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Prolog 语言入门教程

作者: 来源:官网 时间:2019-02-05

Prolog 是一种与众不同的语言,不用来开发软件,专门解决逻辑问题。比如,"苏格拉底是人,人都会死,所以苏格拉底会死"这一类的问题。

Prolog 就是"逻辑编程"(programming of Logic)的意思。只要给出事实和规则,它会自动分析其中的逻辑关系,然后允许用户通过查询,完成复杂的逻辑运算。

本文简单介绍如何使用 Prolog 语言,主要参考了 xmonader 的教程。

一、SWI-Prolog

学习之前,请安装 Prolog 的运行环境 SWI-Prolog,才能运行后面的代码。

SWI-Prolog 官网有各个操作系统的二进制安装包,下载即可。Debian / Ubuntu 系统还可以用下面的命令。

$ sudo apt-get install swi-prolog

安装以后,Linux 系统可以命令行启动。

$ swipl ?-

然后,就进入了 Prolog 运行环境,?-是命令提示符。下面是 Hello world 的例子。

?- write("Hello, world"). Hello, world! true.

上面命令输出 Hello world。

有几个地方需要注意。Prolog 所有语句的结尾都用一个"点"(.)表示结束。write()是打印命令。命令本身就是一个表达式,输出完成以后,返回值就是true.,也会显示出来。

如果想在 Hello world 之间插入一个换行,可以使用nl命令。

?- write('Hello,'), nl, write('world'). Hello, world true.

退出 SWI-Prolog,可以使用halt命令,别忘了后面还要加一个点。

?- halt.

二、基本语法

2.1 常量和变量

Prolog 的变量和常量规则很简单:小写字母开头的字符串,就是常量;大写字母开头的字符串,就是变量。

?- write(abc). abc true. ?- write(Abc). _3386 true.

上面代码中,abc是常量,输出就是自身;Abc是变量,输出就是该变量的值。

2.2 关系和属性

两个对象之间的关系,使用括号表示。比如,jack 的朋友是 peter,写成friend(jack, peter).。

注意,jack 的朋友是 peter,不等于 peter 的朋友是 jack。如果两个人都认为对方是朋友,要写成下面这样。

friend(jack, peter). friend(peter, jack).

如果括号里面只有一个参数,就表示对象拥有该属性,比如 jack 是男性,写成male(jack).。

2.3 规则

规则是推理方法,即如何从一个论断得到另一个论断。

举例来说,我们定下一条规则:所有朋友关系都是相互的,规则写成下面这样。

friend(X, Y) :- friend(Y,X).

上面代码中,X和Y都是大写,表示这是两个变量。符号:-表示推理关系,含义是只要右边的表达式friend(Y, X)为true,那么左边的表达式friend(X, Y)也为true。因此,根据这条规则,friend(jack, peter)就可以推理得到friend(peter, jack)。

如果一条规则取决于多个条件同时为true,则条件之间使用逗号分隔。

mother(X, Y) :- child(Y,X), female(X).

上面代码中,X是Y的母亲(mother(X, Y))取决于两个条件:Y是X的小孩,X必须是女性。只有这两个条件都为true,mother(X, Y)才为true。

如果一条规则取决于某个条件为false,则在条件之前加上\+表示否定。

onesidelove(X, Y) :- loves(X, Y), \+ loves(Y,X).

上面代码中,X单相思Y,取决于两个条件。第一个条件是X喜欢Y,第二个条件是Y不喜欢X。

2.5 查询

Prolog 支持查询已经设定的条件。我们先写一个脚本hello.pl。

friend(john, julia). friend(john, jack). friend(julia, sam). friend(julia, molly).

然后在 SWI-Prolog 里面加载这个脚本。

?- [hello]. true.

上面代码中,true.是返回的结果,表示加载成功。

然后,可以查询两个人是否为朋友。

?- friend(john, jack). true. ?- friend(john, sam). false.

listing()函数可以列出所有的朋友关系。

?- listing(friend). friend(john, julia). friend(john, jack). friend(julia, sam). friend(julia, molly). true.

还可以查询john有多少个朋友。

?- friend(john, Who). Who = julia ; Who = jack.

上面代码中,Who是变量名。任意的变量名都可以,只要首字母为大写。

三、地图着色问题

下面看看 Prolog 如何解决实际问题。

我们知道,地图的相邻区域不能使用同一种颜色。现在有三种颜色:红、绿、蓝。请问如何为上面这幅地图着色?

首先,定义三种颜色。

color(red). color(green). color(blue).

然后,定义着色规则。

colorify(A,B,C,D,E) :- color(A), color(B), color(C), color(D), color(E), \+ A=B, \+ A=C, \+ A=D, \+ A=E, \+ B=C, \+ C=D, \+ D=E.

