人工智能程序設(shè)計語言-2015課件

人工智能程序設(shè)計語言華北電力大學(xué)計算機(jī)系

11/7/20221內(nèi)容綜述函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP邏輯性程序設(shè)計語言PROLOGPROLOG程序設(shè)計11/7/20222華北電力大學(xué)內(nèi)容綜述函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP邏輯性程序設(shè)計語言PROLOGPROLOG程序設(shè)計11/7/20223華北電力大學(xué)綜述人工智能程序設(shè)計語言函數(shù)型語言邏輯性語言面向?qū)ο笳Z言混合型語言11/7/20225華北電力大學(xué)綜述-函數(shù)型語言函數(shù)型語言LISP是一種函數(shù)型程序設(shè)計語言。LISP程序由一組函數(shù)組成，程序的執(zhí)行過程就是一系列的函數(shù)調(diào)用和求值過程。但LISP還不是純函數(shù)型語言，準(zhǔn)確地講，它是基于λ--函數(shù)的語言。除LISP外，20世紀(jì)70年代J.Backus還提出了一種稱為FP的所謂純函數(shù)型程序設(shè)計語言。但該語言現(xiàn)在還限于理論研究，實現(xiàn)上還存在一定困難。11/7/20226華北電力大學(xué)綜述-邏輯型語言邏輯型語言邏輯型程序設(shè)計語言起源于PROLOG（PROgramminginLOGic）。PROLOG語言首先由法國馬塞大學(xué)的Colmerauer和它的研究小組于1972年研制成功，后來在歐洲得到進(jìn)一步發(fā)展。特別是1981年日本宣布要以PROLOG作為他們正在研制的新一代計算機(jī)——智能計算機(jī)的核心語言，更使PROLOG舉世矚目，迅速風(fēng)靡世界。11/7/20227華北電力大學(xué)綜述-邏輯型語言現(xiàn)在PROLOG幾乎在人工智能的所有領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用,成為與LISP并駕齊驅(qū)的甚至更加流行的智能程序設(shè)計語言。由于PROLOG語言是一種邏輯型程序設(shè)計語言,因此用它編寫的程序也就是邏輯程序,即在PROLOG程序中一般不需告訴計算機(jī)“怎么做”,而只需告訴它“做什么”。因此,PROLOG亦屬陳述性語言。與通常的過程性程序設(shè)計語言相比,PROLOG是更高級的語言。11/7/20228華北電力大學(xué)綜述-混合型語言混合型語言1.函數(shù)型與邏輯型相結(jié)合的語言

函數(shù)型與邏輯型語言的結(jié)合方式有耦合型和統(tǒng)一型兩類。統(tǒng)一型又可分為具有歸結(jié)語義的函數(shù)型語言和集成式語言兩個子類。耦合型語言意為將具有歸約語義的函數(shù)型語言和具有歸結(jié)語義的邏輯型語言組合在一起,并在二者之間提供一個接口而形成的一種混合型語言。其典型代表有：11/7/202210華北電力大學(xué)綜述-混合型語言2.函數(shù)型與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的語言

在LISP語言的基礎(chǔ)上再擴(kuò)充面向?qū)ο髾C(jī)制而產(chǎn)生的語言,稱為函數(shù)型的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言(亦稱為面向?qū)ο蟮腖ISP)。這種語言現(xiàn)已成為一個家族,其中比較著名的有：(1)Flavors由MIT的LispMachine小組于1979年研制而成,它的基語言是SymbolicsCommonLISP。(2)LOOPS(Lisp-Object-OrientedProgrammingSystem)。它是在InterLisp-D環(huán)境上實現(xiàn)的基于LISP的OOP語言,由Xerox公司于1983年推出。11/7/202212華北電力大學(xué)綜述-混合型語言3.邏輯型與面向?qū)ο笙嘟Y(jié)合的語言

