diff options
| author | Gregor Kleen <gkleen@yggdrasil.li> | 2015-12-03 06:21:07 +0000 |
|---|---|---|
| committer | Gregor Kleen <gkleen@yggdrasil.li> | 2015-12-03 06:21:07 +0000 |
| commit | b8c490a23087557af0ce8fd0482edff62139c6ab (patch) | |
| tree | 8ac5b5bd5dbb59e3e8bf37cbd7d41383af778967 | |
| parent | 93f5010782c801104efca7c1da875a01d046ab50 (diff) | |
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Started on FFP - 07
| -rw-r--r-- | ws2015/ffp/blaetter/07/FFP_U07_Monaden2.hs | 312 |
1 files changed, 312 insertions, 0 deletions
diff --git a/ws2015/ffp/blaetter/07/FFP_U07_Monaden2.hs b/ws2015/ffp/blaetter/07/FFP_U07_Monaden2.hs new file mode 100644 index 0000000..942fd63 --- /dev/null +++ b/ws2015/ffp/blaetter/07/FFP_U07_Monaden2.hs | |||
| @@ -0,0 +1,312 @@ | |||
| 1 | {-# LANGUAGE RankNTypes #-} -- I like being allowed to specify type signatures | ||
| 2 | |||
| 3 | -- Fortgeschrittene Funktionale Programmierung, | ||
| 4 | -- LMU, TCS, Wintersemester 2015/16 | ||
| 5 | -- Steffen Jost, Alexander Isenko | ||
| 6 | -- | ||
| 7 | -- Übungsblatt 07. 2.12.2015 | ||
| 8 | -- | ||
| 9 | -- Thema: Monaden (Teil2) | ||
| 10 | -- | ||
| 11 | -- Anweisung: | ||
| 12 | -- Gehen Sie diese Datei durch und bearbeiten Sie | ||
| 13 | -- alle Vorkommen von undefined bzw. die mit -- !!! TODO !!! | ||
| 14 | -- markierten Stellen. Testen Sie Ihre Lösungen mit GHCi! | ||
| 15 | -- | ||
| 16 | -- | ||
| 17 | |||
| 18 | import qualified Data.Map as Map | ||
| 19 | import Data.Map (Map) | ||
| 20 | import Control.Applicative | ||
| 21 | import Control.Monad | ||
| 22 | |||
| 23 | import Control.Monad.ST | ||
| 24 | import Data.STRef | ||
| 25 | |||
| 26 | import Data.Maybe (fromMaybe) | ||
| 27 | |||
| 28 | import Debug.Trace (traceShowId) | ||
| 29 | |||
| 30 | ---- A7-1 I/O und "Hello World!" | ||
| 31 | |||
| 32 | -- a) | ||
| 33 | -- Lassen Sie das Programm von Folie 4-77 laufen! | ||
| 34 | -- Erstellen Sie dazu eine separate Datei mit dem | ||
| 35 | -- Haskell-Quelltext. | ||
| 36 | -- Verwenden Sie GHC und nicht GHCI! | ||
| 37 | -- | ||
| 38 | -- HINWEIS: | ||
| 39 | -- GHC erstellt nur eine ausführbare Datei, | ||
| 40 | -- falls die Funktion main existiert. | ||
| 41 | -- Falls Ihr Modul oder Ihre Funktion anders heisst, | ||
| 42 | -- so sollten Sie bei der Kompilation die | ||
| 43 | -- Option "-main-is" verwenden, also z.B. | ||
| 44 | -- "ghc MyFile.hs -main-is MyModule.myfoo" | ||
| 45 | |||
| 46 | |||
| 47 | -- b) | ||
| 48 | -- Schreiben Sie ein ausführbares Programm, | ||
| 49 | -- welches den Benutzer zur Eingabe einer Textzeile auffordert. | ||
| 50 | -- Ihr Programm soll abwechselnd | ||
| 51 | -- - die Textzeile rückwärts ausgeben | ||
| 52 | -- - die Textzeile ausgeben, wobei | ||
| 53 | -- A/Ä durch E, p durch b und k durch g ersetzt werden | ||
| 54 | -- Das Programm beendet sich, falls der Benutzer | ||
| 55 | -- nichts eingibt und nur return drückt. | ||
| 56 | -- | ||
| 57 | -- Beispielausführung: | ||
| 58 | -- Hallo Benutzer! | ||
