Kombinatorische Logik

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Kombinatorische Logik (Abgekürzt CL für engl. Combinatory Logic) ist eine Notation, die von Moses Schönfinkel und Haskell Brooks Curry eingeführt wurde, um die Verwendung von Variablen in der Mathematischen Logik zu vermeiden. Sie wird besonders in der Informatik als theoretisches Modell für Berechnung, als auch als Grundlage zum Design funktionaler Programmiersprachen eingesetzt.

Kombinatorische Logik in der Mathematik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kombinatorische Logik war als einfachere Logik gedacht, die die Bedeutung von quantifizierten Variablen in der Notation von Logik klären und sie tatsächlich unnötig machen sollte.

Siehe Curry, 1958–72.

Kombinatorische Logik in der Informatik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Informatik dient die kombinatorische Logik als einfaches Modell einer Berechnung. Dieses wird in der Berechenbarkeitstheorie und der Beweistheorie benötigt. In der Tat erfasst die kombinatorische Logik viele Aspekte natürlicher Berechnung.

Man kann die kombinatorische Logik als Variation des Lambda-Kalküls auffassen, wobei die Ausdrücke des Lambda-Kalküls durch einige wenige Kombinatoren ersetzt werden. Kombinatoren sind primitive Funktionen, die keine freien Variablen enthalten. Da es sehr einfach ist, Lambda-Ausdrücke in Terme der CL umzuwandeln, und sich die Reduktion von Kombinatoren wesentlich einfacher gestaltet als die Lambda-Reduktion, wird die CL gerne als Implementationsgrundlage für nicht-strikte Sprachen verwendet.

Man kann die CL auch auf viele andere Art und Weisen betrachten, so zeigen viele frühere Abhandlungen die Äquivalenz verschiedener Kombinatoren zu Axiomen der Logik. [Hindley and Meredith, 1990].

Eine kurze Zusammenfassung des Lambda-Kalküls[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine ausführliche Beschreibung des Lambda-Kalküls findet sich unter dessen Artikel. Lambda-Terme bestehen aus

  • Variablen ,
  • Abstraktionen ,
  • Applikationen ,

wobei hier für einen beliebigen Variablennamen und , und wiederum für Lambda-Terme stehen. Lambda-Terme werden durch Beta-Reduktion vereinfacht, wobei die Applikation ersetzt wird durch die Ersetzung .

Die Kombinatorische Logik ist ein Berechnungsmodell, das äquivalent zum Lambda-Kalkül ist, aber ohne die Abstraktion auskommt.

Der kombinatorische Kalkül[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da Abstraktion im Lambda-Kalkül verwendet wird, um Funktionen zu modellieren, muss es im kombinatorischen Kalkül etwas vergleichbares geben. Hier gibt es statt der Abstraktion einige wenige primitive Funktionen (Kombinatoren), aus denen nun weitere Funktionen zusammengesetzt werden können.

Kombinatorische Terme[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kombinatorische Terme bestehen aus

  • Kombinatoren
  • Applikationen

und sind wiederum kombinatorische Terme. Die Applikation ist, wie im Lambda-Kalkül, linksassoziativ, das heißt ist gleichbedeutend mit .

Beispiele von Kombinatoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

, usw. bezeichnen im Folgenden beliebige Terme.

Der einfachste Kombinator ist , der Identitätskombinator. Für ihn gilt:

Ein weiterer, einfacher Kombinator ist , der Konstantenkombinator: modelliert dann eine Funktion, die für ein weiteres Argument immer zurückgibt, also:

Ein dritter Kombinator ist , er stellt eine generalisierte Version der Applikation dar:

wendet auf an, setzt jedoch zuvor in beide ein.

Eigentlich ist unnötig, wenn man und hat, denn

.

Fixpunktkombinator[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Noch interessanter ist der Fixpunktkombinator , der verwendet wird, um Rekursion zu implementieren.

Auch ist unnötig. Es kann, falls keine Typisierung erforderlich ist, als

dargestellt werden.

