Schema-Guided Inductive Functional Programming through Automatic Detection of Type Morphisms

Schemagesteuerte Induktive Funktionale Programmsynthese durch Automatische Erkennung von Typmorphismen

Inductive functional programming systems can be characterised by two diametric approaches: Either they apply exhaustive program enumeration which uses input/output examples (IO) as test cases, or they perform an analytical, data-driven structural generalisation of the IO examples. Enumerative approaches ignore the structural information provided with the IO examples, but use type information to guide and restrict the search. They use higher-order functions which capture recursion schemes during their enumeration, but apply them randomly in a uninformed manner. Analytical approaches on the other side heavily exploit this structural information, but have ignored the benefits of a strong type system so far and use only recursion schemes either fixed and built in, or selected by an expert user. In category theory universal constructs, such as natural transformations or type morphisms, describe recursion schemes which can be defined on any inductively defined data type. They can be characterised by specific universal properties. Those typeInductive functional programming systems can be characterised by two diametric approaches: Either they apply exhaustive program enumeration which uses input/output examples (IO) as test cases, or they perform an analytical, data-driven structural generalisation of the IO examples. Enumerative approaches ignore the structural information provided with the IO examples, but use type information to guide and restrict the search. They use higher-order functions which capture recursion schemes during their enumeration, but apply them randomly in a uninformed manner. Analytical approaches on the other side heavily exploit this structural information, but have ignored the benefits of a strong type system so far and use only recursion schemes either fixed and built in, or selected by an expert user. In category theory universal constructs, such as natural transformations or type morphisms, describe recursion schemes which can be defined on any inductively defined data type. They can be characterised by specific universal properties. Those type morphisms and related concepts provide a categorical approach to functional programming, which is often called categorical programming. This work shows how categorical programming can be applied to Inductive Programming and how universal constructs, such as catamorphisms, paramorphisms, and type functors, can be used as recursive program schemes for inductive functional programming. The use of program schemes for Inductive Programming is not new. The special appeal and novelty of this work is that, contrary to previous approaches, the program schemes are neither fixed, nor selected by an expert user: The applicability of those recursion schemes can be automatically detected in the given IO examples of a target function by checking the universal properties of the corresponding type morphisms. Applying this to the analytical system Igor2, both the capabilities and the expressiveness can be extended without a decrease in efficiency. An extension of the analytical functional inductive programming system Igor2 is proposed and its algorithms described. An empirical evaluation demonstrates the improvements with respect to efficiency and effectiveness that can be achieved by the use of type morphisms for Igor2 due to a reduction in search space complexity.show moreshow less
Systeme zur induktiven Programmsynthese können bezüglich zweier gegensätzlicher Ansätze beschrieben werden: Enumerative Systeme zählen Programme vollständig auf und verwenden Eingabe/Ausgabe Beispiele (E/A) lediglich zum Testen; analytische, datengetriebene Systeme hingegegen generieren ein Programm durch strukturelle Generalisierung der E/A Beispiele. Aufzählende Ansätze ignorieren die in den E/A Beispielen enthaltene strukturelle Information völlig, benutzen aber Typinformation, um den Suchraum zu beschränken und die Suche zu steuern. Sie verwenden Funktionen höherer Ordnung als rekursive Programmschemata während der Aufzählung, wenden diese aber beliebig und nicht zielgerichtet an. Analytische Ansätze hingegen nutzen extensiv die strukturelle Information der E/A Beispiele, vernachlässigen aber die Vorzüge eines starken Typsystems. Programmschemata verwenden sie lediglich starr und fest codiert oder durch Auswahl eines Experten. In der Kategorientheorie beschreiben universelle Konstrukte wie zum Beispiel natürliche Transformationen Systeme zur induktiven Programmsynthese können bezüglich zweier gegensätzlicher Ansätze beschrieben werden: Enumerative Systeme zählen Programme vollständig auf und verwenden Eingabe/Ausgabe Beispiele (E/A) lediglich zum Testen; analytische, datengetriebene Systeme hingegegen generieren ein Programm durch strukturelle Generalisierung der E/A Beispiele. Aufzählende Ansätze ignorieren die in den E/A Beispielen enthaltene strukturelle Information völlig, benutzen aber Typinformation, um den Suchraum zu beschränken und die Suche zu steuern. Sie verwenden Funktionen höherer Ordnung als rekursive Programmschemata während der Aufzählung, wenden diese aber beliebig und nicht zielgerichtet an. Analytische Ansätze hingegen nutzen extensiv die strukturelle Information der E/A Beispiele, vernachlässigen aber die Vorzüge eines starken Typsystems. Programmschemata verwenden sie lediglich starr und fest codiert oder durch Auswahl eines Experten. In der Kategorientheorie beschreiben universelle Konstrukte wie zum Beispiel natürliche Transformationen und Typmorphismen Rekursionsschemata auf beliebigen, induktiv definierten Datentypen. Diese Konstrukte zeichnen sich durch spezifische, universelle Eigenschaften aus. Derartige Typmorphismen bieten einen kategorientheoretischen Zugang zur funktionalen Programmierung. Diese Arbeit zeigt, wie Catamorphismen, Paramorphismen und Typfunktoren als universelle Konstrukte in der induktiven Programmsynthese als rekursive Programmschemata verwendet werden können. Die Verwendung von Schemata in der induktiven Programmierung ist an sich nichts Neues, die Innovation liegt jedoch in der Art und Weise der Einführung der Schemata. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen wird weder ein festes Schema verwendet, noch wählt ein Experte ein Schema aus. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Anwendbarkeit eines bestimmten Schemas sich aus den E/A Beispielen einer konkreten Zielfunktion ableiten lässt, wenn man die universellen Eigenschaften das dem Programmschema entsprechenden Typmorphismus in den Beispielen erfüllen kann. Im Folgenden wird eine Erweiterung des funktionalen, induktiven Programmsynthesesystems Igor2 vorgestellt und der neue Algorithmus beschrieben. Ein empirischer Vergleich untermauert die Vorzüge der Erweiterung und macht die Steigerung der Effizienz und der Effektivität, die durch die Verwendung von Typmorphismen durch Komplexitätsreduktion des Suchraums erzielt werden kann, deutlich.show moreshow less

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Metadaten
Fakultät / Lehrstuhl:Professur für Angewandte Informatik, insbesondere Kognitive Systeme
Autor(en): Martin Hofmann
Advisor:Prof. Dr. Ute Schmid
Place of publication:Bamberg
Publisher:opus
Erscheinungsjahr:2010
Seitenzahl / Größe (KB):351 S. : graph. Darst.
Anmerkungen:Bamberg, Univ., Diss., 2010. - Zsfassung in engl. und dt. Sprache
SWD-Schlagwort(e):Automatismus; Entdeckung; Morphismus; Online-Publikation; Programmsynthese
Freie Schlagwort(e):Catamorphismus; Funktionale Programmierung; Induktive Programmsynthese; Kategorientheorie; Künstliche Intelligenz; Maschinelles Lernen; Typmorphismen
Artificial Intelligence; Catamorphismus; Category Theory; Functional Programming; Inductive Program Synthesis; Machine Learning; Type Morphisms
DDC-Sachgruppe:004 Datenverarbeitung; Informatik
RVK - Regensburg Classification:ST 136
URN:urn:nbn:de:bvb:473-opus-2981
Document Type:Dissertation
Sprache(n):English
Publikationsdatum:14.02.2011