| 59 | -- Sag was, ich sag's Dir dann umgekehrt: | ||
| 60 | -- Was ist ein Palindrom? | ||
| 61 | -- ?mordnilaP nie tsi saW | ||
| 62 | -- Sag emol ebbes lustiges: | ||
| 63 | -- Äpfel und Birnen | ||
| 64 | -- Ebfel und Birnen | ||
| 65 | -- Sag was, ich sag's Dir dann umgekehrt: | ||
| 66 | -- | ||
| 67 | -- Bye bye! | ||
| 68 | -- | ||
| 69 | |||
| 70 | main :: IO () | ||
| 71 | main = do | ||
| 72 | putStrLn "Hallo Benutzer!" | ||
| 73 | main' actions | ||
| 74 | putStrLn "Bye bye!" | ||
| 75 | where | ||
| 76 | actions = cycle [ ("Sag was, ich sag's Dir dann umgekehrt:", reverse) | ||
| 77 | , ("Sag emal ebbes lustiges:", dialekt) | ||
| 78 | ] | ||
| 79 | main' ((str, a):as) = do | ||
| 80 | putStrLn str | ||
| 81 | l <- getLine | ||
| 82 | when (not $ null l) $ do | ||
| 83 | putStrLn $ a l | ||
| 84 | main' as | ||
| 85 | |||
| 86 | dialekt :: String -> String | ||
| 87 | dialekt = map dialekt' | ||
| 88 | where | ||
| 89 | dialekt' 'A' = 'E' | ||
| 90 | dialekt' 'Ä' = 'E' | ||
| 91 | dialekt' 'p' = 'b' | ||
| 92 | dialekt' 'k' = 'g' | ||
| 93 | dialekt' x = x | ||
| 94 | |||
| 95 | |||
| 96 | |||
| 97 | ---- A7-2 Allgemeine Monadische Funktionen | ||
| 98 | -- | ||
| 99 | -- Implementieren Sie folgende Funktionen aus | ||
| 100 | -- der Standarbibliothek selbst zu Fuss. | ||
| 101 | -- Sie dürfen DO-Notation einsetzen, wenn Sie möchten. | ||
| 102 | -- | ||
| 103 | -- Zur Vermeidung von Namenskonflikten | ||
| 104 | -- wurde jedem Funktionsnamen das Kürzel "my" vorangestellt. | ||
| 105 | |||
| 106 | |||
| 107 | -- a) reguläres foldl mit monadischer Funktion | ||
| 108 | -- | ||
| 109 | myFoldM :: (Monad m) => (a -> b -> m a) -> a -> [b] -> m a | ||
| 110 | myFoldM _ a [] = return a | ||
| 111 | myFoldM f a (b:bs) = do | ||
| 112 | a' <- (a `f` b) | ||
| 113 | myFoldM f a' bs | ||
| 114 | |||
| 115 | |||
| 116 | -- b) Replizieren eines monadischen Wertes | ||
| 117 | -- Beispiel: | ||
| 118 | -- > myReplicateM 3 (return 7) | ||
| 119 | -- [7,7,7] | ||
| 120 | -- | ||
| 121 | -- > myReplicateM 4 (putStr "X ") | ||
| 122 | -- X X X X [(),(),(),()] | ||
| 123 | -- | ||
| 124 | myReplicateM :: (Monad m) => Int -> m a -> m [a] | ||
| 125 | myReplicateM 0 _ = return [] | ||
| 126 | myReplicateM n a = do | ||
| 127 | a' <- a | ||
| 128 | (a' :) `liftM` myReplicateM (n - 1) a | ||
| 129 | |||
| 130 | |||
| 131 | -- c) Hintereinanderausführung zweier monadischer Funktionen | ||
| 132 | -- (<=<) :: Monad m => (b -> m c) -> (a -> m b) -> a -> m c | ||
| 133 | -- | ||
| 134 | myR2Lcomposition :: Monad m => (b -> m c) -> (a -> m b) -> (a -> m c) | ||
| 135 | myR2Lcomposition f g a = g a >>= f | ||
| 136 | |||
| 137 | |||
| 138 | |||
| 139 | -- A7-3 Anwenden der Zustandsmonade | ||
| 140 | -- | ||
| 141 | -- Gegeben ist die korrekte Berechnung einer Wahrscheinlichkeit für einen Kampf in einem Strategiespiel. | ||
| 142 | -- Die Berechnung ist uns zu langsam. Da dabei viele wiederholte Berechnungen auftreten, | ||
