Prolog语言及程序设计.pptx

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1、PROLOG语言及程序设计,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(Pro

2、gramming 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开发环境,1、Turbo Prolog开发与turbo C类似，集成了简单的编辑、编译、调试功能。可以很快的上手，但是在MS-DOS环境下运行。2、PDC Prolog速度快。编译及运行速度都很快，产生的代码非常紧凑。用户界面友好。提供了图形化的集成开发环境。提供了与其他语言（如C、Pascal、Fortran等）的接口。

3、Prolog和其他语言可以相互调用对方的子程序。3、Visual PrologVisual Prolog是基于Prolog语言的智能可视化集成开发环境。Visual Prolog包含一个全部使用Visual Prolog语言写成的有效的开发环境，包含对话框、菜单、工具栏等编辑功能。Visual Prolog与SQL数据库系统、C+开发系统、以及Visual Basic、Delphi或Visual Age等编程语言一样，也可以用来轻松地开发各种应用。4、Amzi!Prologamzi-prolog，这是到目前为止使用的prolog最好用的开发环境。其实就是在Eclipse中集成了prolog的模

4、块。熟悉Eclipse的人使用起来应该会很亲切。所有的编辑、编译、调试都是界面化操作，非常方便。,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。、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(bill，book).表示一个名为like的关系，对象bill和book之间有喜欢的关系。、规则规则由几个互相有依赖性的简单句（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

5、提谓词组成。例如，bird(X):-animal(X),has(X,feather).表示凡是动物并且有羽毛，那么它就是鸟。、目标（问题）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？”,事实,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

6、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。,事实,例：door(kitchen,office).?-door(X,office).X=kitchen;X=no.prolog不允许使用除了基本字符以外字符，不允许使用汉

7、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。上面的“;”是人工输入的，当解释器找到一个答案之后，它将这个答案输出，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（unbinds）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（backtracking）。如果输入的是别的符号，解释器将终止查询。最后那个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

8、是输出no.来终止查询。,规则,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。例：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就把此规则的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

9、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。,查询谓词间的并且关系,例：?-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

10、上面的查询只有找到某一个X的值，使得两个目标都成立时，才算查询成功。,规则子句间的或者关系,例：connect(X,Y):-door(X,Y).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

11、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，n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。其语法形式如下：X

12、is 变量X将被赋值为表达式的值，在回溯时不赋值。例：?-X is 2+2.X=4我们还可以使用括号，例：?-X is 3*(4+2).X=18除了is以外，Prolog还提供了一些用来比较大小的操作符。X Y X=Y 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库中。它和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pe

13、ople/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(Unification)。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

14、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。结构由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,arg2,.)例：location_s(object(candle,red,small,1),kitchen).loca

15、tion_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=obje

16、ct(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，项目中间使用逗号分割。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.yes 上面的联合之所以成功，是因为等号两边的列表是等价的。

17、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

18、个列表，所以可以递归地进行下去。,操作符,所有的数学操作符都是Prolog的基本符号，例如-/2、+/2、-/1。使用谓词display/1可以看到它们的标准的语法结构。例：?-display(2+2).+(2,2)使用内部谓词op/3来定义操作符，它的三个参数分别是：优先权、结合性、操作符名称。每个操作符有不同的优先权值，从1到1200。当某句中有多个操作符时，优先权高的将先被考虑。优先权值越小优先权越高。结合性使用模板来定义，例如中缀操作符使用“xfx”来定义。“f”表示操作符的位置。定义room/2谓词和location/2谓词：room(kitchen).location(apple,

19、kitchen).下面我们将重新编写location/2谓词，并改名为is_in/2。is_in(apple,room(kitchen).使用op/3谓词把is_in/2定义为操作符，优先权值为35。?-op(35,xfx,is_in).,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

20、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。,截断,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.onetwothreelast cl

21、auseno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.oneno,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

22、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:(句子）nounphrase,verbphrase.nounphrase:（名词短语）determiner,nounexpression.nounphrase:（名词短语）nounexpression.,nounex

23、pression:noun.nounexpression:adjective（形容词）,nounexpression.verbphrase:（动词短语）verb,nounphrase.determiner:（限定词）the|a.noun:（名词）dog|bone|mouse|cat.verb:（动词）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是形容词，中间的“|”表示或者的意思。,自然语言,首先，来判断某个句子是否是合法的句子。我们编写了sentence/1

24、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,bonethe,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。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的形式：sentence(L):-append(NP,VP,L),nounphra

25、se(NP),verbphrase(VP).append/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，它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，第一个表称为全表，而第二个表称为余表。这两个表可以作为谓词的两个参

26、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。,Prolog程序设计,背景：这是一个文字的冒险游戏，你所扮演的角色是一个三岁的小女孩，你想睡觉了，可是没有毛毯（nani）你就不能安心的睡觉。所以你必须在那个大房子中找到你的毛毯，这就是你的任务。程序运行环境：Windows 7操作系统Amzi!Prolog 3.5 开发环境,程序流程图,涉及谓词及规则,涉

27、及谓词：room(X)%有房间Xlocation(X,Y)%Y房间有物品Xdoor(X,Y)%X房间有到Y房间的门涉及规则：connect(X,Y):-door(X,Y).%X房间到Y房间有门connect(X,Y):-door(Y,X).%Y房间到X房间有门member(X,X|Y).%X在列表头中member(X,Y|Z):-member(X,Z).%X在列表尾中,涉及谓词及规则,%能到X房间的条件是当前在H房间，并且H与X有门can_go(State,X):-get_state(State,here,H),connect(X,H).can_go(_,X):-write(You cant

28、get there from here),nl,fail.%可以拿X物品的条件是当前在H房间，并且H房间有X物品can_take(State,X):-get_state(State,here,H),get_state(State,location,H/X).can_take(State,X):-write(it is not here),nl,fail.%能到地下室的条件是可以到达地下室，并且有手电筒，%且手电筒打开can_go_cellar(State):-can_go(State,cellar),!,cellar_puzzle(State).cellar_puzzle(State):-get_state(State,have,flashlight),get_state(State,status,flashlight/on).cellar_puzzle(_):-write(Its dark in the cellar),nl,fail.,程序运行结果,程序运行结果,Thank you!,