人工智能概论 第2章课件

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1、1,第1篇 概述与工具第2章 逻辑程序设计语言,华南师范大学 教育信息技术学院 郑云翔,2,提纲,PROLOG简介 基本PROLOG Turbo PROLOG程序设计,3,PROLOG简介,Prolog(Programming in Logic的缩写)是一种逻辑编程语言 建立在逻辑学的理论基础之上，最初被运用于自然语言等研究领域，现在已广泛应用在人工智能的研究中，可以用来建造专家系统、自然语言理解、智能知识库等，同时对一些通常的应用程序的编写也很有帮助 使用它能够比其他的语言更快速地开发程序，因为它的编程方法更像是使用逻辑的语言来描述程序,4,PROLOG简介,PROLOG的特点： prolo

2、g程序没有特定的运行顺序，其运行顺序是由计算机决定的，而不是编程序的人 prolog程序中没有if、when、case、for这样的控制流程语句 prolog程序和数据高度统一 prolog程序实际上是一个智能数据库 强大的递归功能,5,PROLOG简介,Prolog语言最早是由法国马赛大学的Colmerauer和他的研究小组于1972年研制成功 早期的Prolog版本都是解释型的，自1986年美国Borland公司推出编译型Prolog，即Turbo Prolog以后，Prolog便很快在PC机上流行起来。后来又经历了PDC PROLOG、Visual Prolog不同版本的发展 PROLO

3、G有很多版本和方言： Turbo Prolog、SWI-Prolog、Visual-Prolog、Amzi-Prolog 1972年后，分支出很多方言，最主要的是Edinburgh和Aix-Marseille,6,PROLOG简介,Turbo Prolog： 由美国Prolog开发中心(Prolog Development Center, PDC)1986年开发成功，Borland公司对外发行，其1.0、2.0、2.1版本取名为Turbo Prolog，主要在IBM PC系列计算机，MS-DOS环境下运行 Turbo Prolog的开发与Turbo C类似，集成了简单的编辑、编译、调试功能，可

4、以很快上手，但是感觉回到了DOS时代，没有鼠标的帮助始终不方便,7,PROLOG简介,PDC Prolog： 1990年后，PDC推出新的版本，更名为PDC Prolog 3.0，3.2，把运行环境扩展到OS/2操作系统，并且向全世界发行。其特点包括： 编译及运行速度都很快，产生的代码非常紧凑 用户界面友好，提供了图形化的集成开发环境 提供了强有力的外部数据库系统 用户可以创建自己的专用编程语言、推理机、专家系统外壳或程序接口 提供了与其他语言(如C、Pascal、Fortran等)的接口 具有强大的图形功能,8,PROLOG简介,SWI-Prolog： 该版本规定不经过注册的开发环境，不可以

5、直接编译生成可执行文件。所以这个版本仅仅用于开发。其特点包括： 鼠标支持 拥有独立的编辑窗口，支持高亮操作 控制台窗口独立 可直接控制编译、调试的功能,9,PROLOG简介,Visual-Prolog： 基于Prolog语言的可视化集成开发环境，是PDC推出的基于Windows环境的智能化编程工具 在美国、西欧、日本、加拿大、澳大利亚等国家和地区十分流行，是国际上研究和开发智能化应用的主流工具之一 具有模式匹配、递归、回溯、对象机制、事实数据库和谓词库等强大功能，包含构建大型应用程序所需要的一切特性,10,PROLOG简介,Amzi-Prolog： 在Eclipse中集成了Prolog的模块

6、所有的编辑、编译、调试都是界面化操作 从协议上限制了使用的范围和时间,11,PROLOG简介,这些不同版本的PROLOG语言的核心部分是一样的，称为基本PROLOG,12,提纲,PROLOG简介 基本PROLOG Turbo PROLOG程序设计,13,基本PROLOG,PROLOG的语句： 事实(fact) 格式：谓词名(项表). 其中： 谓词名是以小写英文字母打头的字母、 数字、 下划线等组成的字符串 项表是以逗号隔开的项序列 项包括由常量或变量表示的简单对象以及函数、 结构和表等 即事实的形式是一个原子谓词公式,14,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 事实(续) 例如：stu

7、dent(john). like(mary,music).就是PROLOG中的两个合法事实 事实就是Horn子句逻辑中的无条件子句，但形式略有不同,15,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 事实(续) 一般表示对象的性质或关系 例如上面的两个事实就分别表示“约翰是学生”和“玛丽喜欢音乐” 作为特殊情形，一个事实也可以只有谓词名而无参量，如： abc. repeat. 等也是允许的,16,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 规则(rule) 格式：谓词名(项表) :-谓词名(项表),谓词名(项表). 其中： “:-”号表示“if”(也可以直接写为if)，其左部的谓词是规则的结

8、论(亦称为头)，右部的谓词是规则的前提(亦称为体) 表示零次或多次重复 逗号表示and(逻辑与) 规则的形式是一个逻辑蕴含式,17,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 规则(续) 例如： bird(X):-animal(X),has(X,feather). grandfather(X,Y):-father(X,Z),father(Z,Y). 就是PROLOG的合法规则,18,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 规则(续) 一般表示对象间的因果关系、蕴含关系或对应关系 如，上面第一条规则就表示“如果X是动物，并且X有羽毛，则X是鸟”；第二条规则就表示“X是Y的祖父，如果存在Z

