LISP: Fallbeispiele mit Anwendungen in der Künstlichen Intelligenz

262 Pages·1989·9.25 MB·German

by  Rüdiger Esser

Rüdiger Esser
Elisabeth Feldmar
LISP
Artificial Intelligence
Künstliche Intelligenz
Künstliche Intelligenz steht hier rur das Bemühen um ein
Verständnis und um die technische Realisierung intelligenten
Verhaltens.
Die Bücher dieser Reihe sollen Wissen aus den Gebieten der
Wissensverarbeitung, Wissensrepräsentation, Expertensysteme,
Wissenskommunikation (Sprache, Bild, Klang, etc.), Spezial
maschinen und -sprachen sowie Modelle biologischer Systeme
und kognitive Modellierung vermitteln.
Bisher sind erschienen:
Automated Theorem Proving
von Wolfgang Bibel
Die Wissenrepräsentationssprache OPS 5
von Reinhard Krickhahn und Bernd Radig
Prolog
von Ralf Cordes, Rudolf Kruse, Horst Langendörfer , Heinrich Rust
LISP
von Rüdiger Esser und Elisabeth Feldmar
Rüdiger Esser
Elisabeth Feldmar
LISP
Fallbeispiele mit Anwendungen
in der Künstlichen Intelligenz
Herausgegeben von Paul Schmitz
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Esser, Rüdiger:
LISP: Fallbeispiele mit Anwendungen in der Künstlichen
Intelligenz/ Rüdiger Esser; Elisabeth Feldmar. Hrsg. von
Paul Schmitz.
(Künstliche Intelligenz)
ISBN 978-3-528-04585-2 ISBN 978-3-663-14048-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-14048-1
NE: Feldmar, Elisabeth:
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© Springer Fachmedien Wiesbaden 1989
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1989
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und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Peter Lenz, Wiesbaden
ISBN 978-3-528-04585-2
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Vorwort
Eine Programmiersprache wird eingesetzt, um Verfahren zur Lösung von Anwen
dungsproblemen auf dem Computer zu formulieren. Daher sollte das Erlernen einer
Programmiersprache immer in Bezug auf ein Anwendungsgebiet erfolgen. Kennt
man die Grundbegriffe einer Programmiersprache, erlangt man einen höheren Grad
ihrer Beherrschung am besten durch das Studium von Programmen, die typischen
Einsatzgebieten der Sprache entstammen. Dabei sollte man wiederum an realen
Aufgaben orientierte praktische Programmierübungen durchführen. Auf diese Weise
erhält man ein lebendiges Bild von der Sprache, lernt sie aktiv beherrschen und
erwirbt gleichzeitig ein Verständnis wichtiger Begriffe, Denkweisen und Algorithmen
der Einsatzgebiete.
LISP ist seit jeher die dominierende Sprache in der Künstlichen Intelligenz und in der
Symbolischen Mathematik. Außerdem wird es bei der systemnahen Program
mierung, z. B. bei der Erstellung von Programmierumgebungen, eingesetzt. Im
vorliegenden Buch wollen wir den Gebrauch von LISP in diesen Anwendungs
gebieten anband einiger Fallstudien vorführen. Unter einer Fallstudie verstehen wir
die Darstellung der kompletten Lösung eines Anwendungsproblems. Diese schließt
insbesondere die Erörterung der algorithmischen Hilfsmittel ein. Für unsere Zwecke
kann die einzelne Studie nur so umfangreich sein, daß man sie als Ganzes gut
überschauen und erfassen kann.
Wie beim Studium eines Textes im Fremdsprachenunterricht setzen wir voraus, daß
der Leser mit der Sprache in ihren Grundzügen vertraut ist. Die Programme sind im
allgemeinen sprachlich "einfach". Sie schöpfen die Möglichkeiten von LISP nicht
voll aus, sondern verwenden nur die wichtigsten Sprachelemente und Funktionen, die
üblicherweise in einem einführenden Kurs oder Lehrbuch vermittelt werden. Im
Literaturverzeichnis verweisen wir auf einige Lehrbücher. Andererseits wird nicht
vorausgesetzt, daß der Leser mit den Anwendungsgebieten vertraut ist, denen die
Fallstudien entstammen. Jede Anwendung wird mit begrifflichem Hintergrund,
Problemstellung und Lösungsweg genau beschrieben, und dann wird das zugehörige
LISP-Programm besprochen.