Vollständigkeit der Grundlage S-K[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erstaunlich ist, dass man aus und allein Kombinatoren zusammensetzen kann, die extensional gleich jedem beliebigen Lambda-Term sind, und daher, gemäß der These von Church, extensional gleich jeder beliebigen berechenbaren Funktion. Als Beweis dient eine Transformation , die Lambda-Terme in einen Äquivalenten CL-Term verwandelt. Einzige Voraussetzung ist, dass der zu transformierende Lambda-Term keine freien Variablen enthält.

kann folgendermaßen definiert werden

  1. (nur, wenn nicht frei in )
  2. (falls freie Variable von )

Die Transformation eines Lambda-Terms in einen CL-Term[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wir versuchen zum Beispiel, den Term in einen CL-Term zu übersetzen:

(Regel 5)
(Regel 6)
(Regel 4)
(Regel 3 und Regel 1)
(Regel 6)
(Regel 3)
(Regel 6)
(Regel 3)
(Regel 4)

Wenn wir nun diesen Kombinator auf zwei Terme und anwenden, sieht die Reduktion folgendermaßen aus:

Die kombinatorische Repräsentation ist viel länger als der Lambda-Term . Das ist typisch für die Transformation. Generell kann es passieren, dass eine -Konstruktion einen Lambda-Term der Länge in einen Kombinator der Länge umwandelt.

Erläuterung der T[ ]-Transformation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Motivation der -Transformation ist die Eliminierung von Abstraktionen. Drei der Regeln sind trivial: Regel 4 transformiert in seine eindeutige Äquivalenz , Regel 3 transformiert zu , was allerdings nur funktioniert, wenn die gebundene Variable in nicht verwendet wird (i.e.: in nicht frei ist). Regel 2 transformiert die Applikation zweier Terme, was auch in den Termen der CL erlaubt ist.

Regel 1 ist etwas schwierig, denn sie konvertiert Variablen: Variablen können nur durch Regel 4 aufgelöst werden, daher bleiben sie fürs Erste erhalten. Da es keine freien Variablen im Gesamtterm gibt und jede Transformation von Abstraktionen die gebundenen Variablen berücksichtigt (Regeln 3,4,5,6), werden irgendwann alle Variablen aufgelöst.

Die Regeln 5 und 6 verschieben die Abstraktionen ins Innere des Funktionskörpers, bis sie von Regel 4 aufgelöst werden können. Regel 5 konvertiert dazu zuerst den Körper der äußeren Abstraktion, danach die Abstraktion selbst. Regel 6 verteilt die Abstraktion über einer Applikation auf deren Teilterme:

ist eine Funktion, die ein Argument nimmt und im Lambda-Term für einsetzt. Genau dies tut der Kombinator , nur für Funktionen bzw. :

Daher gilt, gemäß extensionaler Gleichheit:

Um nun einen Kombinator für zu finden, reicht es aus einen Kombinator für zu finden, also:

Vereinfachung der Transformation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

η-Reduktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kombinatoren, die liefert, werden kürzer wenn wir die η-Reduktion aus dem Lambda-Kalkül verwenden:

(nur, wenn nicht frei in )

ist die Funktion, die ein Argument nimmt, und es in die Funktion einsetzt; dies ist extensional gleich der Funktion selbst. Es ist daher ausreichend, einfach in seine Kombinatorische Form zu transformieren.

Mit dieser Vereinfachung wird das obige Beispiel zu:

(durch η-Reduktion)

Dieser Kombinator ist (extensional) gleich dem längeren aus dem vorangegangenen Beispiel:

Ganz ähnlich würde die normale -Transformation die Identitätsfunktion verwandeln in . Mit der neuen η-Reduktionsregel wird aus einfach nur .