| 143 | -- möchten wir die gesamte Berechnung durch explizite Memoisation mit einer Zustandsmonade beschleunigen! | ||
| 144 | -- | ||
| 145 | -- IHRE AUFGABE: | ||
| 146 | -- Berechnung der gegebenen Funktion "winchance" dramatisch beschleunigen! | ||
| 147 | -- | ||
| 148 | -- Das Ergebnis soll natürlich unverändert sein! Deklarieren Sie also zum Vergleich | ||
| 149 | -- eine neue Funktion "memoWinchance" mit gleichem Typ. | ||
| 150 | -- | ||
| 151 | -- Dabei haben Sie die Wahl: | ||
| 152 | -- - Kreieren Sie eine Zustandsmonade zu Fuss, wie in der letzten Vorlesung demonstriert; oder | ||
| 153 | -- - Verwenden Sie die Module Control.Monad.ST und Data.STRef | ||
| 154 | -- Für letztere Variante folgt am Ende dieser Datei ein Programmbeispiel zur Verwendung: demoST | ||
| 155 | -- | ||
| 156 | -- Warum die gegebene Wahrscheinlichkeitsberechnung richtig ist, ist für unser Lernziel unwichtig. | ||
| 157 | -- Der Hintergrund "Strategiespiel" dient nur der Illustration, damit die Aufgabe nicht zu langweilig wird. | ||
| 158 | -- Es ist also nicht schlimm, wenn Sie die Details davon nicht verstehen. | ||
| 159 | -- | ||
| 160 | |||
| 161 | -- | ||
| 162 | -- BESCHREIBUNG UND MODELLIERUNG DES STRATEGIESPIELS | ||
| 163 | -- | ||
| 164 | -- In einem Strategiespiel kämpfen verschiedene fantastische Monster gegeneinander. | ||
| 165 | -- Eine Monster besitzt zwei Werte: Kampfstärke und Trefferpunkte: | ||
| 166 | -- | ||
| 167 | |||
| 168 | data Monster = Monster Int Int deriving (Show,Eq,Ord) | ||
| 169 | -- HINWEIS: Hier könnte man Record-Syntax gut einsetzen. Wir verzichten jedoch darauf, | ||
| 170 | -- da Record-Syntax noch nicht in der Vorlesung behandelt wurde. | ||
| 171 | |||
| 172 | strength :: Monster -> Int | ||
| 173 | strength (Monster s _) = s | ||
| 174 | |||
| 175 | hitpoints :: Monster -> Int | ||
| 176 | hitpoints (Monster _ h) = h | ||
| 177 | |||
| 178 | takeHit :: Monster -> Monster | ||
| 179 | takeHit (Monster s h) = Monster s $ h-1 | ||
| 180 | |||
| 181 | -- Einige Standard-Monster zum Testen: | ||
| 182 | crow = Monster 5 1 | ||
| 183 | human = Monster 10 2 | ||
| 184 | orc = Monster 20 1 | ||
| 185 | dwarf = Monster 15 2 | ||
| 186 | elf = Monster 25 2 | ||
| 187 | giant = Monster 20 4 | ||
| 188 | knight= Monster 35 2 | ||
| 189 | |||
| 190 | -- Ein Kampf zwischen zwei Parteien in diesem Spiel läuft wie folgt ab: | ||
| 191 | -- | ||
| 192 | -- Die Monster eines Kampfe zwischen zwei gegnerischen Parteien sind | ||
| 193 | -- jeweils in einem Stapel geordnet: | ||
| 194 | -- also eine Liste von Angreifern und eine Liste von Verteidigern. | ||
| 195 | -- Es kämpfen immer nur jeweils die beiden Monster an vorderster Front der beiden Stapel gegeneinander. | ||
| 196 | -- | ||
| 197 | -- Beide Monster würfeln eine Zahl zwischen 0 und 99 und vergleichen diese mit Ihrer eigenen Stärke. | ||
| 198 | -- Ist die gewürfelte Zahl kleiner als die Stärke, so verliert das gegnerische Monster einen Trefferpunkt; | ||
