Изучай Haskell во имя добра! - Миран Липовача
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
В нашем случае будем использовать левую свёртку, поскольку мы проходим список слева направо. Аккумулятором будет стек, и, следовательно, результатом свёртки также будет стек, но, как мы видели, он будет содержать единственный элемент.
Ещё одна вещь, о которой стоит подумать: а как мы будем реализовывать стек? Я предлагаю использовать список. Также рекомендую в качестве вершины стека использовать «голову» списка – потому что добавление элемента к «голове» (началу) списка работает гораздо быстрее, чем добавление элемента к концу списка. В таком случае, если у нас, например, есть стек 10, 4, 3, мы представим его списком [3,4,10].
Теперь мы знаем достаточно для того, чтобы написать черновик функции. Она будет принимать строку, например "10 4 3 + 2 * –", разбивать её на элементы и формировать из них список, используя функцию words. Получится ["10","4","3","+","2","*","–"]. Далее мы выполним левую свёртку и в конце получим стек, содержащий единственный элемент, [–4]. Мы получим этот элемент из списка; он и будет окончательным результатом.
Вот черновик нашей функции:
solveRPN :: String –> Double
solveRPN expr = head (foldl foldingFunction [] (words expr))
where foldingFunction stack item = ...
Мы принимаем выражение и превращаем его в список элементов. Затем выполняем свёртку, используя некоторую функцию. Обратите внимание на []: это начальное значение аккумулятора. Аккумулятором будет стек – следовательно, [] представляет пустой стек, каковым он и должен быть в самом начале. После получения результирующего списка с единственным элементом мы вызываем функцию head для получения первого элемента.
Всё, что осталось, – реализовать функцию для свёртки, которая будет принимать стек, например [4,10], элемент, например "3", и возвращать новый стек, [3,4,10]. Если стек содержит [4,10], а элемент равен *, то функция должна вернуть [40]. Но прежде всего давайте перепишем функцию в бесточечном стиле, так как она содержит множество скобок: лично меня они бесят!
solveRPN :: String –> Double
solveRPN = head . foldl foldingFunction [] . words
where foldingFunction stack item = ...
То-то! Намного лучше. Итак, функция для свёртки принимает стек и элемент и возвращает новый стек. Мы будем использовать сопоставление с образцом для того, чтобы получать первые элементы стека, и для сопоставления с операторами, например * и –.
solveRPN :: String –> Double
solveRPN = head . foldl foldingFunction [] . words
where
foldingFunction (x:y:ys) "*" = (x * y):ys
foldingFunction (x:y:ys) "+" = (x + y):ys
foldingFunction (x:y:ys) "–" = (y – x):ys
foldingFunction xs numberString = read numberString:xs
Мы уложились в четыре образца. Образцы будут сопоставляться транслятором в порядке записи. Вначале функция свёртки проверит, равен ли текущий элемент "*". Если да, то функция возьмёт список, например [3,4,9,3], и присвоит двум первым элементам имена x и y соответственно. В нашем случае x будет соответствовать тройке, а y – четвёрке; ys будет равно [9,3]. В результате будет возвращён список, состоящий из [9,3], и в качестве первого элемента будет добавлено произведение тройки и четвёрки. Таким образом, мы выталкиваем два первых числа из стека, перемножаем их и помещаем результат обратно в стек. Если элемент не равен "*", сопоставление с образцом продолжается со следующего элемента, проверяя "+", и т. д.
Если элемент не совпадёт ни с одним оператором, то мы предполагаем, что это строка, содержащая число. Если это так, то мы вызываем функцию read с этой строкой, чтобы получить число, добавляем его в вершину предыдущего стека и возвращаем получившийся стек.
Для списка ["2","3","+"] наша функция начнёт свёртку с самого левого элемента. Стек в начале пуст, то есть представляет собой []. Функция свёртки будет вызвана с пустым списком в качестве стека (аккумулятора) и "2" в качестве элемента. Так как этот элемент не является оператором, он будет просто добавлен в начало стека []. Новый стек будет равен [2], функция свёртки будет вызвана со значением [2] в качестве стека и "3" в качестве элемента; функция вернёт новый стек, [3,2]. Затем функция свёртки вызывается в третий раз, со стеком равным [3,2] и элементом "+". Это приводит к тому, что оба числа будут вытолкнуты из стека, сложены, а результат будет помещён обратно в стек. Результирующий стек равен [5] – это число мы вернём.