So ist es das Hauptanliegen dieses Buches, einem Leser, der Grundkenntnisse in
LISP besitzt, interessante Problemstellungen und Programme vorzulegen, mit denen
er seine LISP-Kenntnisse vertiefen kann, die ihm die Sprache verlebendigen und ihm
zugleich einen Einstieg in die Anwendungsgebiete vermitteln. Auf der anderen Seite
ermöglicht das Buch auch demjenigen Leser einen Zugang zu LISP, der ein
Anwendungsgebiet mit seinen Problemstellungen und Algorithmen bereits kennt,
aber bislang eine andere Programmiersprache verwendet hat.
vi
Die Programme sind im LISP-Dialekt COMMON LISP geschrieben. Die Flexi
bilität und die leichte Erweiterbarkeit von USP, die gerade Stärken der Sprache
ausmachen, haben zu einer Vielzahl untereinander unverträglicher USP-Dialekte
geführt, die sich teils nebeneinander, teils in Abhängigkeit voneinander entwickelt
haben. Die Definition von COMMON USP hat - so scheint es - den gewünschten
standardisierenden Zweck erfüllt und den divergierenden Tendenzen Einhalt geboten.
Zumindest stehen heute COMMON USP-Systeme auf den meisten Rechnertypen -
vom Mikrorechner bis zum Supercomputer -zur Verfügung. Da kein anderer USP
Dialekt eine derart weite Verbreitung gefunden hat, sollte man heute für ein USP
Lehrbuch COMMON USP verwenden.
Wir haben darauf geachtet, daß von den syntaktischen Möglichkeiten sowie von der
Vielfalt der Systemfunktionen und -variablen von COMMON USP nur solche
benutzt wurden, die auch in anderen Dialekten Entsprechungen haben. Nur in
Kapitel 2 werden mit dem Paket-Konzept und den Readtables Sprachkonzepte
eingesetzt, die nicht in allen Dialekten anzutreffen sind. Ansonsten wurde auf
COMMON LISP-Eigenheiten wie mehrfache Werte von Funktionen, verschiedene
Arten von Parametern oder spezielle Ausgabefunktionen verzichtet
Allerdings benutzen wir sehr viel die COMMON USP-Funktionen zur Programm
ablaufsteuerung, wie IF, DO, DOUST, DOTIMES, da sie die Lesbarkeit von
Programmen wesentlich verbessern. Sie können in anderen LISP-Dialekten mit
Macros nachgebildet werden. Außerdem sind diese Funktionen für die Leser, die einen
anderen LISP-Dialekt erlernt haben, in einem Anhang beschrieben. Die Verwendung
dieser Funktionen sowie der Funktion LET zur Vereinbarung lokaler Variabler macht
die früher häufig benutzten PROG-Konstrukte entbehrlich und erlaubt damit
durchgängig einen klaren, funktionalen Programmierstil.
Die Kapitel des Buches enthalten jeweils eine Fallstudie und sind in sich ähnlich
aufgebaut. Zu Beginn werden Problemurnfeld und konkrete Aufgabenstellung be
schrieben. Hierbei wird auch auf weiterführende Literatur verwiesen. Zur Aufgaben
stellung gehört die Wiedergabe eines Beispieldialogs mit dem Programm. Dann folgt
die Beschreibung der zur Lösung eingesetzten Algorithmen. Hier werden auch
Alternativen angegeben. Die Darstellung des Programms beginnt mit der Beschrei
bung der Daten- und Programmstruktur, dann folgen - in logischen Einheiten
zusammengefaßt -die Funktionsdefinitionen. Sie sind meist in einer "bottom up"
Reihenfolge angeordnet, d. h. zuerst kommen die einfachen Basisfunktionen und dann
die übergeordneten Funktionen. Dadurch läßt sich häufiges Voraus- und Zu
rückblättern vermeiden. Die Aufrufhierarchie der Funktionen wird durch Pfeildia
gramme dargestellt
Die einzelnen Funktionen sind ausführlich kommentiert. Hier weichen wir ab von
der bei der Publikation von LISP-Programmen oft geübten Praxis, auf eine
Kommentierung des Programmtextes ganz zu verzichten. Wir sind der Ansicht, daß
eine Kommentierung die Lesbarkeit von LISP-Programmen auch bei Verwendung
"sprechender" Bezeichner und moderner Konstrukte zur Programmablaufsteuerung
wesentlich verbessert.
vii
Den Abschluß jedes Kapitels bilden Übungsaufgaben, die meist Erweiterungen der
Programme vorschlagen.
Das Buch enthält sechs Fallstudien, die unabhängig voneinander gelesen werden
können. Die beiden ersten Kapitel liefern Beispiele für LISP als Implemen
tationssprache für systemnahe Funktionen. In Kapitell wird ein syntaxorientierter
LISP-Editor vorgestellt, der zur Manipulation von Funktionsdefinitionen deren
Listenstruktur ausnutzt. Kapitel 2 stellt als Methode zur Portierung von LISP
Programmen die Einbettung eines LISP-Dialekts in einen anderen vor. Es wird die
Einbettung von Standard LISP in COMMON LISP beschrieben. Standard LISP ist
die Implementationssprache u. a. des Systems REDUCE (Symbolische Mathe
matik). Da die in diesem Kapitel benutzten COMMON LISP-Pakete und -Readtables
nicht zum Basisumfang von LISP gehören, enthält das Kapitel eine am Beispiel
orientierte Einführung in diese Konzepte.
