Prolog

Wprowadzenie do środowiska programowania w Prologu

Co to jest Prolog?

Prolog to język programowania w logice (PROgrammation en LOGique, PROgramming in LOGic).

więcej na Wikipedii: Prolog (język programowania)

SWI Prolog

Współcześnie jest dostępnych szereg implementacji Prologu, w tym swobodnie dostępne kompilatory Prologu:
np:.

• SWI-Prolog, Jan Wielemaker, http://www.swi-prolog.org
• GNU-Prolog, Daniel Diaz, http://gnu-prolog.inria.fr
• dostępne przez www (wymagana zainstalowana Java): http://ktiml.mff.cuni.cz/~bartak/prolog/testing.html

W czasie zajęć będziemy pracować w środowisku SWI-Prolog.

Proszę pobrać plik tego programu ze strony http://www.swi-prolog.org/download/stable (wybrać SWI-Prolog/XPCE for Windows NT/2000/XP/Vista/7)
Link bezpośredni do aktualnej wersji: http://www.swi-prolog.org/download/stable/bin/w32pl5102.exe

Podstawowym interfejsem w SWI-Prologu jest powłoka (konsola).
Jest ona bardzo podobna do konsoli spotykanej w systemach unixowych, oczywiście z uwzględnieniem specyfiki programowania w Prologu.

Pisanie programu w Prologu

Elementy składniowe programu:

• atomy: stałe znakowe — pisane z małej litery,
• niewiadome/szukane (tzw. zmienne logiczne) — pisane z wielkiej litery,
• termy: symbole funkcyjne przyjmujące argumenty — pisane z małej litery z argumentami w nawiasie

Przykład programu zapisanego w Prologu (http://wazniak.mimuw.edu.pl/):

lubi(jan, tatry).
lubi(jan, beskidy).
lubi(jerzy, beskidy).
lubi(jerzy, bieszczady).
lubi(józef, sudety).
lubi(justyna, gświętokrzyskie).
bratniadusza(X, Y) :- lubi(X, S), lubi(Y, S), X \= Y.

Program składa się z

• szeregu klauzul (ang. clause), wyróżniamy:
  • fakty (klauzule proste)
  • reguły (klauzule złożone)
• oraz celu (ang. goal)

Fakty i reguły należy zapisać w osobnym pliku (z rozszerzeniem *.pl). Cele (zapytania) wywoływane są z poziomu konsoli.
Fakty i reguły stanowią "wiedzę" (którą należy wcześniej zadeklarować), w której odnajdywane są odpowiedzi na zapytania.

Uruchamianie programu

W celu uruchomienia programu należy załadować plik z kodem (rozszerzenie *.pl) w języku Prolog.
Możemy w tym celu wykorzystać polecenie:

• menu File->Consult… u góry ekranu (a następnie wybieramy plik z katalogu)
• ręcznie w konsoli wpisujemy predykat consult (skrót: [nazwa].)

Operację tę należy powtarzać po każdej modyfikacji kodu.

• Proszę sprawdzić działanie systemu pomocy, przez predykat help., a następnie przeczytać opis do predykatu consult (help(consult).) .
• Proszę wyjść z powłoki przez halt.
• UWAGA: każda „linia kodu” w Prologu musi się kończyć kropką!

Programowanie nieklasyczne

Prolog NIE jest klasycznym językiem programowania.

Nie ma w nim:

• słów kluczowych, (if, for…)
• brak rozróżnienia we/wy
• brak funkcji
• brak zmiennych (klasycznych)
• brak jawnej sekwencyjności, czy iteracyjności

Prolog dostarcza:

• metody strukturalizowania informacji, termy
• programowania deklaratywnego
• rekurencji, jak metody przetwarzania informacji
• unifikacji - mechanizmy dopasowywania wzorców
• rezolucji - metody wnioskowani logicznego
• strategii sterowania wnioskowaniem

Ćwiczenie 1: Pisanie prostych programów

• Proszę przyjrzeć się poniższemu, prostemu programowi (klasyczny przykład „Rodzina”).

kobieta(ola).
kobieta(lila).

mezczyzna(tomek).
mezczyzna(max).

rodzic(ola,max).
rodzic(tomek,max).
rodzic(tomek,lila).

Proszę uruchomić wybrany zewnętrzny edytor tekstu (np. Notatnik) i wpisać w nim analogiczny program (dotyczący własnej rodziny). Program należy zapisać w pliku przyklad1.pl

Ćwiczenie 2: Uruchamianie programów

• W powłoce SWI należy wczytać napisany uprzednio program: [przyklad].
• Program jest kompilowany, a zawarta w nim wiedza dodawana do bazy wiedzy dostępnej z powłoki SWI. Można to sprawdzić przy pomocy polecenia:

kobieta(X).

• Po ukazaniu się pierwszej odpowiedzi należy wcisnąć klawisz średnika

;

by wyszukać kolejne dopasowania.

Ćwiczenie 3: Praca z programem

• Systemowi można teraz zadawać pytania, cele do zrealizowania. Proszę zapoznać się z propozycjami poniższych pytań i zapisać je w Prologu. (przykładowe pytania dotyczą przykładu z ćwiczenia 2):

• Kto jest mężczyzną?