這類語言著名的有:(1)SPOOL。日本IBM分部于1985年推出的以面向?qū)ο笏枷霐U(kuò)充的PROLOG語言。(2)Orient84K。Keio大學(xué)于1984年發(fā)表的基于PROLOG和Smalltalk的并行執(zhí)行語言。(3)Vulan。一種面向?qū)ο蟮倪壿嬓驼Z言。11/7/202214華北電力大學(xué)內(nèi)容綜述函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP邏輯性程序設(shè)計語言PROLOGPROLOG程序設(shè)計11/7/202215華北電力大學(xué)函數(shù)型程序設(shè)計語言LISPLISP是第一個人工智能程序設(shè)計語言LIStProcessing，表處理語言1960年由MIT的麥卡錫和他的研究小組設(shè)計，擅長表處理，即符號處理許多人工智能系統(tǒng)用LISP語言編寫LISP被譽(yù)為人工智能的數(shù)學(xué)，是人工智能研究和開發(fā)的主要工具11/7/202216華北電力大學(xué)

函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP

LISP語言的主要特點：LISP程序由一組函數(shù)組成，程序的執(zhí)行過程是函數(shù)的調(diào)用過程程序和數(shù)據(jù)在形式上是相同的，即都是符號表達(dá)式，簡稱為S─表達(dá)式遞歸是LISP語言的主要控制結(jié)構(gòu)程序以交互方式運行11/7/202217華北電力大學(xué)LISP的程序結(jié)構(gòu)LISP的程序一般由函數(shù)的定義和函數(shù)的調(diào)用兩部分組成。其一般格式為：(DEFUN(<函數(shù)名>(<形參表>)<函數(shù)體>)(<函數(shù)名>(<形參表>)<函數(shù)體>)

…(<函數(shù)名>(<形參表>)<函數(shù)體>))

(<函數(shù)名><實參表>)(<函數(shù)名><實參表>)…(<函數(shù)名><實參表>)“DEFUN”是定義函數(shù)的關(guān)鍵字“函數(shù)名”可以是系統(tǒng)的內(nèi)部函數(shù)(名),也可以是用戶用DEFUN定義的函數(shù)(名)11/7/202218華北電力大學(xué)LISP的基本函數(shù)LISP的函數(shù)一律使用前綴表示方式,分為內(nèi)部函數(shù)(基本或系統(tǒng)函數(shù))和用戶自定義函數(shù)兩類基本函數(shù)的種類有十多個，僅給出主要的幾類表處理函數(shù)算數(shù)函數(shù)求值與賦值函數(shù)謂詞函數(shù)條件函數(shù)11/7/202220華北電力大學(xué)表處理函數(shù)表處理是LISP的主要特色，下面僅給出最常用的幾個：1)CAR函數(shù) 功能 取出表中的表頭。 如 CAR′(LISPLanguageProgram)) 返回值 LISP2)CDR函數(shù)功能 取出表中的表尾如 (CDR′(LISPLanguageProgram))返回值(LanguageProgram)11/7/202221華北電力大學(xué)算術(shù)函數(shù)LISP的算術(shù)表達(dá)式也是用函數(shù)表示的，稱為算術(shù)函數(shù)舉例說明(+25)表示2+5，返回值為7(-(*48)(/105))表示4×8-10/5，返回值為3011/7/202223華北電力大學(xué)求值與賦值函數(shù)撇號′是禁止求值函數(shù)QUOTE的簡寫形式賦值函數(shù)有多個SET函數(shù)是最基本的一個功能 把S─表達(dá)式賦給變量例如：(SET′X′8);X得到值8(SET′Y′(abc));Y得到值(abc)(SET′Z(CDRY);Z得到值(bc)11/7/202224華北電力大學(xué)謂詞函數(shù)

(2)相等謂詞EQUAL功能 判斷兩個參數(shù)是否邏輯相等例如：(EQUAL′a′a);返回T(EQUAL′(ab)′(ac));返回NIL

(3)判空表函數(shù)NULL功能 判斷參數(shù)是否為空表，是則返回T，否則返回NIL11/7/202226華北電力大學(xué)條件函數(shù)條件函數(shù)類似于分支語句，其作用是控制程序的流程

