不动点组合子

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

不动点组合子英语:Fixed-point combinator,或不动点算子)是计算其他函数的一个不动点高阶函数

函数 f 的不动点是将函数应用在输入值 x 时,会传回与输出值相同的值,使得 f(x) = x。例如,0 和 1 是函数 f(x) = x2 的不动点,因为 02 = 0 而 12 = 1。鉴于一阶函数(在简单值比如整数上的函数)的不动点是个一阶值,高阶函数 f 的不动点是另一个函数 g 使得 f(g) = g。那么,不动点算子 fix 的定义是

使得对于任何函数 f

不动点组合子它们可以用非递归的 lambda抽象来定义,在 lambda演算中的函数都是匿名的。然而在命令式编程语言中的递归,或许限制只能以呼叫函数名称作为参数来实作。在函数式编程语言中的不动点,以 lambda抽象来定义的Y组合子为:

则允许匿名函数足够逹成递归的作用,即递归函数。应用于带有一个变量的函数,Y组合子通常不会终止。将 Y组合子应用于二或更多个变量的函数,会获得更有趣的结果。第二个变量可当作计数器或索引。由此产生的函数行为,表现出如命令式语言中一个whilefor循环。

这个组合子也是 Curry悖论的核心,演示了无型别的 lambda演算是一个不稳固的推论系统,因由 Y组合子允许一个匿名表达式来表示零或者甚至许多值,这在数理逻辑上是不一致的。

Y组合子[编辑]

无类型lambda演算中众所周知的(可能是最简单的)不动点组合子叫做Y组合子。它是Haskell B. Curry发现的,定义为

Y := λf.(λx.(f (x x)) λx.(f (x x))) 用一个例子函数g来展开它,我们可以看到上面这个函数是怎么成为一个不动点组合子的:
(Y g)
= (λf.(λx.(f (x x)) λx.(f (x x))) g)
= (λx.(g (x x)) λx.(g (x x)))(λf的β-归约 - 应用主函数于g
= (λy.(g (y y)) λx.(g (x x)))(α-转换 - 重命名约束变量)
= (g (λx.(g (x x)) λx.(g (x x))))(λy的β-归约 - 应用左侧函数于右侧函数)
= (g (Y g))(Y的定义)

注意Y组合子意图用于传名求值策略,因为 (Y g)在传值设置下会发散(对于任何g)。

不动点组合子的存在性[编辑]

在数学的特定形式化中,比如无类型lambda演算组合演算中,所有表达式都被当作高阶函数。在这些形式化中,不动点组合子的存在性意味着“所有函数都至少有一个不动点”,函数可以有多于一个不同的不动点。

在其他系统中,比如简单类型lambda演算,不能写出有良好类型(well-typed)的不动点组合子。在这些系统中对递归的任何支持都必须明确的增加到语言中。带有扩展的递归类型的简单类型lambda演算,可以写出不动点算子,“有用的”不动点算子(它的应用总是会返回)的类型将是有限制的。

例如,在Standard MLY组合子的传值调用变体有类型∀a.∀b.((a→b)→(a→b))→(a→b),而传名调用变体有类型∀a.(a→a)→a。传名调用(正规)变体在应用于传值调用的语言的时候将永远循环下去 -- 所有应用Y(f)展开为f(Y(f))。按传值调用语言的要求,到f的参数将接着展开,生成f(f(Y(f)))。这个过程永远重复下去(直到系统耗尽内存),而不会实际上求值f的主体。

例子[编辑]

考虑阶乘函数(使用邱奇数)。平常的递归数学等式

fact(n) = if n=0 then 1 else n * fact(n-1)

可以用lambda演算把这个递归的一个“单一步骤”表达为

F = λf. λx. (ISZERO x) 1 (MULT x (f (PRED x))),

这里的"f"是给阶乘函数的占位参数,用于传递给自身。 函数F进行求值递归公式中的一个单一步骤。 应用fix算子得到

fix(F)(n) = F(fix(F))(n)
fix(F)(n) = λx. (ISZERO x) 1 (MULT x (fix(F) (PRED x)))(n)
fix(F)(n) = (ISZERO n) 1 (MULT n (fix(F) (PRED n)))我们可以简写fix(F)为fact,得到
fact(n) = (ISZERO n) 1 (MULT n (fact(PRED n)))所以我们见到了不动点算子确实把我们的非递归的“阶乘步骤”函数转换成满足预期等式的递归函数。

其他不动点组合子[编辑]

Y组合子的可以在传值调用的应用序求值中使用的变体,由普通Y组合子的部分的η-展开给出:

Z = λf.(λx. f (λy. x x y)) (λx. f (λy. x x y))

Y组合子用SKI-演算表达为

Y = S (K (S I I)) (S (S (K S) K) (K (S I I)))在SK-演算中最简单的组合子由John Tromp发现,它是
Y' = S S K (S (K (S S (S (S S K)))) K)它对应于lambda表达式
Y' = (λx.λy. x y x) (λy.λx. y (x y x))

另一个常见不动点组合子是图灵不动点组合子(阿兰·图灵发现的):

Θ = (λx.λy.(y (x x y))) (λx.λy.(y (x x y)))它也有一个简单的传值调用形式:
Θv = (λx.λy.(y (λz. x x y z))) (λx.λy.(y (λz. x x y z)))

参见[编辑]

外部链接[编辑]