Prolog：基于逻辑的声明式编程

Prolog：基于逻辑的声明式编程 | AI生成和翻译

Home 2025.07

Prolog，全称为“逻辑编程”，是一种声明式编程语言，与 Python、Java 或 C++ 等命令式语言形成鲜明对比。它不是一步步告诉计算机如何解决问题，而是描述问题是什么，然后 Prolog 利用其内置的推理引擎来寻找解决方案。

它特别适合涉及逻辑、符号推理和知识表示的问题，使其成为人工智能（AI）、自然语言处理和专家系统领域的基石。

Prolog 的核心概念：

事实： 事实是你提供给 Prolog 的关于世界的基本真理。它们代表无条件的断言。
- 语法： 谓词(参数1, 参数2, ...).
- 示例：
  - 男人(约翰). (约翰是男人)
  - 女人(玛丽). (玛丽是女人)
  - 父母(约翰, 玛丽). (约翰是玛丽的父母)
  - 首都(法国, 巴黎). (巴黎是法国的首都)
规则： 规则定义了事实之间的关系。它们声明，如果一个或多个其他事实（或条件）为真，则某个事实为真。
- 语法： 头部 :- 主体. (读作“如果主体为真，则头部为真”)
  - 头部 是单个谓词。
  - 主体 是一个或多个谓词的合取，用逗号（,）分隔，表示“与”。
- 示例：
  - 快乐(X) :- 喜欢(X, 披萨). (如果 X 喜欢披萨，则 X 快乐)
  - 父亲(X, Y) :- 父母(X, Y), 男性(X). (如果 X 是 Y 的父母并且 X 是男性，则 X 是 Y 的父亲)
  - 祖父母(G, C) :- 父母(G, P), 父母(P, C). (如果 G 是 P 的父母并且 P 是 C 的父母，则 G 是 C 的祖父母)
查询： 一旦你定义了事实和规则（你的“知识库”），你就可以向 Prolog 提问，称为查询，以检索信息或验证关系。
- 语法： ?- 查询.
- Prolog 尝试通过查找使查询为真的变量来满足查询，这是基于已建立的事实和规则。如果存在多个解，通常可以通过输入分号（;）来提示 Prolog 寻找更多解。
- 示例：
  - ?- 男人(约翰). (约翰是男人吗？)
  - ?- 父母(约翰, X). (约翰是谁的父母？ - X 是变量)
  - ?- 祖父母(伊丽莎白, 威廉). (伊丽莎白是威廉的祖父母吗？)
变量： Prolog 中的变量用于表示未知值。它们总是以大写字母或下划线（_）开头。与命令式语言中的变量不同，它们不是可以重新分配的内存位置；相反，它们是占位符，Prolog 尝试通过将值与它们统一来满足查询。
统一： 这是 Prolog 的核心机制。统一是一种模式匹配过程，它试图通过给变量赋值来使两个项相同。如果找到匹配，变量就被“绑定”到这些值。如果无法匹配，则统一失败。
回溯： 当 Prolog 尝试满足一个查询时，它以深度优先的方式遍历事实和规则。如果某条路径导致死胡同（目标无法满足），Prolog 会“回溯”到先前的选择点并尝试另一条路径。这种系统性的搜索使它能够找到查询的所有可能解。

Prolog 的工作原理（简化版）：

你将一个 Prolog 程序（一组事实和规则）加载到解释器中。
你提出一个查询。
Prolog 尝试通过将查询与其事实和规则的头部进行匹配来证明该查询。
如果某个规则的头部匹配，Prolog 然后尝试证明该规则主体中的条件（这些成为子目标）。
这个过程递归地继续，直到所有子目标都被事实或已成功证明的规则所满足。
如果找到一个解，Prolog 会呈现变量绑定。如果存在多个解，它可以回溯以找到它们。

Prolog 的优点：

声明式特性： 专注于解决什么，而不是如何解决。对于某些问题，这可以带来更简洁和可读的代码。
内置逻辑和推理： 强大的逻辑推理和搜索机制。
非常适合符号 AI： 是专家系统、自然语言处理、知识表示和定理证明的理想选择。
模式匹配和统一： 简化了复杂的数据操作。
回溯： 自动搜索解决方案，这在其他语言中需要手动编程。

