23、Prolog语法规则：额外参数与测试的运用

Prolog语法规则：额外参数与测试的运用

1. 目标指定与额外参数添加

在将解析程序表示为语法规则后，需要指定想要其处理的目标。由于已知语法规则如何转换为普通Prolog，因此可以在Prolog中表达目标并自行添加额外参数。

1.1 手动添加参数

要添加的第一个参数是要处理的单词列表，第二个参数是剩余的列表，通常为空列表 [] 。例如：

?- sentence([the,man,eats,the,apple], []).
?- noun_phrase([the,man,sings], X).

1.2 使用内置谓词 phrase

部分Prolog实现提供内置谓词 phrase ，它会自动添加额外参数。 phrase 的定义如下：

phrase(P, L) is true if: list L can be parsed as a phrase of type P.

可以使用 phrase 替代手动添加参数的方式，例如：

?- phrase(sentence, [the,man,eats,the,apple]).

不过， phrase 的定义涉及解析整个列表并留下空列表，因此并非所有目标都能使用 phrase 替代。若Prolog实现未预定义 phrase ，可以按如下方式定义：

phrase(P,L) :- Goal=.. [P, L, []], call(Goal).

2. 额外参数的扩展

之前考虑的语法规则类型较为受限，现在考虑一种有用的扩展，即允许短语类型拥有额外参数。这一扩展仍是大多数Prolog系统提供的标准语法规则功能的一部分。

2.1 数的一致性示例

以句子中主语和动词的“数的一致性”问题为例，像 “The boys eats the apple.” 和 “The boy eat the apple.” 这样的句子不符合语法规则。为解决此问题，可以定义两种类型的句子：单数句子和复数句子。但这种方式不够优雅，更好的方法是为短语类型关联一个额外参数，以表示其单复数属性。例如：

sentence --> sentence(X).
sentence(X) --> noun_phrase(X), verb_phrase(X).
noun_phrase(X) —> determiner(X), noun(X).
verb_phrase(X) --> verb(X).
verb_phrase(X) --> verb(X), noun_phrase(Y).
noun(singular) ~> [boy].
noun(plural) ~> [boys].
determiner(_) --> [the].
verb(singular) --> [eats].
verb(plural) --> [eat].

在上述规则中， X 参数表示单复数属性，确保主语和动词的数保持一致。

2.2 额外参数的其他用途

除了数的一致性，额外参数还可用于表达其他重要信息，如记录成分的位置、记录语义信息等。但引入额外参数后，不能保证语法定义的语言仍然是上下文无关的。

2.3 生成解析树

额外参数的一个重要用途是在分析过程中返回解析树。解析树能提供句子的结构表示，便于编写处理该结构的程序。为实现这一功能，只需为每个谓词添加一个额外参数，说明如何从各个子短语的解析树构建整个短语的解析树。例如：

sentence(X, sentence(NP, VP)) -->
    noun_phrase(X, NP), verb_phrase(X, VP).

这等价于普通的Prolog子句：

sentence(X, sentence(NP, VP), SO, S) :-
    noun_phrase(X, NP, SO, SI),
    verb_phrase(X, VP, Si, S).

以下是引入构建树参数后的部分语法规则示例（为清晰起见，省略了数的一致性参数）：

sentence(sentence(NP, VP)) -->
    noun_phrase(NP), verb_phrase(VP).
verb_phrase(verb_phrase(V)) --> verb(V).
noun(noun(man)) - > [man].
verb(verb(eats)) --> [eats].

2.4 语法规则翻译机制

处理带有额外参数的语法规则的翻译机制是之前机制的简单扩展。之前为每个短语类型创建一个带有两个参数的谓词，用于表示输入序列的消耗情况。现在需要创建一个比语法规则中提及的参数多两个的谓词，这两个额外参数通常作为谓词的最后两个参数（不同Prolog系统可能有所不同）。例如，语法规则：

sentence(X) --> noun_phrase(X), verb_phrase(X).

将转换为：

sentence(X, SO, S) -->
    noun_phrase(X, SO, Si), verb_phrase(X, Si, S).

当从解释器顶层或普通Prolog规则调用涉及语法规则的目标时，必须显式添加额外参数。例如：

?- sentence(X, [a,student,eats,a,cake],[]).
?- sentence(X, [every,bird,sings,and,pigs,can,fly],L).

