人工智能实验报告 华北电力大学 刘丽.docx
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人工智能实验报告华北电力大学刘丽
华北电力大学科技学院
实验报告
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实验名称PROLOG语言编程练习及图搜索问题求解
课程名称人工智能及应用
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专业班级：
计算机09k1学生姓名：
学号：
成绩：
指导教师：
实验日期：
（实验报告如打印，纸张用A4，左装订；页边距：
上下2.5cm,左2.9cm,右2.1cm；字体：
宋体小四号，1.25倍行距。
）
验证性、综合性实验报告应含的主要内容：
一、实验目的及要求
二、所用仪器、设备
三、实验原理
四、实验方法与步骤
五、实验结果与数据处理
六、讨论与结论（对实验现象、实验故障及处理方法、实验中存在的问题等进行分析和讨论，对实验的进一步想法或改进意见）
七、所附实验输出的结果或数据
设计性实验报告应含的主要内容：
一、设计要求
二、选择的方案
三、所用仪器、设备
四、实验方法与步骤
五、实验结果与数据处理
六、结论（依据“设计要求”）
七、所附实验输出的结果或数据
*封面左侧印痕处装订
一、实验目的及要求
1.熟悉PROLOG的运行环境，进行prolog的基本编程练习。
了解PROLOG语言中常量、变量的表示方法。
PROLOG的简单程序结构，掌握分析问题、询问解释技巧；进行事实库、规则库的编写，并在此基础上进行简单的询问。
具体实验课上相关内容，练习例1到例6的内容。
2.图搜索问题求解。
任选以下实际应用题目：
爱因斯坦的超级问题、字谜问题、汉诺塔问题、八数码问题、八皇后问题、过河问题等，选两个。
要求实验报告中包括：
程序及其注释和说明、console表单中的程序运行结果。
二、所用仪器、设备
PC机和trincprolog编译软件
三、实验原理
PROLOG语言是一种以逻辑推理为基础的逻辑型程序设计语言，是一种陈述性语言而不是过程性语言。
PROLOG语言能够自动实现模式匹配和回溯、具备递归技术，而且语法简明，可以简化复杂问题求解。
四、实验方法与步骤
熟悉环境Trinc-Prolog，用来编译各个逻辑新非常强的问题，从中选择汉诺塔和过河问题进行解决。
在PROLOG中，常用的结构形式有：
（1）函子（分量1，分量2，……，分量n）
（2）表：
Prolog语言中最常用的数据结构，由一些有序分量组成，长度可任意
含有3个分量a，b，c的表可写成[a，b，c]，如用函数的方式可写成·（a·（b·（c[]）））。
其中符号“．”是表的函子
（3）表达式
PROLOG语言提供了各种运算，如算术、比较运算等
运算可以是中缀形式，简明直观，符合人们的习惯
算术表达式X+Y-Z中，“+”、“-”便是运算符，该表达式如用函数结构形式来表示就是-（+（XY）Z）
表示对象间的因果关系、蕴含关系或对应关系
格式：
head:
-body
head是谓词的定义部分，与事实一样，也包括谓词名和谓词的参数说明
:
-连接符，一般可以读作‘如果’
body一个或多个目标，与查询相同
bird（X）:
-annimal（X）,has（X,feather）.
grandfather（X,Y）:
-father（X,Z）,father（Z,Y）.
规则中的谓词也可以无参数：
run:
-start,step1（X）,step2（X）,end.
Prolog的查询工作靠模式匹配完成
查询的模板叫做目标（goal）
如果有某个事实与目标匹配，那么查询成功，解释器会回显‘yes.’
如果没有匹配的事实，查询失败，解释器回显'no.‘
Prolog的模式匹配工作叫做联合（unification），以下三个条件是使联合成功的必要条件
目标谓词名与数据库中的某个谓词名相同
这两个谓词的参数数目相同
所有的参数也相同
在查询目标中还可以使用Prolog的变量
这种变量和其他语言中的不同，叫它逻辑变量更合适
变量可以代替目标中的一些参数
变量给联合操作带来了新的意义。
以前联合操作只有在谓词名和参数都相同时才能成功。
但是引入了变量之后，变量可以和任何的条目匹配
当联合成功之后，变量的值将和它所匹配的条目的值相同。
这叫做变量的绑定（binding）。
当带变量的目标成功的和数据库中的事实匹配之后，Prolog将返回变量绑定的值
当Prolog试图与某一个目标匹配时，例如：
location/2，它就在数据库中搜寻所有用location/2定义的子句，当找到一条与目标匹配时，它就为这条子句作上记号。
当用户需要更多的答案时，它就从那条作了记号的子句开始向下查询
我们来看一个例子：
用户询问：
location（X，kitchen）.