9、，X是Z的父亲并且Z又是Y的父亲” 作为特殊情形，规则中的谓词也可以只有谓词名而无参量，如： run:-start,step1(X),step2(X),end. 也是一个合法规则,19,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 问题(question) 格式：?-谓词名(项表),谓词名(项表). 例如： ? - student(john). ? - like(mary,X). 就是两个合法的问题,20,基本PROLOG,PROLOG的语句(续)： 问题(续) 问题也就是Horn子句逻辑中的目标子句，只是形式略有不同 问题表示用户的询问，它就是程序运行的目标 例如，上面的第一个问题的意思是“

10、约翰是学生吗？”，第二个问题的意思是“玛丽喜欢谁？” 问题可以与规则及事实同时一起给出，也可以在程序运行时临时给出,21,基本PROLOG,PROLOG的程序：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。例如下面就是一个PROLOG程序： 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,mu

11、sic). ?-friend(john,Y).,事实,规则,问题,22,基本PROLOG,PROLOG的程序(续)： 这个程序的事实描述了一些对象(包括人和事物)间的关系 规则描述了john交朋友的条件，即如果一个人喜欢读书并且喜欢音乐(或者喜欢运动和喜欢音乐)，则这个人就是john的朋友 程序中的问题是“约翰的朋友是谁？”,23,基本PROLOG,PROLOG的程序(续)： 规则和事实可连续排列在一起，其顺序可随意安排，但同一谓词名的事实或规则必须集中排列在一起 问题不能与规则及事实排在一起，它作为程序的目标要么单独列出，要么在程序运行时临时给出,24,基本PROLOG,PROLOG的程序(

12、续)： 目标可以变化，也可以含有多个语句(上例中只有一个)。如果有多个语句，则这些语句称为子目标。例如对上面的程序，其问题也可以是： ?-likes(mary,X). 或 ?-likes(mary,music). 或 ?-friend(X,Y). 或 ?-likes(bell,sports), likes(mary,music), friend(john,X).,此时，只有各子目标均求解成功，整个目标才成功,25,基本PROLOG,PROLOG的程序(续)： PROLOG程序中的事实或规则一般称为它们对应谓词的子句，例如上面程序中的前四句都是谓词likes的子句 从语句形式和程序组成来看，PR

13、OLOG就是一种基于Horn子句的逻辑程序。这种程序要求用事实和规则来求证询问，即证明所给出的条件子句和无条件子句与目标子句是矛盾的，或者说程序中的子句集是不可满足的这就是所谓的PROLOG的说明性语义,26,基本PROLOG,PROLOG的程序(续)： Horn子句的描述能力很强，所以PROLOG的描述能力也很强： 当它的事实和规则描述的是某一学科的公理，那么问题就是待证的命题 当事实和规则描述的是某些数据和关系，那么问题就是数据查询语句 当事实和规则描述的是某领域的知识，那么问题就是利用这些知识求解的问题 当事实和规则描述的是某初始状态和状态变化规律，那么问题就是目标状态,27,基本PRO

14、LOG,PROLOG的程序(续)： 同过程性语言相比，一个PROLOG程序，其问题就相当于主程序，其规则就相当于子程序，而其事实就相当于数据,28,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理： 自由变量与约束变量： 自由变量：无值的变量；约束变量：有值的变量 一个变量取了某值就说该变量约束于某值，或者说该变量被某值所约束，或者说该变量被某值实例化了 在程序运行期间，一个自由变量可以被实例化而成为约束变量；反之，一个约束变量也可被解除其值而成为自由变量,29,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理(续)： 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

15、相同，并且对应参量项还满足下列条件之一： 如果两个都是常量，则必须完全相同 如果两个都是约束变量，则两个约束值必须相同 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 至少有一个是自由变量,30,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理(续)： 匹配合一(续)： 例如：下面的两个谓词 pre1(ob1,ob2,Z) pre1(ob1,X, Y) 只有当变量X被约束为ob2，且Y、 Z的约束值相同或者至少有一个是自由变量时，它们才是匹配合一的,31,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理(续)： 匹配合一(续)： 合一是一种操作，可使两个能匹配的谓词合一起来，即为参加匹配的

16、自由变量和常量，或者两个自由变量建立一种对应关系，使得常量作为对应变量的约束值，使得两个对应的自由变量始终保持一致(若其中一个被某值约束，则另一个也被同一值约束；反之，若其中一个的值被解除，则另一个的值也被解除),32,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理(续)： 回溯： 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 上述过程详见P30-P32实例,33,PROLOG程序运行机理示例,34,基本PROLOG,PROLOG程序的运行机理(续)： 回溯： 上述程序的运行是一个通过推理实现的求值过程。我们也可以使它变为证明过程。例如，把上述程序中的询问改为 friend(john,mary) 则系统会回答：yes 若将询问改为：friend(john,smith) 则系统会回答：no,35,基本PROL