Prolog 的缺点：

学习曲线： 对于习惯命令式编程的人来说，声明式范式可能具有挑战性。
性能： 对于数值计算或 I/O 密集型任务，可能比命令式语言效率低。
有限的 I/O 和图形功能： 并非为复杂的用户界面或图形应用程序设计。
调试： 由于回溯，在 Prolog 中跟踪执行流程有时可能很棘手。

Prolog 代码示例：

要运行这些示例，你需要一个 Prolog 解释器（如 SWI-Prolog，它是免费且广泛使用的）。你通常将代码保存在扩展名为 .pl 的文件中（例如 family.pl），然后将其加载到解释器中。

示例 1：家庭关系

让我们定义一些基本的家庭关系。

family.pl:

% 事实：定义基本关系
男性(约翰).
男性(吉姆).
男性(乔治).
女性(玛丽).
女性(丽莎).
女性(苏珊).

父母(约翰, 丽莎).   % 约翰是丽莎的父母
父母(约翰, 吉姆).    % 约翰是吉姆的父母
父母(玛丽, 丽莎).   % 玛丽是丽莎的父母
父母(玛丽, 吉姆).    % 玛丽是吉姆的父母
父母(丽莎, 乔治). % 丽莎是乔治的父母
父母(吉姆, 苏珊).   % 吉姆是苏珊的父母

% 规则：定义衍生关系
父亲(X, Y) :- 父母(X, Y), 男性(X).         % X 是 Y 的父亲，如果 X 是 Y 的父母 并且 X 是男性。
母亲(X, Y) :- 父母(X, Y), 女性(X).        % X 是 Y 的母亲，如果 X 是 Y 的父母 并且 X 是女性。
孩子(X, Y) :- 父母(Y, X).                    % X 是 Y 的孩子，如果 Y 是 X 的父母。
祖父母(G, C) :- 父母(G, P), 父母(P, C). % G 是 C 的祖父母，如果 G 是 P 的父母 并且 P 是 C 的父母。
兄弟姐妹(X, Y) :- 父母(P, X), 父母(P, Y), X \= Y. % X 和 Y 是兄弟姐妹，如果他们共享父母 P，并且 X 与 Y 不同。

在 Prolog 解释器中运行（例如 SWI-Prolog）：

?- consult('family.pl').
% family.pl compiled 0.00 sec, 7 clauses
true.

% 查询：

?- 男性(约翰).
true.

?- 女性(吉姆).
false.

?- 父母(约翰, 丽莎).
true.

?- 父母(X, 吉姆). % 谁是吉姆的父母？
X = 约翰 ;           % 输入 ';' 获取更多解
X = 玛丽.
false.

?- 父亲(约翰, 丽莎).
true.

?- 母亲(玛丽, 吉姆).
true.

?- 祖父母(约翰, 乔治).
true.

?- 祖父母(X, 苏珊). % 谁是苏珊的祖父母？
X = 约翰 ;
X = 玛丽.
false.

?- 兄弟姐妹(丽莎, 吉姆).
true.

?- 兄弟姐妹(丽莎, 乔治).
false. % 因为他们不共享*所有*父母

示例 2：简单的知识库（动物）

animals.pl:

% 关于动物及其属性的事实
动物(狗).
动物(猫).
动物(鸟).
动物(鱼).

有毛发(狗).
有毛发(猫).
会飞(鸟).
会游泳(鱼).

吃(狗, 骨头).
吃(猫, 鱼).
吃(鸟, 种子).
吃(鱼, 浮游生物).

% 规则
是哺乳动物(X) :- 动物(X), 有毛发(X). % 哺乳动物是有毛发的动物。
会飞(X) :- 动物(X), 会飞(X).     % 某物会飞，如果它是动物并且会飞。

在 Prolog 解释器中运行：

?- consult('animals.pl').
% animals.pl compiled 0.00 sec, 10 clauses
true.

% 查询：

?- 动物(猫).
true.

?- 有毛发(狗).
true.

?- 吃(猫, X). % 猫吃什么？
X = 鱼.

?- 是哺乳动物(狗).
true.

?- 是哺乳动物(鸟).
false.

?- 会飞(X). % 什么动物会飞？
X = 鸟.
false.

这些示例阐释了 Prolog 的声明式特性：你定义关系和属性，系统则推断出你的查询的答案。

Back Donate