Prolog找到数据库中的第一条location/2子句，并与目标比较
用户输入回车，Prolog开始寻找其他的答案
首先它必须释放（unbinds）变量X。
然后从上一次成功的位置的下一条子句开始继续搜索。
这个过程叫做回溯（backtracking）
在本例中就是第三条子句
子句#3location（flashlight,desk）.
匹配失败，直到第六条子句时匹配又成功
Prolog的目标有四个端口用来控制运行的流程
调用（call）
退出（exit）
重试（redo）
失败（fail）
一开始使用Call端口进入目标，如果匹配成功就到了exit端口，如果失败就到了fail端口，如果用户输入回车，则又从redo端口进入目标
每个端口的功能如下：
call开始使用目标搜寻子句
exit目标匹配成功，在成功的子句上作记号，并绑定变量
redo试图重新满足目标，首先释放变量，并从上次的记号开始搜索
fail表示再找不到更多的满足目标的子句了
:
-?
-location（X,kitchen）.
用startstep观察
程序第一次执行，与第一个事实匹配，输出，回车换行，number=1，不匹配，引起回溯
与第二个事实匹配，输出，回车换行，number=2，不匹配，引起回溯
与第三个事实匹配，输出，回车换行，number=3，匹配，最后一个语句成功，程序段结束
?
-print2.（观察结果）
表是有若干元素的有序序列，表中元素也可以为表
表最大的特点是长度不固定，在程序运行中可以动态的变化
PROLOG中采用一对方括号[]把表元素括起来，每个元素间用逗号或空格分开
谓词append是递归定义的
在Prolog中，当某个谓词的目标中包含了此谓词本身时，Prolog将进行递归调用
递归技术在表处理中特别有用，几乎所有的表处理程序都用到递归，但在一般程序中，使用递归要谨慎，或尽量不用，因为递归很容易导致堆栈溢出
到目前为止，我们都一直在使用Prolog内建的回溯功能。
使用此功能可以方便地写出结构紧凑的谓词来
并不是所有的回溯都是必须的，这时我们需要能够人工地控制回溯过程
Prolog提供了完成此功能的谓词，叫做cut，使用符号！
来表示
Cut能够有效地剔除一些多余的搜索。
如果在cut处产生回溯，它会自动地失败，而不去进行其它的选择
若将“！
”插在子句体内作为一个子目标，它总是立即成功
2.若“！
”位于子句体的最后，则它就阻止对它所在字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，去访问前一个子目标
3.若“！
”位于其他位置，则当其后发生回溯且回溯到“！
”处时，就在此失败，并且“！
”还使它所在子句的头谓词整个失败
cut不符合纯逻辑学，是出于实用的考虑，过多地使用cut将降低程序的易读性和易维护性。
它就像是其它语言中的goto语句
当能够确信在谓词中的某一点只有一个答案，或者没有答案时，使用cut可以提高程序的效率，另外，如果在某种情况下想让某个谓词强制失败，而不让它去寻找更多的答案时，使用cut也是个不错的选择
五、求解的问题与程序
如果要移动N个盘子，就要分三步走：
把N-1个盘子移动到中间的杆子上（把中间的杆子作为临时存放盘子的位置）
把最后一个盘子直接移到右边的杆子上
最后把中间杆子上的盘子移到右边的杆子上（把左边的杆子作为临时存放盘子的位置）
对于汉诺塔问题，实现的代码如下：
hanoi（N）:
-move（N,left,middle,right）.
move（1,A,_,C）:
-inform（A,C）,!
.
move（N,A,B,C）:
-N1isN-1,move（N1,A,C,B）,inform（A,C）,move（N1,B,A,C）.
inform（Loc1,Loc2）:
-nl,
write（'Moveadiskfrom'-Loc1-'to'-Loc2）.
运行结果如下：
输入:
-hanoi（4）.后得出
Moveadiskfrom-left-to-middle
Moveadiskfrom-left-to-right
Moveadiskfrom-middle-to-right
Moveadiskfrom-left-to-middle
Moveadiskfrom-right-to-left
Moveadiskfrom-right-to-middle
Moveadiskfrom-left-to-middle
Moveadiskfrom-left-to-right
Moveadiskfrom-middle-to-right
Moveadiskfrom-middle-to-left
Moveadiskfrom-right-to-left
Moveadiskfrom-middle-to-right
Moveadiskfrom-left-to-middle
Moveadiskfrom-left-to-right
Moveadiskfrom-middle-to–right
对于过河问题实现的代码如下：
move（1,0）.%表示船上有一位牧师，没有野人。
move（0,1）.
move（0,2）.
move（2,0）.
move（1,1）.
