七周七语言——Prolog（一）

最新推荐文章于 2022-05-09 23:51:59 发布

isksk

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分类专栏：七周七语言文章标签：七周七语言 Prolog 读书笔记

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Prolog是一种声明式语言，不同于命令式语言，它基于事实和推论进行逻辑推理。本文介绍了Prolog的基本概念，包括事实、规则和查询，并通过地图着色问题展示其基本推论过程。

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Io和Ruby（前两章的语言，后续会补上）被称为命令式语言。命令式语言就是我们需要准确的告诉计算机怎么完成一件任务，每一个细节都需要我们设计好。但是Prolog不同，它是一门声明式语言，我们只需要给他一些事实（fact）和推论（inference），并让他为我们推断。我们不需要告诉电脑怎么做，电脑会自动做出推断。

1 关于Prolog

Prolog是一门逻辑编程语言，它于1972年由Alain Colmerauer和Phillipe Roussel开发完成，在自然语言处理领域颇受欢迎。和SQL一样，Prolog基于数据库，但是其数据有逻辑规则和关系构成；Prolog由两部分组成：一部分用于描述数据，另一部分用于查询数据。下面是基本构建单元。

事实。事实是关于真实世界的基本断言。
规则。规则是关于真实世界中一些事实的推论。
查询。查询是关于真实世界的一个问题。

下面我们来具体看一看Prolog的语法规则，揭开它的神秘面纱。

2 基本概况

Prolog中，第一个字母的大小写有重要含义，如果一个词以小写字母开头，他就是一个原子（atom）—— 一个类似ruby符号的固定值，如果一个词以大写字母或下划线开头，那么他就是一个变量。变量的值可以改变，但是原子不能。下面看个具体的例子，可以帮助我们理解这两个概念。

likes(wallace,cheese).
likes(grommit,cheese).
likes(wendolene,sheep).

friend(X,Y):-\+(X=Y),likes(X,Z),likes(Y,Z).

这几行代码可以这样理解：前三行语句是事实，最后一行语句是一个规则。wallace，grommit，wendolene都是原子。我们可以这么说，wallace喜欢cheese，grommit喜欢cheese，wendolene喜欢sheep。现在我们可以问一些问题了，Prolog会用yes或no来回答。比如：

|?-likes(wallace,sheep).

no
|?-likes(grommit,cheese).

yes

这两个问题都很好理解，wallace喜欢sheep吗？（No.）grommit喜欢cheese吗？（Yes.）

3 基本推论

我们来测试一下friend规则：

|?-friend(wallace,wallace).

no

在规则中，如果X是Y的朋友，那么X就不可能与Y相同。看看:-右边的第一部分吧，这部分被称为一个子目标。\+执行逻辑取反操作，这样\+(X=Y)的意思就是X不等于Y。

再来做一些查询：

|?-friend(grommit,wallace).

yes
|?-friend(wallace,grommit).

yes

深入分析一下这几行代码：首先X不等于Y，满足第一个子目标。查询将使用第二个和第三个子目标：likes(X,Z)和likes(Y,Z)。grommit和wallace都喜欢cheese，所以满足了第二个和第三个子目标，返回yes。

下面来正式介绍一下这个术语：friend(X,Y):-\+(X=Y),likes(X,Z),likes(Y,Z).我们把这个规则称作friend/2，即有两个参数的friend规则的缩写。这个规则拥有三个用逗号（可以理解为“与”）分隔的子目标。当所有子目标为真时，这个规则才是真。

4 填空

我们还可以使用逻辑引擎为一个查询找出所有可能的匹配。为此，我们需要在查询中指定一个变量。考虑下面知识库：

food_type(velveeta,cheese).
food_type(ritz,cracker).
food_type(spam,meat).
food_type(sausage,meat).
food_type(jolt,soda).
food_type(twinkie,dessert).

flavor(sweet,dessert).
flavor(savory,meat).
flavor(savory,cheese).
flavor(sweet,soda).

food_flavor(X,Y):-food_type(X,Z),flavor(Y,Z).

我们给出一些事实，如food_type(velveeta,cheese)，意思是一种食物有一定的类型。另外一些如flavor(sweet,dessert)，意思是一种食物类型有特有的味道。最后我们给出一个名为food_flavor的规则，它可以推断出食物的味道。如果食物X属于Z类食物且Z也具有味道Y，则食物X具有food_flavor Y。

我可以问一些问题：

|?-food_type(What,meat).

