IB015 Neimperativní programování
Funkce vyšších řádů a λ-funkce
Jiří Barnat
Libor Škarvada
Sekce
Funkce vyšších řádů
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 2/26
Funkce vyšších řádů
Definice
Funkce, je považována za funkci vyššího řádu, pokud alespoň
jeden z jejich argumentů, které funkce má, nebo výsledek,
který funkce vrací, je opět funkce.
Funkce vyššího řádu se též označují jako funkcionály.
Příklady
(.) :: (a -> b) -> (c -> a) -> c -> b
map :: (a -> b) -> [a] -> [b]
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 3/26
N-ární funkce jako funkce vyšších řádů
Pozorování
Každou funkci, která má alespoň 2 argumenty, lze chápat jako
funkci vyššího řádu.
Příklad
Funkci
(*) :: Num a => a -> a -> a
lze číst jako
(*) :: Num a => a -> (a -> a)
Funkci, která bere dva číselné argumenty typu a a vrací
hodnotu typu a , lze také chápat jako funkci, která bere
hodnotu číselného typu a a vrací hodnotu typu a -> a .
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 4/26
Částečná aplikace
Pozorování
Chápeme-li n-ární (n ≥ 2) funkce jako funkce vyššího řádu, lze
tyto funkce tzv částečně aplikovat, tj. vyhodnotit je i pro
neúplný výčet argumentů.
Příklad
Uvažme funkci násobení
(*) :: Num a => a -> (a -> a)
(*) x y = x*y
Výsledkem aplikace (*) na hodnotu 3 je funkce.
(*) 3 :: Num a => a -> a
Tuto funkci je možné označit, a posléze použít.
f = (*) 3
f :: Num a => a -> a
f 4 ((*) 3) 4 12
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 5/26
Implicitní závorkování typu a aplikace
Připomenutí
Typový konstruktor -> je binární.
Typový konstruktor -> se používá pouze infixově.
Implicitní závorkování
Typový konstruktor -> implicitně sdružuje zprava
f :: a1 -> ( a2 -> ( a3 -> ... -> ( an−1 -> (an -> a)) ... ))
Aplikace funkce na argumenty implicitně sdružuje zleva
( ... ( ( ( f x1 ) x2 ) x3 ) ... xn−1 ) xn
Pozorování
Libovolnou n-ární funkci lze také chápat jako k-ární, kde k
nabývá hodnot od 1 do n.
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 6/26
Odvozování typu
S každou aplikací ubude jeden výskyt -> v typu výrazu
(+) :: Num a => a -> a -> a
(+) 2 :: Num a => a -> a
((+) 2) 3 :: Num a => a
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 7/26
Odvozování typu
S každou aplikací ubude jeden výskyt -> v typu výrazu
(+) :: Num a => a -> a -> a
(+) 2 :: Num a => a -> a
((+) 2) 3 :: Num a => a
Specializací typové proměnné však mohou -> přibýt.
Vezměme například funkci identity
id :: a -> a
id x = x
Při aplikaci id na (+) ubude -> z typu id , tj.
id (+) :: a
Avšak po specializaci typové proměnné a na typ funkce (+)
id (+) :: Num a => a -> a -> a
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 7/26
Pořadí parametrů a částečná aplikace
Částečná aplikace
Má-li funkce více formálních parametrů částečná aplikace
probíhá vždy od parametru nejvíce vlevo.
Problém
Funkci nelze přímo částečně aplikovat na jiný než první
parametr.
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 8/26
Funkce flip
Funkce flip
Při aplikaci na binární funkci tuto funkci modifikuje tak, aby
své dva argumenty přijímala v obráceném pořadí.
flip :: ( a -> b -> c ) -> b -> a -> c
flip f x y = f y x
Funkci flip je třeba chápat jako modifikátor funkce, ne
jako prohazovačku parametrů!
Příklady
(-) 3 4 -1
flip (-) 3 4 1
(-) flip 3 4 ERROR
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 9/26
Příklad, částečná aplikace a funkce flip
Příklad
Pomocí částečné aplikace funkce (-) definujte novou funkci
minus4 , která při aplikaci na číselnou hodnotu vrátí hodnotu
o 4 menší.
Řešení
Definice s využitím částečné aplikace, bez formálních
parametrů.
minus4 :: Num a => a -> a
minus4 = flip (-) 4
Standardní definice téhož s využitím formálních parametrů.
minus4 :: Num a => a -> a
minus4 x = (-) x 4
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 10/26
Jak bránit částečné aplikaci
Pozorování
Funkce vyššího řádu a částečná aplikace souvisí s násobným
použitím funkcionálního typového konstruktoru -> .
Chceme-li zabránit částečné aplikaci, musíme definovat funkci
tak, aby v jejím typu byl pouze jeden výskyt -> .
Pokud chceme funkci předat více argumentů najednou,
předáme je jako uspořádanou n-tici.
