Prolog 语言入门(一)

Prolog官网手册https://www.swi-prolog.org/pldoc/man?section=quickstart
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。

运行prolog脚本 
# swipl hello.pl

?- [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。

?- .
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Prolog官网手册https://www.swi-prolog.org/pldoc/man?section=quickstart。

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 ;

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