| 199 | -- beide Würfelwürfe werden jedoch wiederholt, falls beide Monster Ihren Stärketest gleichzeitig bestehen oder beide durchfallen, | ||
| 200 | -- es verliert also immer nur genau eines der beiden obersten Monster einen Trefferpunkt. | ||
| 201 | -- | ||
| 202 | -- Sobald ein Monster 0 Trefferpunkte hat, wird es aus dem Stapel entfernt. | ||
| 203 | -- Die verbleibenden Monster kämpfen, bis einer der beiden gegnerischen Stapel leer ist. | ||
| 204 | -- | ||
| 205 | -- Um uns im Spiel einen Vorteil zu verschaffen, möchten wir die Gewinnwahrscheinlichkeit | ||
| 206 | -- für zwei gegebene Stacks von Monstern im Voraus ausrechnen. | ||
| 207 | -- Dies haben wir auch schnell in Haskell implementiert: | ||
| 208 | -- | ||
| 209 | -- Die Funktion winchance berechnet uns die Gewinnwahrscheinlichkeit | ||
| 210 | -- für den ersten Stapel aus (d.h. mindestens ein Angreifermonster überlebt). | ||
| 211 | |||
| 212 | dice = 100 | ||
| 213 | |||
| 214 | winchance :: [Monster] -> [Monster] -> Double | ||
| 215 | winchance [] _ = 0 | ||
| 216 | winchance _ [] = 1 | ||
| 217 | winchance allatt@(a:att) alldef@(d:def) | ||
| 218 | | hitpoints a <= 0 = winchance att alldef -- remove dead attacker | ||
| 219 | | hitpoints d <= 0 = winchance allatt def -- remove dead defender | ||
| 220 | | otherwise = | ||
| 221 | let attchance = nextHitchance dice (strength a) (strength d) -- chance for next hit by attacker on defender | ||
| 222 | defchance = 1 - attchance -- chance for next hit by defender on attacker | ||
| 223 | atthit = winchance allatt (takeHit d:def) -- attacker's winchance if defender took a hit | ||
| 224 | defhit = winchance (takeHit a:att) alldef -- attacker's winchance if attacker took a hut | ||
| 225 | in (attchance * atthit) + (defchance * defhit) -- overall winchance for first stack | ||
| 226 | |||
| 227 | -- Die Funktion nextHitchance 100 x y rechnet uns die Chance aus, | ||
| 228 | -- das ein Monster mit Stärke x gegen ein Monster mit Stärke y den nächsten Treffer landet. | ||
| 229 | -- Möglicherweise auftretende Wiederholungen der Würfelwürfe haben wir | ||
| 230 | -- mit Hilfe der Mathematik über die Grenzwerte unendlicher Reihen bereits vereinfacht: | ||
| 231 | |||
| 232 | nextHitchance :: Int -> Int -> Int -> Double | ||
| 233 | nextHitchance die attstr defstr = a*d' / (d*a' + a*d') | ||
| 234 | where | ||
| 235 | a = (fromIntegral attstr)/(fromIntegral die) | ||
| 236 | a' = if a > 1 then 0 else 1 - a | ||
| 237 | d = (fromIntegral defstr)/(fromIntegral die) | ||
| 238 | d' = if d > 1 then 0 else 1 - d | ||
| 239 | |||
| 240 | {- | ||
| 241 | Der Code funktioniert auch prinzipiell: | ||
| 242 | |||
| 243 | > nextHitchance 100 10 20 | ||
| 244 | 0.30769230769230776 | ||
| 245 | |||
| 246 | > winchance [orc,dwarf,elf,giant] [human,human,human,knight,knight] | ||
| 247 | 0.35168883031403275 | ||
| 248 | |||
| 249 | > winchance [human,human,human,knight,knight] [orc,dwarf,elf,giant] | ||
| 250 | 0.6483111696859674 | ||
| 251 | |||