上面代码中,colorify(A,B,C,D,E)是一个对 ABCDE 五个变量求值的表达式。该表达式为true的条件是,这五个变量各自为一种颜色,则相邻的变量不相等。

最后,这两段代码合在一起,组成一个脚本map.pl,再加载这个脚本。

?- [map]. true.

执行表达式colorify(A,B,C,D,E),SWI-Prolog 就会将三种颜色依次赋值给变量,测试哪些组合是可能的结果。

?- colorify(A,B,C,D,E). A = red, B = D, D = green, C = E, E = blue; A = red, B = D, D = blue, C = E, E = green ; A = green, B = D, D = red, C = E, E = blue ; A = green, B = D, D = blue, C = E, E = red ; A = blue, B = D, D = red, C = E, E = green ; A = blue, B = D, D = green, C = E, E = red ;

可以看到,计算机给出了6组解,即有6种可行的地图着色方法。

四、谁是凶手

下面看一个比较有趣的逻辑题。

Boddy 先生死于谋杀,现有六个嫌疑犯,每个人在不同的房间,每间房间各有一件可能的凶器,但不知道嫌疑犯、房间、凶器的对应关系。请根据下面的条件和线索,找出谁是凶手。

已知条件:六个嫌疑犯是三男(George、John、Robert)三女(Barbara、Christine、Yolanda)。

man(george). man(john). man(robert). woman(barbara). woman(christine). woman(yolanda).

为了后面解题的方便,需要把"男人"和"女人"都定义为"人"。

person(X):- man(X). person(X):- woman(X).

六个嫌疑犯分别待在六个房间:浴室(Bathroom)、饭厅(Dining Room)、厨房(Kitchen)、起居室(Living Room)、 储藏室(Pantry)、书房(Study)。每间房间都有一件可疑的物品,可以当作凶器:包(Bag)、火枪(Firearm)、煤气(Gas)、刀(Knife)、毒药(Poison)、绳索(Rope)。

location(bathroom). location(dining). location(kitchen). location(livingroom). location(pantry). location(study). weapon(bag). weapon(firearm). weapon(gas). weapon(knife). weapon(poison). weapon(rope).

下面声明一条规则,每个房间的人都是不一样的。

uniq_ppl(A,B,C,D,E,F):- person(A), person(B), person(C), person(D), person(E), person(F), \+A=B, \+A=C, \+A=D, \+A=E, \+A=F, \+B=C, \+B=D, \+B=E, \+B=F, \+C=D, \+C=E, \+C=F, \+D=E, \+D=F, \+E=F.

然后,定义一个表达式murderer(X),变量X就是凶手。该表达式只有满足以下所有条件,才可能为true。

murderer(X) :- uniq_ppl(Bathroom, Dining, Kitchen, Livingroom, Pantry, Study), uniq_ppl(Bag, Firearm, Gas, Knife, Poison, Rope),

注意,上面代码中Bathroom和Bag这样的字符串,都是大写字母开头,所以都是变量,代表对应的人。至于具体是谁,就要通过推理得到。

线索一:厨房里面是一个男人,那里的凶器不是绳索、刀子、包和火枪。

man(Kitchen), \+Kitchen=Rope, \+Kitchen=Knife, \+Kitchen=Bag, \+Kitchen=Firearm,

线索二:Barbara 和 Yolanda 在浴室和书房。

woman(Bathroom), woman(Study), \+christine=Bathroom, \+christine=Study, \+barbara=Dining, \+barbara=Kitchen, \+barbara=Livingroom, \+barbara=Pantry, \+yolanda=Dining, \+yolanda=Kitchen, \+yolanda=Livingroom, \+yolanda=Pantry,

线索三:带包的那个人不是 Barbara 和 George,也不在浴室和饭厅。

\+barbara=Bag, \+george=Bag, \+Bag=Bathroom, \+Bag=Dining,

线索四:书房里面是一个带绳子的女人。

woman(Rope), Rope=Study,

线索五:起居室里面那件凶器,与 John 或 George 在一起

man(Livingroom), \+Livingroom=robert,

线索六:刀子不在饭厅。

\+Knife=Dining,

线索七:书房和食品储藏室里面的凶器,没跟 Yolanda 在一起

\+yolanda=Pantry, \+yolanda=Study,

线索八:George 所在的那间屋子有火枪。

Firearm=george,

线索九:Boddy 先生死在食品储藏室里,那里的凶器是煤气。

Pantry=Gas, Pantry=X, Gas=X,

线索就是上面这些,然后把写好的所有表达式放在一起,组成一个完整的脚本crime.pl,代码看这里。

加载这个脚本,执行murderer(X)函数,由于条件复杂,运算时间较长,最终会显示凶手是谁。

?- [crime]. true. ?- murderer(X). KILLER IS :christine Bathroom: yolanda Dining: george Livingroom: john Pantry: christine Study: barbara Kitchen: robert Knife: yolanda Gas: christine Rope: barbara Bag: john Poison: robert Firearm: george X = christine ;

(完)

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