+ podpowiedź

?- mezczyzna(X).

• Czy Tomek jest mężczyzną?

+ podpowiedź

?- mezczyzna(tomek).

• Czy Smerfus jest mężczyzną?

+ podpowiedź

?- mezczyzna(smerfus).

• Czy Ola jest rodzicem Max-a?

+ podpowiedź

?- rodzic(ola,max).

• Czyim rodzicem jest Ola?

+ podpowiedź

?- rodzic(ola,X).

• Czy zamiast X można wpisać inny symbol? Jaki?

• Kto jest rodzicem Max-a?

+ podpowiedź

?- rodzic(Y,max).

Czy zamiast Y można wpisać inny symbol?

Ćwiczenie 4: Rozbudowa programu

Proszę rozbudować program do poniższej, analogicznej (co do liczby osób i zależności) formy:

rodzic(ola,max).
rodzic(tomek,max).
rodzic(tomek,lila).
rodzic(max,ania).
rodzic(max,kasia).
rodzic(kasia,radek).

kobieta(ola).
kobieta(lila).
kobieta(kasia).
kobieta(ania).

mezczyzna(tomek).
mezczyzna(max).
mezczyzna(radek).

Czy kolejność wpisywania linii ma znaczenie?

UWAGA: aby dopisane fakty były dostępne dla Prologu, należy go ponownie wczytać!

Jeżeli koniunkcję celów oznaczamy przecinkiem

 ,

to jak zapytać:

• kto jest matką
• a kto ojcem Max-a?

Napisz odpowiednie zapytania i sprawdź ich działanie.

Ćwiczenie 5: Reguły

Proszę dopisać poniższe reguły i sprawdzić ich działanie.

+ pokaż

matka(X,Y) :-
    rodzic(X,Y),
    kobieta(X).

ojciec(X,Y) :-
    rodzic(X,Y),
    mezczyzna(X).

Reguła z wykorzystaniem innej reguły:

+ pokaż

dziadek(X,Z) :- 
    ojciec(X,Y),
    rodzic(Y,Z).

Uwaga: Proszę nie generować "dziadka" tylko po linii męskiej:

dziadek(X,Z) :- 
    ojciec(X,Y),
    ojciec(Y,Z).

Reguła z rekurencją:

+ pokaż

przodek(X,Y) :- 
    rodzic(X,Y).
    przodek (X,Z) :-
        rodzic(X,Y), przodek(Y,Z).

UWAGA: w Prologu niemożliwe jest zadeklarowanie reguły o postaci np. a;b :- c (gdzie ";" czytamy jako "lub"), gdyż nie można jej sprowadzić do klauzuli Horna (w koniunkcyjnej postaci normalnej: klauzula, w której co najwyżej 1 element jest niezanegowany).

Notacja list

Lista to uporządkowany zbiór elementów. Elementem może być dowolna struktura danych w Prologu.
Listę zapisujemy:

[a,b,c]
[2,4,6,ala,ma,kota]
[]

Każda lista składa się z:

• głowy (ang. head), która jest pierwszym elementem listy, oraz
• ogona (ang. tail), który jest zawsze listą

Listę od ogona rozdzielamy operatorem | (pionowa kreska), np.:

?- [X|Y]=[a,b,c,d].

X = a
Y = [b, c, d] ;

Ćwiczenie 6: Dodawanie elementu do listy

Zapisz klauzulę prostą w dowolnym pliku *.pl.

dodaj(Element,Lista,[Element|Lista]).

Dodaj element do dowolnej listy (z poziomu konsoli).

+ pokaż

na przykład:

?- dodaj(a,[c,d], X).

Zadanie: Opisz eksperyment za pomocą faktów i reguł.

Eksperyment dotyczy zjawisk maskowania i "odmaskowania" tonu emitowanego wraz z szumem do jednego z uszu. Przypadki testowane w eksperymencie objaśnia rysunek.

Proszę napisać reguły, które umożliwią sprawdzenie w jakich warunkach zachodzi maskowanie i odmaskowanie, i sprawdzić je w konsoli.

Podpowiedź (zestaw klauzul):

+ pokaż

lewy_kanal(szum, faza).
prawy_kanal(szum, faza).
prawy_kanal(szum,przeciwfaza).
prawy_kanal(szum,nic).
prawy_kanal(nic,nic).
zestaw_w_prawym_kanale_ktory_odmaskowuje(X,Z) :- lewy_kanal(X,Y), prawy_kanal(X,Z), Z \= Y.
zestaw_w_prawym_kanale_ktory_maskuje(X,Y) :- lewy_kanal(X,Y), prawy_kanal(X,Y).
zestaw_w_prawym_kanale_ktory_maskuje(X,Y) :- prawy_kanal(X,Y), X=Y.

Podpowiedź (cele):

+ pokaż

?- zestaw_w_prawym_kanale_ktory_odmaskowuje(X,Z).

?- zestaw_w_prawym_kanale_ktory_maskuje(X,Y).

Materiały dodatkowe

Parser w Prologu http://en.literateprograms.org/Parser_(Prolog)