2.5 练习

• 练习9.1 ：在Prolog中定义一个过程 translate ，使得当 X 是之前见过的语法规则类型， Y 是表示相应Prolog子句的项时，目标 translate(X, Y) 成功。
• 练习9.2 ：编写一个新版本的 phrase ，允许使用带有额外参数的语法规则，以便可以提供如 ?- phrase(sentence(X), [the,man,sings]). 这样的目标。

3. 添加额外测试

到目前为止，解析器中语法规则提及的所有内容都与输入序列的消耗有关。但有时可能需要指定非此类的Prolog目标，语法规则形式允许这样做。约定是，任何包含在花括号 {} 内的目标都不会被翻译器修改。

3.1 优化字典示例

在解析器的“字典”中，引入新单词时会涉及大量信息。例如，添加新名词 “banana” 时，需要添加规则：

noun(singular, noun(banana)) --> [banana],

这在普通Prolog中等价于：

noun(singular, noun(banana), [banana|S], S).

为更经济地表达信息，可以将所有名词的通用信息集中表达，将特定单词的信息放在其他地方。可以混合使用语法规则和普通Prolog来实现，例如：

noun(S, noun(N)) --> [N], {is_noun(N, S)}.

其中， is_noun 谓词用于表示哪些单词是名词以及它们是单数还是复数：

is_noun(banana, singular).
is_noun(bananas, plural).
is_noun(man, singular).

目标 is_noun(N,S) 放在花括号内是因为它表达的关系与输入序列的消耗无关。若不使用花括号，它将被翻译为 is_noun(N, S, Si, S2) ，无法与 is_noun 子句匹配。正确翻译后的规则为：

noun(S, noun(N), [N|Seq], Seq) :- is_noun(N, S).

3.2 进一步优化名词定义

当前处理单个单词的方式仍不够优雅，因为每个新名词都需要编写两个 is_noun 子句（一个用于单数形式，一个用于复数形式）。对于许多名词，其单复数形式遵循简单规则：若 X 是名词的单数形式，则在 X 末尾添加 “s” 形成的单词是该名词的复数形式。可以利用此规则修改名词的定义：

noun(plural, noun(RootN)) —>
    [N],
    {atom_chars(N, Plname),
    append(RootN, [s], Plname),
    atom_chars(RootN, Singname),
    is_noun(RootN, singular)}.

此规则表达了关于复数的一般规则，但并非总是适用，仍需详尽表达例外情况。同时，注意花括号内可以放置任何能作为子句主体出现的Prolog目标或目标序列。大多数Prolog语法规则翻译器还了解某些通常不进行翻译的目标，例如 “!” 或涉及输入序列的目标析取 “;” 通常不需要放在花括号内。

4. 语法规则总结

4.1 语法规则的非正式定义

用语法规则本身来描述语法规则的语法是最佳方式，以下是一个非正式定义：

grammarj-ule —> grammarjiead, ['-->'], grammar_body.
grammar_head ~> nonterminal.
grammar_head --> nonterminal, [','], terminal.
grammar_ body --> grammar_body, [','], grammar_body.
grammarjbody —> grammarjbody, [';'], grammar_body.
grammar_ body --> grammarjbodyJtem.
grammar_ bodyJtem —> ['!'].
grammar_body_item --> ['{'],  prolog_goals,  ['}'].
grammar_bodyJtem —> nonterminal.
grammar_body_item ~> terminal.

4.2 相关概念定义

• 非终结符（nonterminal） ：表示可能占据输入序列一部分的短语类型，采用Prolog结构形式，其中函子表示短语的类别，参数提供额外信息，如数的类别、含义等。
• 终结符（terminal） ：表示可能占据输入序列一部分的多个单词，采用Prolog列表形式（可以是空列表或任意确定长度的列表），列表中的项是按给定顺序与单词匹配的Prolog项。
• Prolog目标（prolog_goals） ：任何Prolog目标，可用于表达额外测试和操作，以约束可能的分析路径，并指示如何从简单结果构建复杂结果。

4.3 翻译规则

当转换为Prolog时，Prolog目标保持不变，非终结符在显式出现的参数后插入两个额外参数，分别对应提供给短语的序列和短语留下的序列。终结符出现在非终结符的额外参数内。当从解释器顶层或普通Prolog规则调用由语法规则定义的谓词时，必须显式提供这两个额外参数。

4.4 新类型的语法规则

上述 grammar_head 的第二条规则提到了一种之前未见过的语法规则。到目前为止，终结符和非终结符仅根据它们如何消耗输入序列进行定义。有时可能需要定义向输入序列插入项的规则，例如分析祈使句。