格式 (COND(P1e1) (P2e2) … (Pnen))其中Pi(i=1,...,n)為謂詞，ei(i=1,...,n)為一個或多個S─表達(dá)式

功能 如果P1為真，則COND函數(shù)的值為e1。否則，判斷P2，……直到某個Pi真為止，然后將對應(yīng)的ei作為函數(shù)值。若沒有一個Pi的值為非NIL，則COND的返回值為NIL。特別地，Pi也可以為邏輯常量T，這時則對其對應(yīng)的各表達(dá)式求值，并把最后一個表達(dá)式的值作為COND的返回值

11/7/202227華北電力大學(xué)條件函數(shù)例如：(COND((NULLx)0)((ATOMx)1)((LISTPx)(LENGTHx)))其語義是，若x的值為NIL，則COND的返回值為0;若x為原子，則COND的返回值為1;若x的值為表，則COND的返回值為表的長度11/7/202228華北電力大學(xué)例定義求N!的LISP函數(shù)階乘的公式是n!＝n×(n-1)!1!＝10!＝1其LISP函數(shù)如下：(DEFUNN!(n)(COND((=n0)1)((=n1)1)(T(*n(N!(-n1))))))該函數(shù)的最后一行中又調(diào)用了它自己→這個函數(shù)N!是遞歸定義的11/7/202230華北電力大學(xué)例HANOI（DEFUNHANOI（abcn）

當(dāng)只有一個盤子時，直接將a上的盤子移動到c上

（COND（（＝n1）（MOVE－DISKac））

其他情況，通過遞歸，先將柱a上的n－1個盤子通過柱c移到柱b上

（T（HANOIacb（－n1））

再將柱a上的一個盤子移動到柱c上

（MOVE－DISKac）

最后再通過遞歸，將柱b上的n－1個盤子通過柱a移動到柱c上 （HANOIbac（－n1）））））函數(shù)MOVE-DISK起顯示的作用，表示從柱from到柱to移動了一個盤子

（DEFUNMOVE－DISK（fromto）

TERPRI是回車換行函數(shù)，PRINC是顯示參數(shù)的函數(shù) （TERPRI）

（PRINC”MoveDiskFrom”）

（PRINCfrom）

（PRINC”To”）

（PRINCto））

11/7/202231華北電力大學(xué)內(nèi)容綜述函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP邏輯性程序設(shè)計語言PROLOGPROLOG程序設(shè)計11/7/202232華北電力大學(xué)邏輯型程序設(shè)計語言PROLOG1972年，法國馬賽大學(xué)的Alain.Colmerauer提出了Prolog的雛型1975年，Prolog被用于問題求解系統(tǒng)，此后在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫、定理證明、智能問題求解、計算機(jī)輔助設(shè)計、規(guī)劃生成等領(lǐng)域Prolog語言是以一階謂詞邏輯的Horn子句集為語法，以Robinson的消解原理為工具，加上深度優(yōu)先的控制策略而形成的人工智能通用程序設(shè)計語言11/7/202233華北電力大學(xué)Horn邏輯文字：原子公式(正文字)或原子公式的否定(負(fù)文字)P,Q,?R子句：若干文字的析取 ?P∨Q∨R在數(shù)理邏輯中，霍恩子句（HornClause）是帶有最多一個肯定文字的子句(文字的析取)Horn子句：子句L1∨L2∨…∨Ln中如果至多只含一個正文字，那么該子句稱為Horn子句。Horn子句P∨?Q1∨?Q2∨…∨?Qn通常表示為：PQ1,Q2,…,Qn11/7/202234華北電力大學(xué)Horn邏輯Horn子句的類型：過程：PQ1,Q2,…,Qn事實：P目標(biāo)：Q1,Q2,…,Qn空子句：?11/7/202235華北電力大學(xué)Horn邏輯例:過程：AT(dog,x)

AT(Zhang,x) 事實：AT(Zhang,train)

目標(biāo)：AT(dog,train)

首先目標(biāo)中過程調(diào)用AT(dog,train)與過程名AT(dog,x)匹配，合一為{train/x}，調(diào)用過程AT(Zhang,x)，從而產(chǎn)生新目標(biāo)

