人工智能导论IntroductiontoArtificialIntelligence

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1、 第2章 逻辑程序设计语言PROLOG 2.1 基本PROLOG 2.2 Turbo PROLOG程序设计 2.1 基本PROLOG 2.1.1 PROLOG的语句 1.1.事实事实(fact)(fact)格式 谓词名(项表).student(john).like(mary,music).abc.repeat.功能 一般表示对象的性质或关系。2.2.规则规则(rule)(rule)格式 谓词名(项表):-谓词名(项表),谓词名(项表).bird(X):-animal(X),has(X,feather).grandfather(X,Y):-father(X,Z),father(Z,Y).run:

2、-start,step1(X),step2(X),end.功能 一般表示对象间的因果关系、蕴含关系或对应关系。3.问题(question)格式?-谓词名(项表),谓词名(项表).?-student(john).?-like(mary,X).功能问题表示用户的询问,它就是程序运行的目标。2.1.2 PROLOG的程序 PROLOG程序一般由一组事实、规则和问题组成。问题是程序执行的起点,称为程序的目标。likes(bell,sports).likes(mary,music).likes(mary,sports).likes(jane,smith).friend(john,X):-likes(X,

3、reading),likes(X,music).friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music).?-friend(john,Y).?-likes(mary,X).或?-likes(mary,music).或?-friend(X,Y).或?-likes(bell,sports),likes(mary,music),friend(john,X).2.1.3 PROLOG程序的运行机理 1.1.自由变量与约束变量自由变量与约束变量 2.2.匹配合一匹配合一 两个谓词可匹配合一,是指两个谓词的名相同,参量项的个数相同,参量类型对应相同,并且对应参量项还满足

4、下列条件之一：(1)如果两个都是常量,则必须完全相同。(2)如果两个都是约束变量,则两个约束值必须相同。(3)如果其中一个是常量,一个是约束变量,则约束值与常量必须相同。(4)至少有一个是自由变量。考虑下面的各组谓词是否可匹配合一？pre1(ob1,ob2,Z)pre1(ob1,ob3,Y)pre1(ob1,ob2,Z)pre1(ob1,X,ob3)pre1(ob1,ob2,Z)pre1(ob1,X,Y)3.3.回溯回溯 所谓回溯,就是在程序运行期间,当某一个子目标不能满足(即谓词匹配失败)时,控制就返回到前一个已经满足的子目标(如果存在的话),并撤消其有关变量的约束值,然后再使其重新满足。成

5、功后,再继续满足原子目标。如果失败的子目标前再无子目标,则控制就返回到该子目标的上一级目标(即该子目标谓词所在规则的头部)使它重新匹配。回溯也是PROLOG的一个重要机制。likes(bell,sports).likes(mary,music).likes(mary,sports).likes(jane,smith).friend(john,X):-likes(X,reading),likes(X,music).friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music).?-friend(john,Y).则求解目标为 friend(john,Y).新目标 li

6、kes(X,reading),likes(X,music).2.2 Turbo PROLOG程序设计2.2.1 程序结构 /*注 释 */编译指令 constants 常量说明 domains 域说明 database 数据库说明 predicates 谓词说明 goal 目标语句 clauses 子句集 例例 如果把上节的例子程序作为Turbo PROLOG程序,则应改写为：DOMAINS name=symbol PREDICATES likes(name,name).friend(name,name)GOAL friend(john,Y),write(Y=,Y).CLAUSES likes

7、(bell,sports).likes(mary,music).likes(mary,sports).likes(jane,smith).friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music).friend(john,X):-likes(X,reading),likes(X,music).领域段该段说明程序谓词中所有参量项所属的领域。Turbo PROLOG的标准领域包括整数、实数、符号、串和符号等,其具体说明如下表所示。谓词段 该段说明程序中用到的谓词的名和参量项的名(但Turbo PROLOG 的内部谓词无须说明)子句段 该段是Turbo PROLOG