4.5 总结表格

概念	定义
非终结符	表示短语类型，采用Prolog结构，函子表示类别，参数提供额外信息
终结符	表示多个单词，采用Prolog列表形式
Prolog目标	用于表达额外测试和操作
翻译规则	Prolog目标不变，非终结符插入两个额外参数，终结符在额外参数内

4.6 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[指定目标];
    B --> C{手动添加参数?};
    C -- 是 --> D[手动添加参数表达目标];
    C -- 否 --> E{使用phrase?};
    E -- 是 --> F[使用phrase表达目标];
    E -- 否 --> D;
    D --> G[处理额外参数扩展];
    F --> G;
    G --> H[添加额外测试];
    H --> I[总结语法规则];
    I --> J[结束];

通过以上内容，我们详细介绍了Prolog语法规则中额外参数和额外测试的使用方法，以及语法规则的总结和扩展。这些技术能帮助我们更灵活、高效地处理自然语言解析任务。

5. 额外参数与测试的实际应用案例

5.1 自然语言处理中的应用

在自然语言处理领域，Prolog语法规则的额外参数和测试功能有着广泛的应用。例如，在构建一个简单的英语句子解析器时，可以利用额外参数来处理句子的语法结构和语义信息。

5.1.1 语法结构处理

假设要解析英语句子 “The boy eats an apple.”，可以使用之前介绍的语法规则和额外参数来构建解析树。以下是一个简化的实现：

sentence(sentence(NP, VP)) -->
    noun_phrase(NP), verb_phrase(VP).

noun_phrase(noun_phrase(D, N)) -->
    determiner(D), noun(N).

verb_phrase(verb_phrase(V, NP)) -->
    verb(V), noun_phrase(NP).

determiner(determiner(the)) --> [the].
determiner(determiner(a)) --> [a].
determiner(determiner(an)) --> [an].

noun(noun(boy)) --> [boy].
noun(noun(apple)) --> [apple].

verb(verb(eats)) --> [eats].

当输入句子 “The boy eats an apple.” 时，解析器将生成如下解析树：

sentence(
    noun_phrase(
        determiner(the),
        noun(boy)
    ),
    verb_phrase(
        verb(eats),
        noun_phrase(
            determiner(an),
            noun(apple)
        )
    )
)

这个解析树清晰地展示了句子的语法结构，有助于后续的语义分析和信息提取。

5.1.2 语义信息处理

除了语法结构，还可以使用额外参数来记录句子的语义信息。例如，可以为每个短语类型添加一个额外参数来表示其语义含义。以下是一个简单的示例：

sentence(sentence(NP, VP), Sem) -->
    noun_phrase(NP, NPSem), verb_phrase(VP, VPSem),
    {combine_semantics(NPSem, VPSem, Sem)}.

noun_phrase(noun_phrase(D, N), Sem) -->
    determiner(D, DSem), noun(N, NSem),
    {combine_semantics(DSem, NSem, Sem)}.

verb_phrase(verb_phrase(V, NP), Sem) -->
    verb(V, VSem), noun_phrase(NP, NPSem),
    {combine_semantics(VSem, NPSem, Sem)}.

determiner(determiner(the), the) --> [the].
determiner(determiner(a), a) --> [a].
determiner(determiner(an), an) --> [an].

noun(noun(boy), boy) --> [boy].
noun(noun(apple), apple) --> [apple].

verb(verb(eats), eats) --> [eats].

combine_semantics(Subj, Pred, Sem) :-
    Sem =.. [Pred, Subj].

当输入句子 “The boy eats an apple.” 时，解析器将生成如下语义信息：

eats(boy(apple))

这个语义信息可以进一步用于问答系统、信息检索等自然语言处理任务。

5.2 编程语言解析中的应用

在编程语言解析领域，Prolog语法规则的额外参数和测试功能也能发挥重要作用。例如，在解析简单的算术表达式时，可以使用额外参数来处理表达式的优先级和结合性。

5.2.1 表达式解析

假设要解析算术表达式 “3 + 4 * 2”，可以使用以下语法规则：

expression(expression(Op, Left, Right)) -->
    term(Left), operator(Op), term(Right),
    {check_precedence(Op, Left, Right)}.

term(term(Num)) --> [Num], {number(Num)}.

operator(operator(+)) --> [+].
operator(operator(*)) --> [*].

check_precedence(Op, Left, Right) :-
    % 简单示例，未考虑实际优先级
    true.