AT(Zhang,train)，與事實匹配，產(chǎn)生目標(biāo)?。因而調(diào)用成功，輸出“是”。11/7/202236華北電力大學(xué)Prolog的基本特點Prolog既是一種邏輯程序設(shè)計語言，又是一個邏輯系統(tǒng)Prolog是一種描述性語言，是一種面向問題的語言，只需要告訴它要做什么，即給出問題的形式描述，而不需要知道應(yīng)該如何做Prolog完全依靠匹配、回溯來進(jìn)行搜索Prolog有很強(qiáng)的描述能力11/7/202237華北電力大學(xué)內(nèi)容綜述函數(shù)型程序設(shè)計語言LISP邏輯性程序設(shè)計語言PROLOGPROLOG程序設(shè)計PROLOG語句PROLOG程序PROLOG程序的運行機(jī)理其它11/7/202238華北電力大學(xué)PROLOG的語句PROLOG語言只有三種語句，分別為:事實(fact)規(guī)則(rule)問題(question)

11/7/202239華北電力大學(xué)事實(fact)格式 <謂詞名>(<項表>).謂詞名是以小寫英文字母打頭的字母、數(shù)字、下劃線等組成的字符串項表是以逗號隔開的項序列例如：student(john).like(mary,music).功能一般表示對象的性質(zhì)或關(guān)系

作為特殊情形，事實也可以只有謂詞名而無參量例如：abc.repeat.11/7/202240華北電力大學(xué)規(guī)則(rule)格式<謂詞名>(<項表>):-<謂詞名>(<項表>){,<謂詞名>(<項表>)}.“:-”號表示“if”左部的謂詞是規(guī)則的結(jié)論（亦稱為頭）右部的謂詞是規(guī)則的前提（亦稱為體）{}表示零次或多次重復(fù)逗號表示and(邏輯與)例如：bird(X):-animal(X),has(X,feather).grandfather(X,Y):-father(X,Z),father(Z,Y).功能一般表示對象間的因果關(guān)系、蘊(yùn)含關(guān)系或?qū)?yīng)關(guān)系作為特殊情形，規(guī)則中的謂詞也可以只有謂詞名而無參量例如：run:-start,step1(X),step2(X),end.11/7/202241華北電力大學(xué)問題(question)格式?-<謂詞名>(<項表>){,<謂詞名>(<項表>)}.例如：?-student(john).?-like(mary,X).功能問題表示用戶的詢問，是程序運行的目標(biāo)11/7/202242華北電力大學(xué)Prolog的一些內(nèi)建謂詞Prolog提供了一些有用的內(nèi)建謂詞(Built-inPredicates)內(nèi)建謂詞和用戶定義謂詞使用方式類似常用內(nèi)建謂詞等價謂詞：=永真和永假：true;fail載入程序文件：consult/1終端輸出write/1;nl/011/7/202243華北電力大學(xué)PROLOG程序PROLOG程序一般由一組事實、規(guī)則和問題組成。問題是程序執(zhí)行的起點，稱為程序的目標(biāo)。例如下面就是一個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,music).?-friend(john,Y).四條事實兩條規(guī)則一個問題11/7/202244華北電力大學(xué)PROLOG程序的運行機(jī)理PROLOG程序的運行是從目標(biāo)出發(fā)，并不斷進(jìn)行匹配、合一、歸結(jié)，有時還要回溯，直到目標(biāo)被完全滿足或不能滿足時為止匹配？合一？回溯？11/7/202245華北電力大學(xué)PROLOG程序的運行機(jī)理自由變量與約束變量PROLOG中稱無值的變量為自由變量，有值的變量為約束變量一個變量取了某值就說該變量約束于某值或者說該變量被某值所約束或者說該變量被某值實例化了11/7/202246華北電力大學(xué)PROLOG程序的運行機(jī)理匹配合一：指兩個謂詞的名相同，參量項的個數(shù)相同，參量類型對應(yīng)相同，并且對應(yīng)參量項滿足下列條件之一(1)如果兩個都是常量，則必須完全相同(2)如果兩個都是約束變量，則兩個約束值必須相同(3)如果其中一個是常量，一個是約束變量，則約束值與常量必須相同(4)至少有一個是自由變量例如：下面的兩個謂詞

