Programmieren in LISP: Eine elementare und anwendungsorientierte Einführung

283 Pages·1993·2.904 MB·German

by  Peter P. Bothner, Wolf-Michael Kähler (auth.)

Peter P. Bothner
Wolf-Michael Kahler
LISP
Programmieren in
Eine elementare und
anwendungsorientierte EinfOhrung
...--- Programmierung
EinfUhrung in die Programmiersprache Modula-2
von H. Pudlatz
Ada
von M. Nagl
Programmieren mit Ada
von H. Feldmann
Strukturiertes Programmieren in C
von H. Feldmann
LISP
programmieren in
Eine elementare und
anwendungsorientierte EinfOhrung
von Peter P. Bothner und Wolf-Michael Kahler
Programmieren mit C++ Version 3
Eine Anleitung fOr Studium und Praxis
von F. Bause und W. Tolle
Programmieren mit Ada und C
Eine beispielorientierte GegenOberstellung
von A. Weinert
Programmieren in COBOL 85
von W.-M. Kahler
Programmieren in Prolog
von P. Bothner und W.-M. Kahler
Programmieren in Pascal
Eine elementare EinfOhrung
von G. Lamprecht
LISP - Fallstudien mit Anwendungen
in der Ktinstlichen Intelligenz
von R. Esser und E. Feldmar
Vieweg
Peter P. Bothner
Wolf-Michael Kahler
Programmieren in
LISP
Eine elementare und
anwendungsorientierte Einflihrung
I )
vleweg
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufuahme
Bothner, Peter P.:
Programmieren in LISP : eine elementare und
anwendungsorientierte Einfiihrung / Peter P. Bothner ; Wolf
Michael Kahler. -Braunschweig; Wiesbaden : Vieweg, 1993
ISBN 3-528-05323-2
NE: Kahler, Wolf-Michael:
ISBN-13 :978-3-528-05323-9 e-ISBN-13:978-3-322-87237-1
DOl: 10.1007/978-3-322-87237-1
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Vorwort
Urn die Lasung einer Aufgabenstellung auf einem Rechner zur Ausfiihrung
zu bringen, muB sie in einer Programmiersprache beschrieben sein. Neben
den klassischen Einsatzfeldern von Programmiersprachen - wie etwa dem
kommerzieH-administrativen bzw. dem technisch-wissenschaftlichen Bereich
- steht das Anwendungsfeld der "Kiinstlichen Intelligenz" in zunehmendem
MaBe im Mittelpunkt des Interesses. In diesem Bereich wird versucht, bei
der Lasung von komplexen AufgabensteHungen die Denkweisen der menschli
chen Intelligenz nachzuempfinden, so daB sich Lasungen durch den Einsatz
von Rechnern ermitteln lassen.
Bei der Programmierung im Anwendungsfeld der "Kiinstlichen Intelligenz"
nimmt die dialog-orientierte Programmiersprache LISP eine bedeutende
SteHung ein. Diese Sprache wurde in den Jahren 1958 - 1962 am MIT
(Massachusetts Institute of Technology) unter Leitung von J. McCarthy ent
wickelt. 1m Laufe der Jahre entstand eine Vielzahl von LISP-Dialekten, aus
denen in den letzten Jahren eine standardisierte Sprache ("Common Lisp")
hervorging.
Die Programmiersprache LISP ist eine funktionale und symbolische Spra
che. Dies bedeutet, daB sich Losungsplane in Form von "Funktionsaufrufen"
angeben lassen und daB sich die Sprachelemente besonders gut zur Verar
beitung von Zeichenmustern eignen.
In dieser Schrift wird eine problembezogene Einfiihrung gegeben, die sich
an einfachen Beispielen orientiert. Zur Ausfiihrung setzen wir den LISP
Interpreter "XLISP" ein, dessen Sprachvorrat die wesentlichen Elemente
der LISP-Dialekte "Scheme" und "Common Lisp" umfaBt. Dadurch konnen
die entwickelten Programmlasungen von den meisten LISP-Interpretern zur
Ausfiihrung gebracht werden.