Příklad
Všimněte si rozdílu v typech a definicích následujících funkcí.
krat :: Num a => a -> a -> a
krat x y = x * y
krat1 :: Num a => (a,a) -> a
krat1 (x,y) = x * y
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 11/26
curry, uncurry
Funkce curry a uncurry
Předdefinované funkce pro změnu řádu binárních funkcí.
curry
Modifikuje funkci tak, že tato funkce místo uspořádané
dvojice hodnot přijímá dva samostatné parametry.
curry :: ((a,b) -> c) -> a -> b -> c
curry f x y = f (x,y)
uncurry
Modifikuje funkci tak, že tato funkce místo dvou
samostatných parametrů přijímá uspořádanou dvojici hodnot.
uncurry :: (a -> b -> c) -> (a,b) -> c
uncurry f (x,y) = f x y
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 12/26
Příklad – curry a uncurry
Příklad
Mějme definovány následující funkce
krat :: Num a => a -> a -> a
krat x y = x * y
krat1 :: Num a => (a,a) -> a
krat1 (x,y) = x * y
Uveďte alternativní definici funkce krat pomocí funkce krat1
a obráceně.
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 13/26
Příklad – curry a uncurry
Příklad
Mějme definovány následující funkce
krat :: Num a => a -> a -> a
krat x y = x * y
krat1 :: Num a => (a,a) -> a
krat1 (x,y) = x * y
Uveďte alternativní definici funkce krat pomocí funkce krat1
a obráceně.
Řešení
krat = curry krat1
krat1 = uncurry krat
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 13/26
Operátorové sekce
Co je to
Pro každý binární operátor je možné definovat funkci, jež
odpovídá částečné aplikaci funkce na první formální parametr
a funkci, jež odpovídá částečné aplikaci funkce na druhý
formální parametr. Těmto funkcím se říká operátorové sekce.
Operátorové sekce
Předpokládejme binární operátor ⊕ a hodnoty p a q
⊕ :: a -> b -> c
p :: a
q :: b
Částečnou aplikaci na první argument zapíšeme jako (p⊕)
(p⊕) = (⊕) p
Částečnou aplikaci na druhý argument zapíšeme jako (⊕q)
(⊕q) = flip (⊕) q
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 14/26
Částečná aplikace – příklady
Příklad1
Jednoduché použití operátorových sekcí.
(*2) 34 68
(++".") [’V’,’ě’,’t’,’a’] "Věta."
Příklad2
Odvoďte typ následujících funkcí, popište jejich význam:
(1.0/)
(‘mod‘ 3)
(!!0)
(>0)
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 15/26
Částečná aplikace – příklady
Příklad1
Jednoduché použití operátorových sekcí.
(*2) 34 68
(++".") [’V’,’ě’,’t’,’a’] "Věta."
Příklad2
Odvoďte typ následujících funkcí, popište jejich význam:
(1.0/) :: Fractional a => a -> a
(‘mod‘ 3) :: Integral a => a -> a
(!!0) :: [a] -> a
(>0) :: (Num a, Ord a) => a -> Bool
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 15/26
Binární operátor pro skládání funkcí
Skládání funkcí
Základní operátor funkcionálního programování
(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
(.) f g x = f ( g x )
Pozorování
Operátor pro skládání funkcí lze chápat také jako binární.
(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
Pro operátor (.) je možné definovat operátorovou sekci.
Použití operátorové sekce pro operátor (.) na jiné než
jednoduché funkce je však velmi matoucí a v praxi se
nepoužívá.
(.(.)) :: (((a -> b) -> a -> c) -> d) -> (b -> c) -> d
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 16/26
Binární operátor pro skládání funkcí
Skládání funkcí
Základní operátor funkcionálního programování
(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
(.) f g x = f ( g x )
Pozorování
Operátor pro skládání funkcí lze chápat také jako binární.
(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
Pro operátor (.) je možné definovat operátorovou sekci.
Použití operátorové sekce pro operátor (.) na jiné než
jednoduché funkce je však velmi matoucí a v praxi se
nepoužívá.
(.(.)) :: (((a -> b) -> a -> c) -> d) -> (b -> c) -> d
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 16/26
Kombinátory
Pozorování
Funkce flip , curry , uncurry , (.) a operátorové sekce
používáme k vytvoření tzv. bezparametrové definice funkce.
Připomenutí bezparametrové definice
Funkci f definovanou s použitím formálního parametru
f x = (not.odd) x
Je možné definovat i bez použití formálního parametru
f = (not.odd)
Příklad
f x = (3*x)^7
f x = flip (^) 7 (3*x)
f x = flip (^) 7 ((*) 3 x)
f x = (.) (flip (^) 7) ((*) 3) x
f x = (.) (flip (^) 7) (3*) x
f = (.) (flip (^) 7) (3*)
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 17/26
Sekce
Nepojmenované funkce
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 18/26
Jednorázové použité pojmenované funkce
Motivace
Při standardní definici funkce musíme tuto funkci pojmenovat.