pre1(“ob1”,“ob2”,Z).pre1("ob1",X,Y).只有當(dāng)變量X被約束為"ob2"，且Y、Z的約束值相同或者至少有一個是自由變量時，它們才是匹配合一的11/7/202247華北電力大學(xué)PROLOG程序的運行機(jī)理回溯在程序運行期間，當(dāng)某一個子目標(biāo)不能滿足（即謂詞匹配失?。r，控制就返回到前一個已經(jīng)滿足的子目標(biāo)（如果存在的話），并撤消其有關(guān)變量的約束值，然后再使其重新滿足。成功后，再繼續(xù)滿足原子目標(biāo)。如果失敗的子目標(biāo)前再無子目標(biāo)，則控制就返回到該子目標(biāo)的上一級目標(biāo)（即該子目標(biāo)謂詞所在規(guī)則的頭部）使它重新匹配?；厮菀彩荘ROLOG的一個重要機(jī)制11/7/202248華北電力大學(xué)設(shè)所給的詢問是?-friend(john,Y).(john和誰是朋友?)則求解目標(biāo)為friend(john,Y).這時，系統(tǒng)對程序進(jìn)行掃描，尋找能與目標(biāo)謂詞匹配合一的事實或規(guī)則頭部。顯然，程序中前面的四條事實均不能與目標(biāo)匹配，而第五個語句的左端即規(guī)則PROLOG程序的運行過程11/7/202249華北電力大學(xué)friend(john,X):-likes(X,reading),likes(X,music).頭部可與目標(biāo)謂詞匹配合一。但由于這個語句又是一個規(guī)則，所以其結(jié)論要成立則必須其前提全部成立。于是，對原目標(biāo)的求解就轉(zhuǎn)化為對新目標(biāo)likes(X,reading),likes(X,music).的求解。這實際是經(jīng)歸結(jié)，規(guī)則頭部被消去，而目標(biāo)子句變?yōu)?-likes(X,reading),likes(X,music).現(xiàn)在依次對子目標(biāo)likes(X,reading)和likes(X,music)求解PROLOG程序的運行過程11/7/202250華北電力大學(xué)子目標(biāo)的求解過程與主目標(biāo)完全一樣，也是從頭對程序進(jìn)行掃描，不斷進(jìn)行測試和匹配合一等，直到匹配成功或掃描完整個程序為止?？梢钥闯?，對第一個子目標(biāo)like(X,reading)的求解因無可匹配的事實和規(guī)則而立即失敗，進(jìn)而導(dǎo)致規(guī)則friend(john,X):-likes(X,reading),likes(X,music).的整體失敗。于是，剛才的子目標(biāo)likes(X,reading)和likes(X,music)PROLOG程序的運行過程11/7/202251華北電力大學(xué)被撤消，系統(tǒng)又回溯到原目標(biāo)friend(john,X)這時，系統(tǒng)從該目標(biāo)剛才的匹配語句處（即第五句）向下繼續(xù)掃描程序中的子句，試圖重新使原目標(biāo)匹配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)第六條語句的左部，即規(guī)則friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music).的頭部可與目標(biāo)為謂詞匹配。但由于這個語句又是一個規(guī)則，于是，這時對原目標(biāo)的求解，就又轉(zhuǎn)化為依次對子目標(biāo)likes(X,sports)和likes(X,music)PROLOG程序的運行過程11/7/202252華北電力大學(xué)的求解。這次子目標(biāo)likes(X,sports)與程序中的事實立即匹配成功，且變量X被約束為bell。于是，系統(tǒng)便接著求解第二個子目標(biāo)。由于變量X已被約束，所以這時第二個子目標(biāo)實際上已變成了likes(bell,music).由于程序中不存在事實likes(bell,music)，所以該目標(biāo)的求解失敗。于是，系統(tǒng)就放棄這個子目標(biāo)，并使變量X恢復(fù)為自由變量，然后回溯到第一個子目標(biāo)，重新對它進(jìn)行求解。由于系統(tǒng)已經(jīng)記住了剛才已同第一子目標(biāo)謂詞匹配過的事實的位置，所以重新求解時，便從下一個事實開始測試。PROLOG程序的運行過程11/7/202253華北電力大學(xué)易見，當(dāng)測試到程序中第三個事實時，第一個子目標(biāo)便求解成功，且變量X被約束為mary。這樣，第二個子目標(biāo)也就變成了likes(mary,music).再對它進(jìn)行求解。這次很快成功。由于兩個子目標(biāo)都求解成功，所以，原目標(biāo)friend(john,Y)也成功，且變量Y被約束為mary(由Y與X的合一關(guān)系)。于是，系統(tǒng)回答：Y=mary程序運行結(jié)束。上面只給出了問題的一個解。如果需要和可能的話，系統(tǒng)還可把john的所有朋友都找出來。我們把上述程序的運行過程再用示意圖描述如下：PROLOG程序的運行過程11/7/202254華北電力大學(xué)圖PROLOG程序運行機(jī)理示例PROLOG程序的運行過程②①③④⑤⑥⑦⑧⑨11/7/202255華北電力大學(xué)循環(huán)Prolog可以實現(xiàn)計數(shù)循環(huán)。例：student(1,'張三',90.2).student(2,'李四',96.5).student(3,'王五',96.4).print:-student(Number,Name,Score),write(Number),write(Name),write(Score),nl,Number=3.print2:-student(Number,Name,Score),write(Number),write(Name),write(Score),nl,Number=2.Prolog可以實現(xiàn)不計數(shù)循環(huán)（Do循環(huán)）print1:-student(Number,Name,Score),write(Number),write(Name),write(Score),nl,fail.11/7/202256華北電力大學(xué)表處理與遞歸表是有若干元素的有序序列，表中元素也可以為表PROLOG中采用一對方括號[]把表元素括起來，每個元素間用逗號或空格分開，例如：