Die Autoren haben sich vornehmlich deswegen fiir den Einsatz von XLISP
entschieden, weil dieser LISP-Interpreter zur "Public Domain Software"
zahlt. Daher entstehen fiir den interessierten Leser keine Kosten, wenn er
diesen Interpreter fiir den nicht-kommerziellen Einsatz beziehen will. Die
VI
zur Beschaffung erforderlichen Hinweise sind im Anhang dieses Buches an
gegeben.
1m Hinblick auf den Programmierstil werden in dieser Einfiihrungsschrift
die Grundgedanken der "Funktionalen Programmierung" beachtet, d.h. zur
Ablaufsteuerung werden allein die Verschachtelung und Reihung von Funk
tionsaufrufen, die Fallunterscheidung und die Rekursion verwendet.
Dieser Programmierstil wird an einfachen Beispielen vorgestellt. Hervorzu
heben sind hierbei Anwendungen aus dem Einsatzfeld der Mustererkennung
und der Suchverfahren, die die Aufgabenstellung "Priifung von moglichen
Verbindungen in einem Wegenetz" lOsen. Dazu werden die Verfahren der
Breitensuche, der Tiefensuche und der Bestwegsuche erlautert und deren
Formulierung in LISP dargestellt.
Die dialog-orientierte Arbeitsweise und die einfache Syntax von LISP erlau
ben einen schnellen Zugang und ein Erlernen durch Experimentieren, so dafi
auch Anfanger schon nach kurzer Zeit in der Lage sind, Problemlosungen zu
entwickeln und zur Ausflihrung zu bringen.
Zur Lernkontrolle sind Aufgaben gestellt, deren Losungen in einem geson
derten Losungsteil angegeben sind.
Das diesem Buch zugrundeliegende Manuskript wurde in Lehrveranstaltun
gen eingesetzt, die am Rechenzentrum und am Zentrum fUr Netze der Uni
versitat Bremen durchgefiihrt wurden.
Die Darstellung ist so gehalten, dafi keine Kenntnisse aus dem Bereich der
Elektronischen Datenverarbeitung vorausgesetzt werden. Das Buch ist so
wohl als Begleitlektiire flir Lehrveranstaltungen als auch zum Selbststudium
zu empfehlen.
Herrn Dr. Klockenbusch yom Vieweg Verlag mochten wir fUr die gewohnt
gute Zusammenarbeit danken.
Bremen/Ritterhude Peter P. Bothner und Wolf-Michael Kahler
im Dezember 1992
Inhaltsverzeichnis
1 Funktionsaufrufe als Listen 1
1.1 Programmiersprachen .. 1
1.2 Die Programmiersprache LISP 2
........
1.3 Funktionsaufrufe 4
1.4 Evaluierung durch den LISP-Interpreter 7
1.5 Bindung von Ausdriicken an Variable (SETQ) . 14
1.6 Schachtelung von Funktionsaufrufen 19
1.7 Arithmetische Funktionen 23
.........
1.8 Aufgaben 26
2 Datenstrukturen als Listen 28
2.1 Listen und S-Ausdriicke 28
2.2 Quotierung (QUOTE) 32
2.3 Zugriff auf Listenelemente (CAR, CDR) 35
2.4 Verschachtelte Listen ... 40
2.5 Das Schliisselwort "NIL" . 42
2.6 Aufbau von Listen (CONS, LIST) 45
2.7 Aufgaben ..... . . . . . . . . . 50
3 Pradikatsfunktionen 52
3.1 Die Pdidikatsfunktionen ATOM und EQUAL 52
3.2 Weitere Pradikatsfunktionen. . . . . . . . . . 56
Vlll INHALTSVERZEICHNIS
4 Anwenderfunktionen 62
4.1 Basisfunktionen und Systemfunktionen . 62
4.2 Definition von Funktionen (DEFUN) 63
4.3 Lokale Variablen (LET) 76
.......
4.4 Aufgaben 82
5 Ein-/ Ausgabe 86
5.1 Bildschirmausgabe und Tastatureingabe 86
5.2 Protokollierung der Evaluierungsergebnisse 91
5.3 Protokollierung eines Dialogs 97
5.4 Formatierte Datenausgabe . 97
5.5 Bearbeitung von Dateien .. 99
6 Ablaufsteuerung in Funktionsriimpfen 104
6.1 Die Sequenz . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Die Konditionalform (COND) .. 106
6.3 Die Spezialformen AND und OR 115
6.4 Die Rekursion . 121
...