%判断移动后两岸状态是否合法
legal（（X,Y,_））:
-%X为左岸状态，Y为右岸状态。
_取0或1，0代表左岸，1代表右岸
legal1（X）,%分别判断两岸的状态是否合法。
legal1（Y）.
legal1（（X,Y））:
-
X=:
=0,Y>=0,!
.%牧师人数为0，野人的人数大于0，合法。
legal1（（X,Y））:
-
Y=:
=0,X>=0,!
.%野人人数为0，牧师的人数大于0，合法。
legal1（（X,Y））:
-
X>=Y,X>=0,Y>=0.%牧师数大于或等于野人数，且都大于0，合法。
%update谓词能够完成把合理的移动作用的某个状态上，从而到达新的状态。
update（（X,Y,0）,Move,Statu1）:
-%船在左岸时
（A,B）=X,
（C,D）=Y,
（E,F）=Move,
C1isC+E,
D1isD+F,
A1isA-E,
B1isB-F,
Statu1=（（A1,B1）,（C1,D1）,1）.
update（（X,Y,1）,Move,Statu1）:
-%船在右岸时
（A,B）=X,
（C,D）=Y,
（E,F）=Move,
C1isC-E,
D1isD-F,
A1isA+E,
B1isB+F,
Statu1=（（A1,B1）,（C1,D1）,0）.
%有了以上的三个谓词move，update，legal我们就可以很容易的做出判断两个合法的状态相邻的谓词。
connect（Statu,Statu1）:
-
move（X,Y）,
update（Statu,（X,Y）,Statu1）,
legal（Statu1）.
%判断对象X是表的成员
member（X,[X|Tail]）.
member（X,[Head|Tail]）:
-member（X,Tail）.
%再使用深度搜索方法就可以找到答案了。
由查找的目标状态X：
（（0,0）,（3,3）,1），开始向前查找直到与查找前的初始状态Y：
（（3,3）,（0,0）,0）相匹配，查找结束。
findroad（X,X,L,L）.%递归的边界条件。
findroad（X,Y,L,L1）:
-%L为储存的路径表。
connect（X,Z）,
not（member（Z,L））,%当前状态Z不在已经储存的路径表中。
findroad（Z,Y,[Z|L],L1）.
运行结果：
?
-findroad（（（0,0）,（3,3）,1）,（（3,3）,（0,0）,0）,[（（0,0）,（3,3）,1）],L）.
L=[（（3,3）,（0,0）,0）,
（（2,2）,（1,1）,1）,
（（3,2）,（0,1）,0）,
（（3,0）,（0,3）,1）,
（（3,1）,（0,2）,0）,
（（1,1）,（2,2）,1）,
（（2,2）,（1,1）,0）,
（（0,2）,（3,1）,1）,
（（0,3）,（3,0）,0）,
（（0,1）,（3,2）,1）,
（（0,2）,（3,1）,0）,
（（0,0）,（3,3）,1）,
（（0,1）,（3,2）,0）,
（0,0）,（3,3）,1]
六、结论
Prolog：
ProgramminginLogic（逻辑编程）
建立在逻辑学的理论基础之上的，最初是运用于自然语言的研究领域
现在被广泛的应用在人工智能的研究中
prolog不是很高深的语言
比较起其他的一些程序语言，例如c、basic等等语言，prolog是更加容易理解的语言
prolog程序没有特定的运行顺序，其运行顺序是由电脑决定的，而不是编程序的人
从这个意义上来说，prolog程序不是真正意义上的程序
所谓程序就是按照一定的步骤运行的计算机指令
prolog程序的运行步骤不由人来决定。
它更像一种描述型的语言，用特定的方法描述一个问题，然后由电脑自动找到这个问题的答案
极端的例子：
只需要把某个数学题目告诉它，它就会自动的找到答案，而不像使用其他的语言一样，必须人工的编制出某种算法
prolog程序中没有if、when、case、for这样的控制流程语句
程序的运行方式有电脑自己决定，当然就用不到这些控制流程的语句了
通常情况下，程序员不需要了解程序的运行过程，只需要注重程序的描述是否全面
prolog也提供了一些控制流程的方法，这些方法和其他语言中的方法有很大的区别
prolog程序和数据高度统一
在prolog程序中，是很难分清楚哪些是程序，哪些是数据的
prolog中的所有东西都有相同的形式，也就是说数据就是程序，程序就是数.
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