Prolog语言及程序设计汇总

人工智能语言简介

人工智能(AI)语言是一类适应于人工智能和知识工程领域的、具有符号处理和逻辑推理能力的计算机程序设计语言。能够用它来编写程序求解非数值计算、知识处理、推理、规划、决策等具有智能的各种复杂问题。

典型的人工智能语言主要有LISP、Prolog、Smalltalk、C++等

一般来说，人工智能语言应具备如下特点：

具有符号处理能力（即非数值处理能力）；
适合于结构化程序设计，编程容易；
具有递归功能和回溯功能；
具有人机交互能力；
适合于推理；
既有把过程与说明式数据结构混合起来的能力，又有辨别数据、确定控制的模式匹配机制。

Prolog 语言简介

PROLOG(Programming in Logic)是当代最有影响的人工智能语言之一。

它是一种以逻辑推理为基础的逻辑型程序设计语言。

由于该语言很适合表达人的思维和推理规则，在自然语言理解、机器定理证明、专家系统等方面得到了广泛的应用，已经成为人工智能应用领域的强有力的开发语言。

Prolog基本语句

Prolog的基本语句仅有三种，即事实、规则和目标三种类型的语句，且都用谓词表示。

1、事实

事实用来说明一个问题中已知的对象和它们之间的关系。在Prolog程序中，事实由谓词名及用括号括起来的一个或几个对象组成。谓词和对象可由用户自己定义。
例如，likes(bil,book).
表示一个名为like的关系，对象bill和book之间有喜欢的关系。

事实(facts)是prolog中最简单的谓词(predicate)。

谓词：Prolog语言的基本组成元素，可以是一段程序、一个数据类型或者是一种关系。

它由谓词名和参数组成。两个名称相同而参数的数目不同的谓词是不同的谓词。

事实的语法结构如下：

pred(arg1,arg2,…argN).
其中pred为谓词的名称。arg1,… 为参数，共有N个。

参数构成规则如下：

由大写字母，A-Z; 小写字母，a-z; 数字，0-9；±/^,.~:.?#$ 等构成。
原子通常是字母、数字和下划线组成，开头的字符必须是小写字母，下划线不能放在最前面。使用单引号扩起来的字符集都是合法的原子。
变量和原子相似，但是开头字符是大写字母或是下划线，下划线开头的都是变量

Eg1：

door(kitchen,office).
?- door(X,office).
X = kitchen;
X = no.

prolog不允许使用除了基本字符以外的字符，不允许使用汉字。
最末尾的”.”一定不能掉，它表示一个句子结束。
以小写字符开头的字符串代表确知的事物，而以大写字母开头的字符串表示未确定的事物，让解释器找到答案。
“;”，是人工输入的，当解释器找到一一个答案之后，它将个答案输出，并且等待用户的进一步输入，如果用户输入解释器将继续寻找其他的答案。首先它必须释放变量X。然后从上一次成功的位置的下一条子句开始继续搜索。这个过程叫做回溯。如果输入的是别的符号，解释器将终止查询。
"no"是因为，系统在输出了kitchen这个答案以后，用户输入“;”，表示还想知道其他的答案，而解释器又找不到其他的答案了，于是输出no.来终止查询。

2、规则

规则由几个互相有依赖性的筒单句（谓词）组成，用来描述事实之间的依赖关系。从形式上看，规则由左边表示结论的后件谓词和右边表示条件的前提谓词组成。
例如，bird():-animal(),has(X,feather).
表示凡是动物并且有羽毛，那么它就是鸟。

规则的实质就是储存起来的查询。它的语法如下：

head:-body

其中，head是谓词的定义部分，与事实一样，也包括谓词名和谓词的参数说明。：-连接符，一般可以读作’如果’。

body一个或多个目标，与查询相同。

where food(X,Y):-location(X,Y),edible(X).

用语言来描述就是"在房间Y中有可食物X的条件是：X在Y房间中，并且X可食。"

规则的搜索原理

首先，Prolog将把目标和规则的子句的头部(head)进行匹配，如果匹配成功，Prolog就把比规则的body部分作为新的目标进行搜索。

实际上规则就是多层的询问。第一层由原始的目标组成，从下一层开始就是由与第一层的目标相匹配的规则的Body中的子目标组成。

每一层还可以有子目标，理论上来讲，这种目标的嵌套可以是无穷的。但是由于计算机的硬件限制，子目标只可能有有限次嵌套。

3、目标（问题/查询）

把事实和规则写进Prolog程序中后，就可以向Prolog询问有关问题的答案，询问的问题就是程序运行的目标。目标的结构与事实或规则相同，可以是一个简单的谓词，也可以是多个谓词的组合。
例如，？-student(john).
表示"john是学生吗？”

查询谓词间的并且关系

?- location(X,kitchen),edible(X).
X=apple;
X=crackers
no.