Погоняем нашу функцию:
ghci> solveRPN "10 4 3 + 2 * -"
-4.0
ghci> solveRPN "2 3.5 +"
5.5
ghci> solveRPN "90 34 12 33 55 66 + * - +"
-3947.0
ghci> solveRPN "90 34 12 33 55 66 + * - + -"
4037.0
ghci> solveRPN "90 3.8 -"
86.2
Отлично, работает!
Добавление новых операторов
Чем ещё хороша наша функция – её можно легко модифицировать для поддержки других операторов. Операторы не обязательно должны быть бинарными. Например, мы можем создать оператор log, который выталкивает из стека одно число и заталкивает обратно его логарифм. Также можно создать тернарный оператор, который будет извлекать из стека три числа и помещать обратно результат. Или, к примеру, реализовать оператор sum, который будет поднимать все числа из стека и суммировать их.
Давайте изменим нашу функцию так, чтобы она понимала ещё несколько операторов.
solveRPN :: String –> Double
solveRPN = head . foldl foldingFunction [] . words
where
foldingFunction (x:y:ys) "*" = (x * y):ys
foldingFunction (x:y:ys) "+" = (x + y):ys
foldingFunction (x:y:ys) "–" = (y – x):ys
foldingFunction (x:y:ys) "/" = (y / x):ys
foldingFunction (x:y:ys) "^" = (y ** x):ys
foldingFunction (x:xs) "ln" = log x:xs
foldingFunction xs "sum" = [sum xs]
foldingFunction xs numberString = read numberString:xs
Прекрасно. Здесь / – это, конечно же, деление, и ** – возведение в степень для действительных чисел. Для логарифма мы осуществляем сравнение с образцом для одного элемента и «хвоста» стека, потому что нам нужен только один элемент для вычисления натурального логарифма. Для оператора суммы возвращаем стек из одного элемента, который равен сумме элементов, находившихся в стеке до этого.
ghci> solveRPN "2.7 ln"
0.9932517730102834
ghci> solveRPN "10 10 10 10 sum 4 /"
10.0
ghci> solveRPN "10 10 10 10 10 sum 4 /"
12.5
ghci> solveRPN "10 2 ^"
100.0
На мой взгляд, это делает функцию, способную вычислять произвольное выражение в обратной польской записи с дробными числами, которое может быть расширено 10 строчками кода, просто-таки расчудесной.
ПРИМЕЧАНИЕ. Как можно заметить, функция не устойчива к ошибкам. Если передать ей бессмысленный вход, она вывалится с ошибкой. Мы сделаем её устойчивой к ошибкам, определив её тип как solveRPN :: String –> Maybe Double, как только разберёмся с монадами (они не страшные, честно!). Можно было бы написать безопасную версию функции прямо сейчас, но довольно-таки скучным будет сравнение с Nothing на каждом шаге. Впрочем, если у вас есть желание, попробуйте! Подсказка: можете использовать функцию reads, чтобы проверить, было ли чтение успешным.
Из аэропорта в центр
Рассмотрим такую ситуацию. Ваш самолёт только что приземлился в Англии, и у вас арендована машина. В скором времени запланировано совещание, и вам надо добраться из аэропорта Хитроу в Лондон настолько быстро, насколько это возможно (но без риска!).
Существуют две главные дороги из Хитроу в Лондон, а также некоторое количество более мелких дорог, пересекающих главные. Путь от одного перекрёстка до другого занимает чётко определённое время. Выбор оптимального пути возложен на вас: ваша задача – добраться до Лондона самым быстрым способом! Вы начинаете с левой стороны и можете переехать на соседнюю главную дорогу либо ехать прямо.
Как видно по рисунку, самый короткий путь – начать движение по главной дороге B, свернуть на А, проехав немного, вернуться на B и снова ехать прямо. В этом случае дорога занимает 75 минут. Если бы мы выбрали любой другой путь, нам потребовалось бы больше времени.
Наша задача – создать программу, которая примет на вход некоторое представление системы дорог и напечатает кратчайший путь. Вот как может выглядеть входная информация в нашем случае:
50
10
30
5
90
20
40
2
25
10
8
0