当输入表达式 “3 + 4 * 2” 时，解析器将生成如下解析树：

expression(
    operator(+),
    term(3),
    expression(
        operator(*),
        term(4),
        term(2)
    )
)

这个解析树可以用于后续的表达式求值、代码生成等任务。

5.2.2 错误处理

在解析过程中，可能会遇到语法错误。可以使用额外测试来检测和处理这些错误。例如，在解析算术表达式时，如果输入的表达式包含非法字符，可以使用以下规则进行错误处理：

expression(expression(Op, Left, Right)) -->
    term(Left), operator(Op), term(Right),
    {check_precedence(Op, Left, Right)}.

term(term(Num)) --> [Num], {number(Num)}.

operator(operator(+)) --> [+].
operator(operator(*)) --> [*].

check_precedence(Op, Left, Right) :-
    % 简单示例，未考虑实际优先级
    true.

expression_error --> [Token], {not(valid_token(Token))},
    {write('Error: Invalid token '), write(Token), nl, fail}.

valid_token(Token) :-
    number(Token);
    member(Token, [+, *]).

当输入表达式 “3 + a * 2” 时，解析器将输出错误信息：

Error: Invalid token a

并终止解析过程。

6. 常见问题与解决方案

6.1 额外参数使用不当导致的问题

6.1.1 参数数量不匹配

在使用额外参数时，可能会出现参数数量不匹配的问题。例如，在调用语法规则定义的谓词时，没有提供足够的额外参数。以下是一个示例：

sentence(X) --> noun_phrase(X), verb_phrase(X).

% 错误调用
?- sentence([the,man,eats,the,apple]).

正确的调用方式应该是：

?- sentence(X, [the,man,eats,the,apple], []).

6.1.2 参数类型错误

额外参数的类型也必须正确匹配。例如，在处理数的一致性时，参数应该是 singular 或 plural 。如果传入了错误的参数类型，可能会导致解析失败。

6.2 额外测试目标的处理问题

6.2.1 目标未正确放置在花括号内

如果额外测试目标没有正确放置在花括号内，可能会被翻译器错误处理。例如：

noun(S, noun(N)) --> [N], is_noun(N, S). % 错误

正确的写法应该是：

noun(S, noun(N)) --> [N], {is_noun(N, S)}.

6.2.2 目标逻辑错误

额外测试目标的逻辑也必须正确。例如，在处理名词的单复数规则时，如果规则定义错误，可能会导致解析结果不准确。

6.3 解决方案总结

问题类型	问题描述	解决方案
额外参数使用不当	参数数量不匹配	确保在调用谓词时提供足够的额外参数
额外参数使用不当	参数类型错误	确保传入的参数类型正确
额外测试目标处理问题	目标未正确放置在花括号内	将额外测试目标放置在花括号内
额外测试目标处理问题	目标逻辑错误	检查并修正额外测试目标的逻辑

7. 总结与展望

7.1 总结

本文详细介绍了Prolog语法规则中额外参数和额外测试的使用方法。通过添加额外参数，可以处理句子的语法结构、语义信息、数的一致性等问题，并生成解析树。额外测试功能允许在解析过程中添加自定义的逻辑，如处理字典信息、优化名词定义等。同时，还介绍了语法规则的总结和翻译机制，以及在自然语言处理和编程语言解析中的实际应用案例。

7.2 展望

未来，Prolog语法规则的额外参数和测试功能有望在更多领域得到应用。例如，在语义网、知识图谱等领域，可以利用这些功能来处理复杂的语义信息和知识表示。此外，随着自然语言处理技术的不断发展，对解析器的性能和准确性要求也越来越高。可以进一步研究和优化Prolog语法规则的实现，以提高解析效率和处理复杂语言结构的能力。

7.3 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[应用场景选择];
    B --> C{自然语言处理?};
    C -- 是 --> D[处理语法结构];
    C -- 否 --> E{编程语言解析?};
    E -- 是 --> F[解析表达式];
    E -- 否 --> G[其他应用];
    D --> H[处理语义信息];
    F --> I[错误处理];
    H --> J[总结应用效果];
    I --> J;
    G --> J;
    J --> K{是否有问题?};
    K -- 是 --> L[分析问题类型];
    K -- 否 --> M[结束];
    L --> N[选择解决方案];
    N --> O[解决问题];
    O --> J;

通过以上内容，我们对Prolog语法规则的额外参数和测试功能有了更深入的了解，并探讨了它们在实际应用中的问题和解决方案。希望这些内容能帮助读者更好地利用Prolog语法规则进行自然语言处理和编程语言解析等任务。