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證明相互遞回類函式的減少子句

2022-06-09 04:31:12 軟體工程

我無法展示如何確保在 Dafny 的樹類上遞回遞減函式。我有以下定義可以驗證。

class RoseTree {
    var NodeType: int
    var id: string
    var children: array<RoseTree>
    ghost var nodeSet: set<RoseTree>

    constructor(nt: int, id: string, children: array<RoseTree>) 
        ensures forall x :: 0 <= x < children.Length ==> children[x].nodeSet <= this.nodeSet
        ensures forall x :: 0 <= x < this.children.Length ==> this.children[x].nodeSet <= this.nodeSet
    {
        this.NodeType := nt;
        this.id := id;
        this.children := children;
        if children.Length == 0 {
            this.nodeSet := {this};
        }else{
            this.nodeSet := {this} childrenNodeSet(children);
        }
    }
}

function setRosePick(s: set<set<RoseTree>>): set<RoseTree> 
    requires s != {}
{
    var x :| x in s; x
}

function setUnion(setosets: set<set<RoseTree>>) : set<RoseTree> 
    decreases setosets
{
    if setosets == {} then {} else
        var x := setRosePick(setosets);
        assert x <= x   setUnion(setosets-{x});
        x   setUnion(setosets-{x})
}

lemma setUnionDef(s: set<set<RoseTree>>, y: set<RoseTree>)
    requires y in s
    ensures setUnion(s) == y   setUnion(s - {y})
{
    var x := setRosePick(s);
    if y == x {

    }else{
        calc {
            setUnion(s);
            ==
            x   setUnion(s - {x});
            == {setUnionDef(s - {x}, y); }
            x   y   setUnion(s - {x} - {y});
            == { assert s - {x} - {y} == s - {y} - {x}; }
            y   x   setUnion(s - {y} - {x});
            == {setUnionDef(s - {y}, x); }
            y   setUnion(s - {y});

        }
    }
}

lemma setUnionReturns(s: set<set<RoseTree>>) 
   ensures s == {} ==> setUnion(s) == {}
   ensures s != {} ==> forall x :: x in s ==> x <= setUnion(s)
{
    if s == {} {
        assert setUnion(s) == {};
    } else {
        forall x | x in s 
            ensures x <= setUnion(s)
        {
            setUnionDef(s, x);
            assert x <= x   setUnion(s-{x});
        }
    }
}

function childNodeSets(children: array<RoseTree>): set<set<RoseTree>> 
    reads children
    reads set x | 0 <= x < children.Length :: children[x]
{
    set x | 0 <= x < children.Length :: children[x].nodeSet
}

function childNodeSetsPartial(children: array<RoseTree>, index: int): set<set<RoseTree>> 
    requires 0 <= index < children.Length
    reads children
    reads set x | index <= x < children.Length :: children[x]
{
    set x | index <= x < children.Length :: children[x].nodeSet
}

function childrenNodeSet(children: array<RoseTree>): set<RoseTree> 
    reads children
    reads set x | 0 <= x < children.Length :: children[x]
    ensures forall x :: x in childNodeSets(children) ==> x <= childrenNodeSet(children)
    ensures forall i :: 0 <= i < children.Length ==> children[i].nodeSet <= childrenNodeSet(children)
{
    var y := childNodeSets(children);
    setUnionReturns(y);
    setUnion(y)
} 

特別是我試圖為樹定義高度函式。

function height(node: RoseTree):nat 
    reads node
    reads node.children
    reads set x | 0 <= x < node.children.Length :: node.children[x]
    decreases node.nodeSet
{
    if node.children.Length == 0 then 1 else 1   maxChildHeight(node, node.children,node.children.Length-1,0)
}

function maxChildHeight(node: RoseTree, children: array<RoseTree>, index: nat, best: nat) : nat 
    reads node
    reads node.children
    reads set x | 0 <= x < node.children.Length :: node.children[x]
    requires children == node.children
    requires 0 <= index < children.Length
    ensures forall x :: 0 <= x <= index < children.Length ==> maxChildHeight(node, children, index, best) >= height(children[x])
    decreases node.nodeSet - setUnion(childNodeSetsPartial(children, index)), 1
{
    if index == 0 then best else if height(children[index]) >= best then maxChildHeight(node, children, index-1, height(children[index])) else maxChildHeight(node, children, index-1, best)
}

我雖然應該可以證明節點的 nodeSet 將是其父節點的子集,或者子節點集的并集將是父節點的子集,因此這兩個函式都將終止。我減少的表達并不能證明它對 dafny 來說,我不太確定如何繼續。是否有另一種方法來證明終止或者我可以修復這些減少陳述句?

此外,一個類的所有實體是否都隱式應用了建構式確保陳述句,或者僅在使用建構式顯式構造時應用?

編輯:更新了 childNodeSetsPartial 和 maxChildHeight 的定義以向下遞回。它仍然沒有驗證。

uj5u.com熱心網友回復:

在 Dafny 中定義可變鏈接堆分配資料結構并不常見,除非作為練習。因此,您應該考慮資料型別是否會更好地為您服務,例如

datatype RoseTree = Node(children: seq<RoseTree>)

function height(r: RoseTree): int
{
  if r.children == [] then
    1
  else
    var c := set i | 0 <= i < |r.children| :: height(r.children[i]);
    assert height(r.children[0]) in c;
    assert c != {};
    SetMax(c)   1
}

如果您堅持使用可變鏈接堆分配的資料結構,那么有一個標準的習慣用法。請閱讀這些講義的第 0 部分和第 1 部分,并在此處查看示例代碼的現代版本

將此習語應用于您的代碼,我們得到以下內容。

class RoseTree {
    var NodeType: int
    var id: string
    var children: array<RoseTree>
    ghost var repr: set<object>

    predicate Valid()
      reads this, repr
      decreases repr
    {
      && this in repr
      && children in repr
      && (forall i | 0 <= i < children.Length :: 
            children[i] in repr 
          && children[i].repr <= repr 
          && this !in children[i].repr 
          && children[i].Valid())
    }

    constructor(nt: int, id: string, children: array<RoseTree>) 
      requires forall i | 0 <= i < children.Length :: children[i].Valid()
      ensures Valid()
    {
        this.NodeType := nt;
        this.id := id;
        this.children := children;
        this.repr := {this, children}   
          (set i | 0 <= i < children.Length :: children[i])  
          (set x, i | 0 <= i < children.Length && x in children[i].repr :: x);
    }
}


function SetMax(s: set<int>): int 
  requires s != {}
  ensures forall x | x in s :: SetMax(s) >= x
{
  var x :| x in s;
  if s == {x} then
    x
  else
    var y := SetMax(s - {x});
    assert forall z | z in s :: z == x || (z in (s - {x}) && y >= z);
    if x > y then x else y
}

function height(node: RoseTree): nat
  requires node.Valid()
  reads node.repr
{
  if node.children.Length == 0 then 
    1 
  else 
    var c := set i | 0 <= i < node.children.Length :: height(node.children[i]);
    assert height(node.children[0]) in c;
    assert c != {};
    SetMax(c)   1
}

一個類的所有實體是否都隱式應用了建構式確保陳述句,或者僅在使用建構式顯式構造時應用?

我不確定我是否理解這個問題。不過,我認為答案是“不”。因為一個類可能有多個具有不同后置條件的建構式。

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/gongcheng/487726.html

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