8、程序的核心,程序中的所有事实和规则就放在这里,系统在试图满足程序的目标时就对它们进行操作。目标段 该段是放置程序目标的地方。目标段可以只有一个目标谓词,例如上面的例子中就只有一个目标谓词；也可以含有多个目标谓词,如 goal readint(X),Y=X+3,write(Y=,Y).就有三个目标谓词。这种目标称为复合目标。2.2.2 数据与表达式1.1.领域领域 1)标准领域 整数、实数、字符、串和符号 2)结构 结构也称复合对象,一般形式为 函子(参量表)likes(Tom,sports(football,basketball,table_tennis).reading(王宏,book(人工

9、智能技术导论,西安电子科技大学出版社).friend(father(Li),father(Zhao).复合对象在程序中的说明,需分层进行。例如,对于上面的谓词 likes(Tom,sports(football,basketball,table_tennis).在程序中可说明如下：domains name=symbol sy=symbol sp=sports(sy,sy,sy)predicates likes(name,sp)3)表 表的一般形式 x1,x2,xn 其中xi(i=1,2,n)为PROLOG的项,一般要求同一个表的元素必须属于同一领域。不含任何元素的表称为空表,记为。1,2,3

10、apple,orange,banana,grape,cane PROLOG,PROGRAMMING,in logic a,b,c,d,e name(LiMing),age(20),sex(male),addr(xian)表的说明方法是在其组成元素的说明符后加一个星号*。如：domains lists=string*predicates pl(lists)例如，谓词 p(name(Liming),age(20)则需这样说明:domains rec=seg*seg=name(string);age(integer)predicates p(rec)2.2.常量与变量常量与变量 Turbo PROL

11、OG的常量有整数、实数、字符、串、符号、结构、表和文件这八种数据类型。同理,Turbo PROLOG的变量也就有这八种取值。另外,变量名要求必须是以大写字母或下划线开头的字母、数字和下划线序列,或者只有一个下划线。这后一种变量称为无名变量。3.3.算术表达式算术表达式 Turbo PROLOG提供了五种最基本的算术运算：加、减、乘、除和取模,相应运算符号为+、-、*、/、mod。这五种运算的顺序为：*、/、mod优先于+、-。数学中的算术表达式 PROLOG中的算术表达式 x+yz X+Y*Z ab-c/d A*B-C/D u mod v U mod V Y=X+5 X=X+1 4.4.关系表

12、达式关系表达式 Turbo PROLOG提供了六种常用的关系运算,即小于、小于或等于、等于、大于、大于或等于和不等于,其运算符依次为 ,=,数学中的关系式 Turbo PROLOG中的关系式 X+1Y X+1=Y XY XY brother(Name1,Name2):-person(Name1,man,Age1),person(Name2,man,Age2),mother(Z,Name1),mother(Z,Name2),Age1Age2.“=”的用法：比较符和约束符 p(X,Y,Z):-Z=X+Y.当变量X、Y、Z全部被实例化时,“=”就是比较符。如：对于问题 Goal:p(3,5,8).机

13、器回答：yes。而对于 Goal:p(3,5,7).机器回答：no。但当X,Y被实例化,而Z未被实例化时,“=”号就是约束符。如：Goal:p(3,5,Z).机器回答：Z=8这时,机器使Z实例化为X+Y的结果。2.2.3 输入与输出 (1)readln(X)(2)readint(X)(3)readreal(X)(4)readchar(X)(5)write(X1,X2,Xn)(6)nl 例 用输入输出谓词编写一个简单的成绩 数据库查询程序。PREDICATES student(integer,string,real)grade GOAL grade.CLAUSES student(1,张三,90

14、.2).student(2,李四,95.5).student(3,王五,96.4).grade:-write(请输入姓名:),readln(Name),student(_,Name,Score),nl,write(Name,的成绩是,Score).grade:-write(对不起,找不到这个学生!).2.2.4 分支与循环1.1.分支分支 将 IF x0 THEN x:=1 ELSE x:=0用PROLOG实现则可以是 br:-x0,x=1.br:-x=0.2.2.循环循环 程序1：student(1,张三,90.2).student(2,李四,95.5).student(3,王五,96.4)

