем проще пользователю формализовать свою задачу. Однако тем менее эффек-

тивным будет алгоритм интерпретации. На сегодня в парадигме и функцио-

нального, и логического программирования выработаны общепринятые стан-

дарты таких определений, которые являются разумным компромиссом между выразительностью и эффективностью.

Функциональное программирование было задумано как альтернатива про-

цедурному программированию (в конце 50-х годов).

7

Функциональная программа представляет собой некоторое выражение (в

математическом смысле); выполнение программы означает вычисление значе-

ния этого выражения. Другими словами, функциональные программы соответ-

ствуют математическим объектам (позволяют производить строгие суждения – правильно/неправильно).

Результат работы императивной (процедурной) программы полностью и одно-

значно определен ее входом, можно сказать, что финальное состояние (или любое промежуточное) представляют собой некоторую функцию от начального состояния.

Языки функционального программирования:

-Lisp (Лисп) – базируется на -исчислении (определенная формализация поня-

тия функции): для обработки списков (используют в графических и тексто-

вых редакторах), для задач искусственного интеллекта;

-Рефал – базируется на нормальных алгорифмах Маркова;

-Миранда – комбинаторная логика Haskell.

Таблица. Сравнение функционального и императивного подхода

Программирование

Из этого следует, что вычисление любого выражения не может иметь никаких побочных эффектов, и значит, порядок выполнения его подвыражений не оказывает влияния на результат. Таким образом, функциональные программы легко поддаются распараллеливанию, поскольку отдельные компоненты выражений могут вычис-

ляться одновременно.

В логическом программировании используются логические функции. Обыч-

ная и логическая функции не отличаются аргументами.

f (х) (х 5) – функция в функциональном программировании;

f (х) (х 5) – функция в логическом программировании (возвращает значе-

ние истина или ложь).

В логике функции называются предикатами. Под предикатом понимают ло-

гическую функцию, аргументы которой могут принимать значения из некоторой предметной области, а сама функция принимать значения истина или ложь.

В практическом плане языки ФП и ЛП, как языки программирования особен-

но удобны для реализации обработки типов данных, которые сами имеют рекурсив-

ную природу: списков, деревьев, графов и сводящихся к ним структур. Такого рода задачи характерны для обработки символьной информации, т. е. для создания трансляторов и решения задач искусственного интеллекта: обработки естественного языка, трансформации и автоматического синтеза программ, аналитического преоб-

разования формальных текстов и др. В этих случаях программы, написанные на ФП

(ЛП), обычно в 5 – 10 раз короче программ, написанных в императивном стиле.

1. Процедурный способ программирования соответствует вопросу «как»

(необходимо описать, как решается задача), декларативный способ – вопросу

«что» (достаточно описать, что должно быть решено).

2. Программа на декларативном языке состоит из двух компонент: условия за-

дачи (которую иногда называют «базой данных») и целевого запроса.

3. Для декларативного программирования необходимо наличие «решателя»

(называемого обычно интерпретатором), который «знает» как выполнить це-

левой запрос, исходя из условий, представленных в «базе данных».

4. В каждом декларативном языке программирования можно выделить две се-

9

мантики: декларативную и процедурную. Декларативная семантика определя-

ется в соответствии с семантикой тех математических конструкций, которые положены в основу данного языка, а процедурная – с помощью принятого ме-

ханизма интерпретации этих конструкций.

5. Необходимым условием объявления некоторого декларативного языка яв-

ляется корректность предложенной для него процедурной семантики (правил интерпретации), т. е. совпадение результатов вычислений любой программы с результатами, имеющими место при восприятии этой программы как матема-

тического текста.

6. Корректность механизмов вычислений, используемых в современных ин-

терпретаторах ФП и ЛП, обоснована теоретическим аппаратом лямб-

да-исчисления для ФП и исчисления предикатов первого порядка для ФП.

7. Применение парадигм ФП и ЛП дает наибольший выигрыш при работе с данными, которые сами имеют рекурсивную природу: списками, деревьями,

графами и сводящимися к ним структурами.

8. Задачи такого рода характерны для обработки символьной информации: со-

здания трансляторов, обработки естественного языка, трансформации и авто-

матического синтеза программ, аналитических преобразований формальных текстов и др.

9.Существуют специальные технологии, с помощью которых при известном описании обрабатываемых данных написание программ из полуинтуитивного процесса превращается в достаточно строгую процедуру.

10.Программы ФП и ЛП являются гораздо более приспособленными для реа-

лизации параллельных вычислений, чем традиционные программы.

Раздел 2: Основные элементы и приемы программирования языка ПРОЛОГ.

Методы построения программ в языке ПРОЛОГ.

Пролог – один из языков логического программирования, позволяющий ис-

пользовать как традиционный процедурный подход, так и декларативный подход, то есть программировать не ход решения задачи, а ее постановку. Встроенная в Пролог машина вывода, реляционный характер языка, средства автоматического поиска

10