What=spam?;

What=sausage?;

no

我们请求Prolog，“找出一些满足查询food_type(What,meat)的值。”Prolog找到了一个spam（注意，这里的What是一个变量，你可以用任意一个变量代替他，只要是以大写字母开头）。输入；，请求下一个，他返回了sausage。接下来，请求另一个值，返回no。这里有些诡异，为方便起见，如果在剩余部分中Prolog检测不到其他可选项，你将看到一个yes。如果Prolog在未经更多计算的情况下不能立刻判定是否还有更多选项，那么他将提示你查询下一个并返回no。（这里不是很理解，它是想说如果Prolog在短时间内不能查询到结果，就返回no，以便不让程序员久等？但是这不能说明没有满足要求的结果？如果读者看懂了，希望给我留言，解答我的困惑，3Q

）

我们也可以让Prolog把各种事实串到一起：

|?-food_flavor(What,savory).

What=velveeta?;

What=spam?;

What=sausage?;

no

(1) 地图着色

我们要给美国东南部的地图着色（图略），我们不想两个接壤的州具有相同的颜色。

different(red,green).different(red,blue).
different(green,red).different(freen,blue).
different(blue,red).different(blue,green).
coloring(Alabama,Mississippi,Georgia,Tennessee,Florida):-
different(Mississippi,Tennessee),
different(Mississippi,Alabama),
different(Alabama,Tennessee),
different(Alabama,Mississippi),
different(Alabama,Georgia),
different(Alabama,Florida),
different(Georgia,Florida),
different(Georgia,Tennessee).

我们有三种颜色，对五个州着色。在coloring规则中，告诉Prolog中各个州（用五个不同的变量表示州）的接壤关系。下面我们测试一下：

|?-coloring(Alabama,Mississippi,Georgia,Tennessee,Florida).

Alabama=blue
Florida=green
Georgia=red
Mississippi=red
Tennessee=green?

也可以输入a得到另外几种着色组合。

5 合一，第一部分

考虑下面的知识库：

cat(lion).
cat(tiger).

dorothy(X,Y,Z):-X=lion,Y=tiger,Z=bear.
twin_cats(X,Y):-cat(X),cat(Y).

|?-dorothy(lion,tiger,bear).

yes

在这个例子中，=意为合一，或者说使等号两侧相同（本人理解类似于java中的==）。合一的意思就是“找出那些使规则两侧匹配的值”。在右侧，Prolog将X、Y和Z分别绑定为lion、tiger和bear。这些值与左侧相应的值匹配，所以合一是成功的。我们为他再增加点趣味，合一在规则的两侧都能工作。

|?-dorothy(One,Two,Three).

One=lion
Three=bear
Two=tiger

yes

这个例子多了一个间接层。在子目标中，Prolog使得X、Y和Z分别与lion、tiger和bear合一。在左侧，Prolog使得X、Y和Z分别与One、Two和Three合一，然后报告结果。

然后，让我们试一下最后那条规则twin_cats/2。

|?-twin_cats(One,Two).

One=lion
Two=lion?

Prolog报告了第一种可能。lion和lion都是cat。我们来看一下它是怎么得到这个结果的。

我们发起查询twin_cats(One,Two)。Prolog将One绑定到X，将Two绑定到Y。要处理这个查询，Prolog必须从下述这些目标开始。
第一个目标是cat(X)。
我们有两个事实用于匹配，cat(lion)和cat(tiger)。Prolog尝试第一个事实，将X绑定到lion，然后继续下一个目标。
Prolog现在绑定Y到cat(Y)。Prolog使用与处理第一个目标完全相同的办法处理这个目标，选择lion。
我们已经满足了两个目标，所以这个规则为真。Prolog报告可以让规则为真的One和Two的值，并且报告yes。

有些时候，一个解决方法就足够了，但是有时候一个方法可能不够用。现在可以用“；”符号逐个得到其余的解决方法，也可以输入a获得剩余的所有解决方法。

Two=lion?a

One=lion
Two=tiger

One=tiger
Two=lion

One=tiger
Two=tiger

(1 ms)yes

第一天就给大家带来这些了，以后每天会陆续更新读书笔记，跟大家分享，如果你有疑问，请留言，我会尽力解答～