Die Kapitel 3 bis 5 enthalten Anwendungen aus der Künstlichen Intelligenz. In
Kapitel 3 wird das 15-Puzzle mit Hilfe des A *-Algorithmus gelöst. Dabei werden
verschiedene Algorithmen zum Suchen in Zustandsbäumen vorgestellt. Das
Programm gliedert sich in einen Teil mit problemunabhängigen Funktionen und
einen Teil, in dem die konkrete Anwendung formuliert ist. Kapitel 4 stellt einen
anderen Aspekt des Suchens dar, das Suchen in Spielbäumen. Am Beispiel des Spiels
Quattro werden der Minimax-Algorithmus und seine wichtigste Variante, der Alpha
Beta-Algorithmus, beschrieben. Die konkrete Anwendung zeigt u. a. den hohen
Programmieraufwand, der zur Bewertung einer Spielsituation erforderlich ist.
Kapitel 5 behandelt ein Teilproblem der Verarbeitung natürlicher Sprache, die
Syntaxanalyse. Es enthält einen Chart-Parser für natürliche Sprache. Dies ist ein
Parser-Typ, der seine Analyse mit Hilfe einer besonders strukturierten Tabelle
durchführt, die Chart genannt wird
Kapitel 6 ist der Symbolischen Mathematik gewidmet. Die Symbolische Mathe
matik ist ein zwischen der Künstlichen Intelligenz und der Mathematik angesiedeltes
Gebiet, welches das Rechnen auf dem Computer mit Formeln - statt mit Zahlen -
behandelt. Das Kapitel enthält Algorithmen für zwei Kernaufgaben der S~bolischen
Mathematik, nämlich für die interne Darstellung und die arithmetische Verknüpfung
von Polynomen in mehreren Veränderlichen. Es wird eine eindeutige interne
Darstellung, die rekursive Polynomdarstellung, vorgestellt, und es werden Pro
gramme für die Arithmetik in dieser Darstellung sowie für die Wandlung von der
externen in die interne Darstellung und zurück beschrieben.
Den Abschluß des Buches bilden zwei Anhänge. In Anhang A sind COMMON
LISP-Funktionen insbesondere zur Programmablaufsteuerung und zur Verarbeitung
von Arrays zusammengestellt, und Anhang B enthält knapp kommentierte Muster
lösungen zu einem Teil der Übungsaufgaben.
Zusätzlich zum Buch liegt eine Programmdiskette vor. Sie umfaßt alle in den
Kapiteln 1 bis 6 enthaltenen Programme sowie die Musterlösungen. Damit möchten
wir zum Experimentieren mit den Programmen anregen und die Lösung der Aufgaben
erleichtern.
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Dieses Buch entstand aus Kursen und Vorlesungen, die die Autoren wiederholt zu den
Themen LISP und Symbolische Mathematik an der Universität zu Köln gehalten
haben. Eine andere Quelle waren Erfahrungen, die bei der Implementation und beim
Ausbau des Systems REDUCE gemacht wurden. Die Autoren danken dem
Regionalen Rechenzentrum der Universität zu Köln (RRZK) und dem Zentralinstitut
für Angewandte Mathematik der Kernforschungsanlage Jülich für die Unterstützung,
die sie diesem Buchprojekt angedeihen ließen. Besonderer Dank gilt den Kollegen in
der LISP/REDUCE-Gruppe des RRZK: Ralf Biermann, Dietrich Krekel, Andreas
Strotmann und Volker Winkelmann, deren Anregungen und Kommentare in das Buch
eingeflossen sind.
Der Text wurde auf einem Apple Macintosh mit Hilfe von Word 3 und Macdraw
erstellt und auf einem Apple Laserwriter ausgegeben.
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Inhalt
1 Ein L1SP-Editor
Typen von USP-Editoren 1
Ein syntax orientierter Wo rkspace-Editor 3
Das Programm EDITFUN 6
Daten-und Programmstruktur 6
Beschreibung der Funktionen 8
Aufgaben 15
2 Einbettung von Standard LlSP in COMMON LlSP 17
Portierung von USP-Programmen 18
Der USP-Dialekt Standard LISP 19
Der Sprachumfang von Standard LISP 19
Ein Standard LISP-Programm 23
Realisierung der Einbettung 28
Teilaufgaben bei der Einbettung 28
Pakete als Hilfsmittel bei der Einbettung 31
Readtables als Hilfsmittel bei der Einbettung 38
Macros als Hilfsmittel bei der Einbettung 41
Das Programm 46
Aufgaben 65
3 Suchen 67
Suchalgorithrnen 68
Bezeichnungen 68
Suchalgorithrnen für beliebige Lösungen:
Depth First-und Breadth First-Suche 70
Suchalgorithrnen für optimale Lösungen:
Branch and Bound und A* 72