简单的查询只有一个目标，而混合查询可以把这些目标连接起来，从而进行较为复杂的查询。上面的连接符号","是并且的意思。

上面的式子用语言来描述就是“寻找满足条件的X,条件是：X在厨房里，并且X能吃。”

如果某个变量在询问中多次出现，则此变量在所有出现的位置都必须绑定为相同的值。

所以上面的查询只有找到某一个X的值，使得两个目标都成立，才算查询成功。

规则子句间的或者关系

connect(X,Y):-door(XY).
connect(X,Y):-door(Y,X).

?connect(kitchen,office).
yes

?-connect(office,kitchen).
yes

意为：“房间X和Y相连的条件是：从X到Y有扇门，或者从Y到X有扇门"。

请注意此处的或者，为了描述这种或者的关系我们可以为某个谓词定义多个子句。

内部谓词

内部谓词是指已经在Prolog中事先定义好的谓词。

在内存中的动态数据库中是没有内部谓词的子句的。当解释器遇到了内部谓词的目标，它就直接调用事先编好的程序。

write/1：此谓词被调用时永远是成功的，并且它可以把它的参数作为字符串输出到屏幕上。当回溯时，它永远是失败，所以回溯是不会把已经写到屏幕上的字符又给删除的。
nl/0：此谓词没有参数，和write一样，从Call端口调用时总是成功的，从Redo端口回溯时总是失败的，它的作用是在屏幕上输出一个回车符。
tab/1：此谓词的参数是一个整数，它的作用是输出n个空格，为它的参数。其控制流程与上面两个相同。
fail/0：它的调用永远是失败的。如果fail/0从左边得到控制权，则它立即把控制权再传回到左边，引起回溯。

算术

Prolog专门提供了内部谓词is来计算数学表达式。其语法形式：

X is <数学表达式>

?- X is 2+2.
X = 4

?- X is 3*(4+2).
X = 18

除了is外，Prolog还提供了一些用来比较大小的操作符：

X > Y
X < Y
X >= Y
X <= Y

eg:

?- X is 2+2 ,X > 3.
X = 4

?- X is 2+2 , 3 >= X.
no

数据管理内部谓词

asserta(X)：
- 把子句X当作此子句的谓词的第一个子句加入到动态数据空中。他和I/O内部谓词的流程控制相同。回溯是失败，并且不会取消它所完成的工作。
- 例如:如果内存中已经有了下面的几个事实:
- ```
people(a).
people(b).
people(c).
```
- 如果运行了asserta(people(d))之后，内存中的people/1的子句就变成了下面这个样子:
- ```
people(d).
people(a).
people(b).
people(C).
```
assertz(X):
- 和asserta/1的功能类似，只不过它把X子句追加为最后一个子句。
retract(X):
- 把子句X从动态数据库中删除。此操作也是永久性的，也就是说回溯的时候不能撤销此操作。

联合

Prolog的最强大的功能之一就是它内建了模式匹配的算法——联合。

变量&任何项目：变量可以与任何项目绑定，其中也包括变量。

原始项目&原始项目：两个原始项目（原子或整数）只有当它们相同时才能联合。

结构&结构：如果两个结构的每个相应的参数能联合，那么这两个结构可以联合

为了更清楚地介绍联合操作，我们将使用Prolog的内部谓词‘=/2‘此谓词当它的两个参数能够联合时成功，反之则失败。它的语法
如下：

=(arg1,arg2)

为了方便阅读，也可以写成如下形式：

arg1 = arg2

注意：此处的等号在Prolog中的意义与其他语言中的不同。它不是数学运算符或者赋值符。

数据结构

通过把这些最简单的数据组合起来，可以生成复杂的数据类型，我们称之为结构。

结构有结构名和一定数量的参数组成。

这与以前所学过的目标和事实是一样的。

functor(arg1,arg...)

例:

location_s(object(candle, red, small, 1), kitchen).
location_s(object(apple, red, small, 1), kitchen).
location_s(object(apple, green, small, 1), kitchen).
location_s(object(table, blue, big, 50), kitchen).

Prolog的变量是没有数据类型之分的，所以它可以很容易的绑定为结构，如同它绑定为原子一样。事实上，原子就是没有参数的最简单的结构。因此可以有如下的询问:

?- location_s(X, kitchen).
X = object(candle, red, small, 1);
X = object(apple, red, small, 1);
X = object(apple, green, small, 1);
X = object(table, blue, big, 50);
no

列表

列表是一组项目的集合，此项目可以是Prolog的任何数据类型，包括结构和列表。

列表的元素由方括号括起来，项目中间便用逗号分割。

当某个列表中没有项目时我们称之为空表，使用“[]”表示。也可以使用nil来表示。下面是一般的列表形式:

[X|Y]

使用此列表可以与任意的列表匹配，匹配成功后，X绑定为列表的第一个项目的值，我们称之为表头(head) 。而Y则绑定为剩下的列表，我们称之为表尾(tail)。
例:

?- [a|[b,c,d]] = [a,b,c,d]. 
true.

