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author | Gregor Kleen <gkleen@yggdrasil.li> | 2015-12-03 06:21:07 +0000 |
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committer | Gregor Kleen <gkleen@yggdrasil.li> | 2015-12-03 06:21:07 +0000 |
commit | b8c490a23087557af0ce8fd0482edff62139c6ab (patch) | |
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Diffstat (limited to 'ws2015')
-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 | |||