Mnohé funkce, často jednoduché, použijeme jednorázově.
Funkce s jednorázovým použitím je zbytečné pojmenovávat.
Příklad
Globální definice a použití jednoduché funkce
f x = x*x + 1
map f [1,2,3,4,5] [2,5,10,17,26]
Lokální definice a použití jednoduché funkce
let f x = x*x + 1 in map f [1,2,3,4,5] [2,5,10,17,26]
map f [1,2,3,4,5] where f x = x*x + 1 [2,5,10,17,26]
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 19/26
Nepojmenované funkce
Co to je
Definice funkce v místě jejího použití bez uvedení jejího jména.
Příklad:
map (\x -> x*x+1) [1,2,3,4,5] [2,5,10,17,26]
Původ a všeobecné označení
Myšlenka a teoretický základ pochází z Lambda kalkulu, proto
se též nepojmenovaným funkcím říká lambda funkce.
Principu vytváření lambda funkcí, se říká lambda abstrakce.
Pozorování
Koncept lambda funkcí se vyskytuje v mnoha imperativních
programovacích jazycích, např. C++, C#, SCALA, PHP, . . .
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 20/26
Princip tvorby lambda funkcí
Lambda abstrakce
Uvažme výraz M, který představuje tělo funkce.
M ≡ x ∗ x + 1
Z těla funkce vytvoříme funkci použitím lambda abstrakce.
λx.M ≡ λx.(x ∗ x + 1)
Při aplikaci lambda funkce λx.M na výraz N, se všechny
volné výskyty formálního parametru x v M nahradí výrazem
N. Výskyt proměnné x je označován jako volný, pokud není
v rozsahu žádné lambda abstrakce.
λx.M N ≡ λx.(x ∗ x + 1) N = N ∗ N + 1
Příklady
(λx.x ∗ x + 1) 3 = 3 ∗ 3 + 1 = 10.
(λx.x +(λx.x +x) x) 5 = 5+(λx.x +x) 5 = 5+(5+5) = 15.
(λx.34) 3 = 34
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 21/26
Lambda funkce v Haskellu
Definice a použití nepojmenované funkce
λ se špatně píše na klávesnici.
V programovacím jazyce Haskell je lambda abstrakce zapsána
pomocí zpětného lomítka a šipky:
\ formální parametry -> tělo funkce
Příklady
(\ x -> x*x + x*x) 3 ... 18
(\ x -> x False) not not False True
Nepojmenovanou funkci je možné pojmenovat
f = (\ x -> x*x + x*x)
f 3 ... 18
f 3 (\ x -> x*x + x*x) 3 ... 18
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 22/26
Nepojmenované funkce vyšších řádů
Pozorování
Vnořená lambda abstrakce vytváří funkce vyšších řádů.
(λx.(λy.(x − y))) 3 4 = (λy.(3 − y)) 4 = 3 − 4 = −1
Zápis v Haskellu
Odvozený přímo z vícenásobné aplikace lambda abstrakce
\ x -> (\ y -> x - y)
( \ x -> (\ y -> x - y) ) 3 4 ... -1
Zkrácený z důvodu čitelnosti kódu a pohodlí programátorů
\ x y -> x - y
( \ x y -> x - y) 3 4 ... -1
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 23/26
Nepojmenované funkce a typy
Nepojmenované funkce a jejich typy
Obecně platí stejná pravidla jako pro pojmenované funkce.
Název funkce (ani jeho neexistence) nemá vliv na typ funkce.
Efekt lambda abstrakce na typ
Každý formální parametr v lambda abstrakci přidá do typu
výrazu jeden výskyt typového konstruktoru -> a novou
typovou proměnnou, která se navíc specializuje podle
kontextu použití konkrétního formálního parametru.
Pozorování
Typ funkce si Hugs/GHCi umí odvodit z její definice.
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 24/26
Nepojmenované funkce a jejich typy – příklady
Příklad 1
’a’ :: Char
(\ x -> ’a’) :: a -> Char
(\ x y -> ’a’) :: a -> b -> Char
(\ x -> (\ y -> ’a’)) :: a -> b -> Char
Příklad 2
\ x y -> x !! y :: [a] -> Int -> a
\ x y -> x || y :: Bool -> Bool -> Bool
Příklad 3
(\ x y -> x . y) :: (a -> b) -> (c -> a) -> c -> b
(\ x y -> x y) :: (a -> b) -> a -> b
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 25/26
Domácí cvičení
Mentální cvičení
Definujte operátorové sekce pomocí lambda abstrakce.
Identifikujte funkce vyššího řádu ve svém každodenním životě.
IB015 Neimperativní programování – 03 str. 26/26