| 252 | > winchance [orc,orc,orc,dwarf,dwarf,giant,giant] [human,human,human,elf,elf,knight,knight] | ||
| 253 | 0.33760541326192256 | ||
| 254 | |||
| 255 | jedoch zeigt das letzte Beispiel, dass die Berechnung sehr lange dauern kann! | ||
| 256 | |||
| 257 | Dabei wird jedoch oft das Gleiche frisch berechnet: | ||
| 258 | Zum Beispiel bei der Berechnung von "winchance [orc,elf] [human,dwarf]" | ||
| 259 | wird zwei mal "winchance [elf] [dwarf]" frisch ausgerechnet. | ||
| 260 | Einmal unter der Annahme, dass zuerst der orc stirbt, und | ||
| 261 | dann nochmal unter der Annahme das zuerst der mensch besiegt wurde. | ||
| 262 | |||
| 263 | Es bietet sich daher an, die Werte von winchance in einer Tabelle abzulegen, | ||
| 264 | z.B. Map ([Monster],[Monster]) Double | ||
| 265 | Ein Aufruf von memoWinchance schaut zuerst in dieser Tabelle nach, | ||
| 266 | ob die Wahrscheinlichkeit für diesen kompletten (Rest-)Kampf bereits bekannt ist. | ||
| 267 | Falls ja, wird schnell der bekannte Wert zurückgegeben. | ||
| 268 | Falls nein, wird der Wert berechnet und anschliessend in die Tabelle eingetragen. | ||
| 269 | Beachten Sie, das bei der Berechnung eines Wertes die Tabelle bereits wachsen kann! | ||
| 270 | |||
| 271 | Hinweis: Da die Tabelle für verschieden Stacks schnell groß werden kann, | ||
| 272 | verzichten wir darauf, diese zwischen verschiedenen Aufrufen von winchance | ||
| 273 | im Speicher zu halten. Nur während der Rekursion in einer Hilfsfunktion | ||
| 274 | von winchance führen wir die Tabelle immer mit. | ||
| 275 | -} | ||
| 276 | |||
| 277 | type MM = Map ([Monster], [Monster]) Double -- MM stands for MonsterManual | ||
| 278 | |||
| 279 | memoWinchance :: [Monster] -> [Monster] -> Double | ||
| 280 | memoWinchance atts defs = runST (newSTRef Map.empty >>= memoWinchance' atts defs) | ||
| 281 | |||
| 282 | memoWinchance' :: forall s. [Monster] -> [Monster] -> STRef s MM -> ST s Double | ||
| 283 | memoWinchance' [] _ = 0 | ||
| 284 | memoWinchance' _ [] = 1 | ||
| 285 | memoWinchance' atts@(a:att) defs@(d:def) mmRef = (Map.lookup (atts, defs) <$> readSTRef mmRef) >>= fromMaybe winchance . fmap return . traceShowId | ||
| 286 | where | ||
| 287 | memoize x = modifySTRef mmRef (Map.insert (atts, defs) x) | ||
| 288 | winchance | ||
| 289 | | hitpoints a <= 0 = | ||
| 290 | |||
| 291 | -- | ||
| 292 | -- Simples Beispiel zur Verwendung der ST-Monade: | ||
| 293 | -- | ||
| 294 | demoST :: (Integer, [Char]) | ||
| 295 | demoST = runST $ do | ||
| 296 | somerefA <- newSTRef 0 | ||
| 297 | somerefB <- newSTRef "A" | ||
| 298 | increment somerefA | ||
| 299 | increment somerefA | ||
| 300 | modifySTRef somerefB $ \s -> s ++ "B" | ||
| 301 | increment somerefA | ||
| 302 | a <- readSTRef somerefA | ||
| 303 | b <- readSTRef somerefB | ||
| 304 | increment somerefA | ||
| 305 | increment somerefA | ||
| 306 | return (a,b) | ||
| 307 | where | ||
| 308 | increment ref = do | ||
| 309 | x <- readSTRef ref | ||
| 310 | let y = succ x | ||
| 311 | writeSTRef ref y | ||
| 312 | |||