6.5 Aufgaben 137
7 Verarbeitung von Listen 140
.......
7.1 Lange einer Liste (LEN GTH) 140
7.2 Priifung von Listenelementen (MEMBER) 141
7.3 Anfiigen von Listen (APPEND) ...... 143
7.4 Invertierung von Listen (REVERSE) ... 143
7.5 Entfernen von Listenelementen (REMOVE-IF) 144
7.6 Vergleich von Listen (Pattern Matching) . . .. 146
7.7 Aufbau und Evaluierung von Funktionsaufrufen
(EVAL, APPLY, FUNCALL) ........... . . . . . 158
7.8 Simultane Verarbeitung von Listenelementen (MAP CAR) 162
7.9 Einsatz anonymer Funktionen (LAMBDA) . 164
...................
7.10 Aufgaben 167
INHALTSVERZEICHNIS ix
8 Einsatz von Eigenschaftslisten 171
8.1 Aufbau und Anderung von Eigenschaftslisten 171
8.2 Abfrage und Uberschreiben von Eigenschaftswerten . 177
8.3 Eintragen und Erganzen von Eigenschaftswerten 180
8.4 Auskunft iiber Verbindungen . . . . . . 181
8.4.1 Priifung von Direktverbindungen 181
8.4.2 Priifung von Verbindungen . 182
8.4.3 Priifung durch Breitensuche . 188
8.4.4 Priifung durch Tiefensuche 192
8.5 Ermittlung von Zwischenstationen 198
8.6 Priifung in einem Netz 202
8.7 Aufgaben .......... . 208
9 Einsatz von Assoziationslisten 209
9.1 Aufbau und Anderung von Assoziationslisten 209
9.2 Abfrage und Uberschreiben von Assoziationslisten 211
9.3 Eintragen und Erganzen von Assoziationslisten 214
9.4 Auskunft iiber Verbindungen (Bestwegsuche) 215
9.5 Aufgaben ................... . 235
Anhang 237
A.l Der LISP-Interpreter "XLISP" . 237
A.2 Darstellung von Listen . 242
Losungsteil 252
Literat urverzeichnis 271
Index 272
Kapitell
Funktionsaufrufe als Listen
1.1 Programmiersprachen
Heutzutage stehen fiir viele Aufgabenstellungen, die sich durch den Ein
satz von EDV bearbeiten lassen, mafigeschneiderte Softwaresysteme zur
Verfiigung. In bestimmten Anwendungsbereichen ist es jedoch - genau wie
zu den Anfangen der Datenverarbeitung - aufgrund der Individualitiit ei
ner Problemstellung unumganglich, den zur Losung einer Aufgabenstellung
entwickelten Plan in einer Programmiersprache zu beschreiben.
Eine Programmiersprache ist eine kiinstliche Sprache, in der man seine An
forderungen in formalisierter Form angeben kann. Wenn irgend moglich,
wird man bestrebt sein, eine hOhere Programmiersprache einzusetzen. Dies
hat den Vorteil, da:B sich die Anforderungen fiir den Anwender gut lesbar
und leicht nachvollziehbar verwenden lassen und da:B man nicht an eine be
stimmte EDV-Anlage gebunden ist.
1m Hinblick auf das jeweilige Einsatzfeld unterscheidet man Programmier
sprachen danach, ob sie besonders gut zur Beschreibung von Losungs
planen im kaufmannisch-verwaltenden Bereich oder aber im technisch
wissenschaftlichen Bereich zu verwenden sind. Dariiberhinaus steht heut
zutage als besonderes Anwendungsgebiet zunehmend das Einsatzfeld der
"Kilnstlichen Intelligenz" (KI, engl.: "artificial intelligence") im Vorder
grund des Interesses. In diesem "KI-Bereich" wird versucht, bei der Losung
von komplexen Problemen die Denkweisen der menschlichen Intelligenz
nachzuempfinden, so dafi sich Problemlosungen durch den Einsatz von EDV
ermitteln lassen.
Zur Anwendung im KI-Bereich gelangen besondere Programmiersprachen.
Zu ihnen zahlen die logik-basierten, die symbolischen sowie die funktionalen
Sprachen.