Die Kombinatoren B, C von Curry[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Kombinatoren und tauchen bereits in der Arbeit von Schönfinkel auf (allerdings hieß dort ), Curry führte in seiner Dissertation Grundlagen der kombinatorischen Logik weiterhin , , (und ) ein. und können viele Reduktionen vereinfachen, sie sehen folgendermaßen aus:

Für diese beiden Kombinatoren werden die Regeln folgendermaßen erweitert:

  1. (nur, wenn nicht frei in )
  2. (falls freie Variable von )
  3. (falls freie Variable von und )
  4. (falls freie Variable von aber nicht von )
  5. (falls freie Variable von aber nicht von )

Zum Beispiel sieht die Transformation von so aus:

(Regel 7)
(η-Reduktion)
(Notation für: )
(Notation für: )

Tatsächlich reduziert zu :

und stellen beschränkte Versionen von dar. Während einen Wert sowohl in den Applikanten als auch in das Argument einsetzt, setzt diesen nur in den Applikanten und nur in das Argument ein.

Umgekehrte Transformation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Transformation von CL-Termen in Lambda-Terme ist denkbar einfach, da wir im Lambda-Kalkül alle Möglichkeiten haben, die auch in der CL zur Verfügung stehen:

Wichtig ist jedoch zu wissen, dass diese Transformation nicht das Inverse der -Transformation ist, da zwar extensional gleich ist, aber der Term dabei nicht zwingend erhalten bleibt.

Unentscheidbarkeit des kombinatorischen Kalküls[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es ist unentscheidbar, ob ein genereller Kombinator eine Normalform hat, ob zwei Kombinatoren gleich sind, usw. Dies ergibt sich schon aus der Ähnlichkeit zum Lambda-Kalkül, aber hier noch einmal ein direkter Beweis:

Der Term

hat keine Normalform, da er mit drei Schritten wieder zu sich selbst reduziert:

und es keinen anderen Weg geben kann, der den Kombinator kürzer macht.

Sei nun ein Kombinator, der auf Normalform testet, so dass

, wenn eine Normalform hat,
, andernfalls.

( und sind hier die korrespondierenden Kombinatoren zu und aus dem Lambda-Kalkül:

)

Sei nun

Untersuchen wir den Term . Hat eine Normalform? Falls ja, müssen auch die folgenden Ableitungen eine Normalform haben:

(Definition von )

Nun wenden wir auf an. Entweder hat eine Normalform oder nicht.

Wenn ja, dann wäre:

(Definition von )

aber hat keine Normalform. haben wir durch Ableitungen aus erhalten, also hat auch keine Normalform. Dies ist ein Widerspruch.

Falls keine Normalform hat, reduziert sich der Term folgendermaßen:

(Definition von )

was bedeutet, dass als Normalform einfach hat, also wieder ein Widerspruch. Daher kann es keinen solchen Kombinator geben.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Übersetzung funktionaler Programmiersprachen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Funktionale Programmiersprachen basieren häufig auf der einfachen, aber universellen Semantik des Lambda-Kalküls.

David Turner benutzte CL für die Sprache SASL.

Referenzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • „Über die Bausteine der mathematischen Logik“, Moses Schönfinkel, 1924, übersetzt als „On the Building Blocks of Mathematical Logic“ in From Frege to Gödel: a source book in mathematical logic, 1879–1931, ed. Jean van Heijenoort, Harvard University Press, 1977. ISBN 0-674-32449-8 – Die Originalpublikation über kombinatorische Logik.
  • Combinatory Logic. Curry, Haskell B. et al., North-Holland, 1972. ISBN 0-7204-2208-6 – Eine umfassende Übersicht der CL, inklusive der historischen Umrisse.
  • Functional Programming. Field, Anthony J. and Peter G. Harrison. Addison-Wesley, 1998. ISBN 0-201-19249-7
  • „Foundations of Functional Programming“ (GZIP; 105 kB). Lawrence C. Paulson. University of Cambridge, 1995.
  • „Lectures on the Curry-Howard Isomorphism“. Sørensen, Morten Heine B. and Pawel Urzyczyn. University of Copenhagen and University of Warsaw, 1998.
  • „Principal Type-Schemes and Condensed Detachment“, Hindley and Meredith, Journal of Symbolic Logic (JSL), Volume 55 (1990), Number 1, pages 90–105

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]