Prolog 语言入门教程
- 2020 年 1 月 21 日
- 笔记
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 ;