15、.print:-student(Number,Name,Score),write(Number,Name,Score),nl,Number=3.程序2：student(1,张三,90.2).student(2,李四,95.5).student(3,王五,96.4).print:-student(Number,Name,Score),write(Number,Name,Score),nl,fail.print:-.2.2.5 动态数据库 动态数据库操作谓词:asserta(fact).assertz(fact).retract(fact).例 asserta(student(20,李明,90.5

16、).retract(student(20,_,_).2.2.6 表处理与递归 1.表头与表尾 表头是表中的第一个元素；表尾是表中除第一个元素外的其余元素按原来顺序组成的表。表头与表尾示例 表 表头 表尾 2.表的匹配合一 表的匹配合一示例 表1 表2 合一后的变量值 X=a,Y=X=a,Y=X=a,Y=X=a,Y=a X X=a,Y=例 设计一个能判断对象X是表L的成员的程序。分析分析：(1)如果X与表L中的第一个元素(即表头)是同一个对象,则X就是L的成员。(2)如果X是L的尾部的成员,则X也就是L的成员。程序程序：member(X,X|_).member(X,Head|Tail):-mem

17、ber(X,Tail).Goal:member(a,a,b,c,d).yes Goal:member(e,a,b,c,d).no Goal:member(X,a,b,c,d).X=a 例 表的拼接程序,即把两个表连接成一个表。append(,L,L).append(H|T,L2,H|Tn):-append(T,L2,Tn).Goal:append(1,2,3,4,5,L).L=1,2,3,4,5 Goal:append(1,2,3,4,5,1,2,3,4,5).yes Goal:append(1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,6).no Goal:append(1,2,3,Y,1,2,3

18、,4,5).Y=4,5 Goal:append(X,4,5,1,2,3,4,5).X=1,2,3 Goal:append(X,Y,1,2,3,4,5).X=,Y=1,2,3,4,5 X=1,Y=2,3,4,5 X=1,2,Y=3,4,5 X=1,2,3,Y=4,5 例 表的输出。print().print(H|T):-write(H),print(T).例 表的倒置,即求一个表的逆序表。reverse(,).reverse(H|T,L):-reverse(T,L1),append(L1,H,L).2.2.7 回溯控制 截断谓词“!”的语义：(1)若将“!”插在子句体内作为一个子目标,它总是立即

19、成功。(2)若“!”位于子句体的最后,则它就阻止对它所在子句的头谓词的所有子句的回溯访问,而让回溯跳过该头谓词(子目标),去访问前一个子目标(如果有的话)。(3)若“!”位于其他位置,则当其后发生回溯且回溯到“!”处时,就在此处失败,并且“!”还使它所在子句的头谓词(子目标)整个失败(即阻止再去访问头谓词的其余子句(如果有的话),即迫使系统直接回溯到该头谓词(子目标)的前一个子目标(如果有的话)。例 考虑下面的程序：p(a).(2-1)p(b).(2-2)q(b).(2-3)r(X):-p(X),q(X).(2-4)r(c).对于目标:r(Y).可有一个解 Y=b 但当把式(2-4)改为 r(

20、X):-p(X),!,q(X).(2-4)时,却无解。为什么呢？例 设有程序：g0:-g11,g12,g13.(2-5)g0:-g14.(2-6)g12:-g21,!,g23.(2-7)g12:-g24,g25.(2-8)给出目标:g0.把子句(2-7)改为 g12:-g21,g23,!.(2-9)2.2.8 程序举例例 一个简单的路径查询程序。predicates road(symbol,symbol)path(symbol,symbol)clauses road(a,b).road(a,c).road(b,d).road(c,d).road(d,e).road(b,e).path(X,Y)

21、:-road(X,Y).path(X,Y):-road(X,Z),path(Z,Y).Goal:path(a,e).yesyesGoal:path(e,a).nonoGoal：run.run:-path(a,X),write(X=,X),nl,fail.run.X=bX=b X=cX=c X=dX=d X=eX=e X=dX=d X=eX=e X=eX=e 例 下面是一个求阶乘程序,程序中使用了递归。domains n,f=integer predicates factorial(n,f)goal readint(I),factorial(I,F),write(I,!=,F).clauses factorial(1,1).factorial(N,Res):-N0,N1=N-1,factorial(N1,FacN1),Res=N*FacN1.