上面的联合之所以成功，是因为等号两边的列表是等价的。注意表尾tail一定是列表，而表头则是一个项目，可以是表，也可以是其他的任何数据结构。下面的匹配失败，在“|”之后只能是一个列表，而不能是多个项目。
例:

?- [a|b,c,d] = [a,b,c,d].
no

含有递归的列表

例：

member(H,[H|T]).
member(X,[H|T]):-member(X,T).

谓词member/2用来判断某个项目是否在列表中。

第一个子句是边界条件，即最简单的情况：某项目是列表中的元素，如果此项目是列表的表头。

第二个子句用到了递归，其意义是：如果项目是某表的表尾tail的元素，那么它也是此列表的元素。

请注意两个member/2谓词的第二个参数都是列表。由于第二个子句中的T也是一个列表，所以可以递归地进行下去。

截断

Prolog具有能够回溯，但并不是所有的回溯都是必须的，这时我们需要能够人工地控制回溯过程。Prolog提供了完成此功能的谓词cut，使用符号!来表示。

Cut能够有效地剔除一些多余的搜索。如果在cut处产生回溯，它会自动地失败，而不去进行其它的选择。当在回溯遇到cut时，它改变了回溯的流程，它直接把控制权传给了上一级目标，而不是它左边的目标。这样第一层的中间的那个目标以及第二层!左边的子目标都不会被Prolog重新满足。

当你能够确信在谓词中的某一点只有一个答案，或者没有答案时，使用cut可以提高程序的效率，另外，如果在某种情况下你想让某个谓词强制失败，而不让它去寻找更多的答案时，使用cut也是个不错的选择。

例

事实:

data(one).
data(two).
data(three).

规则

规则中没有使用cut的情况:

cut_test_a(X) :- data(X), cut_test_a(last clause").

规则中没有使用cut的查询:

?- cut_test_a(X), write(X), nl, fail.
one
two
three
last clause
no

使用了cut之后的规则:

cut_test_b(X):- data(X), !.cut_test_b('last clause').

规则中使用了cut之后的查询:

?- cut_test_b(X),write(X),nl,fail.
one
no

流程控制

prolog程序中没有if、when、case、 for这样的控制流程语句。

使用失败来完成相同功能的内部谓词————repeat/0。

它在第一次调用时永远成功，并且在回溯时也永远成功。换句话说，流程不可能回溯通过repeat/0。
如果某个子句中有repeat/0，并且其后有fail/0谓词出现，那么将永远循环下去。使用这种方法可以编写死循环的Prolog程序。
如果在repeat/0谓词后面加入几个中间目标，并且最后使用一个测试条件结束，那么程序将一直循环到条件满足为止。这相当于其它程序语言中的"do until"。

自然语言

例：下面是两个简单的英语句子

The dog ate the bone.
The big brown mouse chases a lazy cat.

我们可以使用下面的语法规则来描述这种句子

sentence:nounphrase, verbphrase.

nounphrase:determiner, nounexpression.

nounphrase:nounexpression.

nounexpression:noun.

nounexpression:adjective、,nounexpression.

verbphrase:verb,nounphrase.

determiner:dog|bone|mouse|cat.

verb:ate|chases.

adjective:big|brown|lazy.

第一条规则说明一个句子有一个名词短语和一个动词短语构成。最后的一个规则定义了单词big，brown和lazy是一个形容词，中间的"|"表示或者的意思。

首先，来判断某个句子是合法的句子。我们编写了sentence/1谓词，它可以判断它的参数是否是一个句子。句子必须用Prolog的一种数据结构来表达，这里使用列表。

例如，前面的两个句子的Prolog表达形式如下:

[the,dog,ate,the,bone]
[the,big,brown,mouse,chases,a,lazy,cat]

分析句子的方法有两种:

第一种是选择并校样的方法（见后面的人工智能实例部分），使用这种方法，首先把句子的可能分解情况找出来，再来测试被分解的每一个部分是否合法。
第二种是我们前面已经介绍过使用append/3谓词能够把列表分成两个部分。使用这种方法，顶层的规则可以是如下形式：

sentence(L) :- append(NP,VP,L), nounphrase(NP), verbphrase(VP).

appeend/3谓词可以把列表L的所有可能的分解情况穷举出来，分解后的两个部分为NP和VP，其后的两个目标则分别测试NP和VP是否是合法的，如果不是则会产生回溯，从而测试其他的分解情况。

谓词nounphrase/1和verbphrase/1的编写方法与sentence/1基本相同，他们调用其他的谓词来判断句子中的更小的部分是否合法，直到调用到定义单词的谓词。

差异表

例：

sentence(S):- nounphrase(S-S1), verbphrase(S1-[]).

差异表由两个相关的表构成，第一个表称为全奏，而第二不表称为余表。这两个表可以作为谓词的两个参数，不过我们通常使用”-“连接这两个表，这样易于阅读。它的形式是X-Y。

我们使用差异表改写了第一条语法规则。如果能够从列表S的头开始，提取出一个名词短语，其余部分S1,并且能够从S1的头开始，提取出一个动词短语，并且其余部分为空表，那么列表S是一个句子。

差异表所表示的表是全表和余表之间的差异。