[m,n,d,f]在PROLOG內(nèi)引入“｜”符號，如[H|T]表示一個以H為首，以T為尾的表例如表[m,n,d,f]中，表頭為m表尾為[n,d,f][apple,orange,banana]apple[orange,banana][[a,b],[c],[d,e]][a,b][[c],[d,e]]['prolog']'prolog'

[][]無定義無定義

11/7/202257華北電力大學(xué)表處理與遞歸例：設(shè)計一個能判斷對象X是表L的成員的程序分析：（1）如果X與L的表頭是同一個對象，則X是L的成員（2）如果X是L的表尾的成員，則X是L的成員程序：member(X,[X|Tail]).member(X,[Head|Tail]):-member(X,Tail).11/7/202258華北電力大學(xué)表處理與遞歸表的拼接程序，即把兩個表連接成一個表append([],L,L).append([H|T],L2,[H|Tn]):-append(T,L2,Tn).例：:-?-append([1,2,3],[4,5],[1,2,3,4,5]).yes:-?-append([1,2,3],[4,5],[1,2,3,4,5,6]).no11/7/202259華北電力大學(xué)表處理與遞歸表的輸出 print([]). print([H|T]):-write(H),print(T).?-print([3|[4,5,6,7]]).?-print([1,2,3]).11/7/202260華北電力大學(xué)表處理與遞歸例：表的倒置 reverse([],[]). reverse([H|T],L):-reverse(T,L1),append(L1,[H],L).:-?-reverse([1,2,3],X).X=[3,2,1]11/7/202261華北電力大學(xué)截斷直到目前為止，我們都一直在使用Prolog內(nèi)建的回溯功能。使用此功能可以方便地寫出結(jié)構(gòu)緊湊的謂詞來但是，并不是所有的回溯都是必須的，這時我們需要能夠人工地控制回溯過程Prolog提供了完成此功能的謂詞，叫做cut，使用符號！來表示，如果在cut處產(chǎn)生回溯，它會自動地失敗，而不去進(jìn)行其它的選擇11/7/202262華北電力大學(xué)截斷—例子p(a).p(b).q(b).r