用prolog推理家族关系

Prolog语言知识推理系列文章 ，不同编程语言有着不同编程视角，JAVA是面向对象，Nodejs是异步回调，R语言是统计算法，Prolog就是知识推理。每种语言都是独特的，如果想把一门语言学好用好，关键是利用语言的特点，做对的事情。

本系列文章主要介绍Prolog语言，从入门安装到知识推理。Prolog是完全不一样的，他没有复杂的程序结构，也不是为了解决算法问题，而是专注于逻辑推理，擅长解决抽象的问题。

关于作者：

• 张丹，分析师/程序员/Quant: R,Java,Nodejs
• blog: http://fens.me
• email: [email protected]

前言

最近在研究逻辑推理的一些问题，无意中发现了一门编程语言prolog就是解决推理问题的。家族关系是社会生活中一个重要的组成元素，每个人都有自己的家族关系网，这种关系结构并不是很容易地表达，而且人物关系一旦多了，会非常地复杂。

试试prolog的在推理上的强大之处，能否帮我们解决复杂的社会问题的推理计算过程。

目录

1. 家族关系定义
2. 用prolog表达家族关系
3. 推理计算

1. 家族关系定义

我们虚拟一个家族关系，共16个人，8男8女，包括几个不同的维度关系，性别，家长，孩子，结婚，兄弟，姐妹等，如下图所示。

上图注释：

• 性别特征：男为蓝色方形，女为橙色圆形。
• 家长关系：用蓝色箭头表示，箭头的开始为家长，箭头的指向为孩子。
• 婚姻关系：用红色连线表示，两端为结婚的男性和女性。

2. 用prolog表达家族关系

我们首先建立一个prolog的文件叫family.pl，在family.pl中定义关系的定义，如果直接在prolog的运行环境中运行代码代码，则会出现DWIM could not correct goal的错误，错误解决请参考文章prolog语言安装

新建文件family.pl。在window中可以直接在任何文本编辑器中，新建一个文件。

~ notepad c:/work/prolog/02 family/family.pl

根据prolog语言的语法结构，我们需要在编程时，分别定义事实（Fact）、规则（Rule）和问题（Question）。

• 事实，就是把具体的对象进行语言表达和描述。
• 规则，就是建立对象之间的关系。
• 问题，就是用prolog来找答案。

事实：建立对象的性别特征，女性和男性。

% female: a,c,i,k,m,e,g,o
% male:   b,d,j,l,n,f,h,p
female(a).
female(c).
female(i).
female(k).
female(m).
female(e).
female(g).
female(o).
male(b).
male(d).
male(j).
male(l).
male(n).
male(f).
male(h).
male(p).

规则：建立家长关系

% parent
parent(a,d).
parent(a,j).
parent(b,d).
parent(c,m).
parent(c,n).
parent(d,m).
parent(d,n).
parent(d,g).
parent(e,g).
parent(e,h).
parent(f,h).
parent(g,o).
parent(i,k).
parent(i,l).
parent(j,k).
parent(j,l).

规则：建立婚姻关系

% married
married(a,b).
married(c,d).
married(i,j).
married(e,f).
married(o,p).

通过上面的代码，我们就让这个家族关系的事实和基本规则建立完成了。

3. 推理计算

接下来，我们就可以进行关系的计算了。我们只需要提出问题，让程序自动实现推理计算的过程。

首先需要打开prolog运行环境，然后加载刚写的family.pl脚本文件。

# 启动 prolog运行环境
~ swipl

# 设置工作路径
?- cd("c:/work/prolog/02 family/").
true.

# 加载脚本
?- [family].
true.

问题1：a是谁的家长

?- parent(a,Who).
Who = d ;
Who = j.

a是我们之前定义好的常量，Who是变量，用Who表达结果。得出a是d和j的家长。

问题2：d是谁的孩子

?- parent(Who,d).
Who = a ;
Who = b.

通过家长的反向规则，可计算出孩子。

我们可以新建一个规则：建立孩子关系，家长关系的反向关系。

child(X,Y) :- parent(Y,X).

重新加载family.pl文件再运行。

?- child(d,Who).
Who = a ;
Who = b.

问题3：g的爸爸是谁？

需要满足2个条件，是g的家长，同时是男性。

?- parent(X,g),male(X).
X = d .

我们可以新建一个规则：建立父子关系和母子关系。

% mother, father
mother(X,Y) :- parent(X,Y),female(X).
father(X,Y) :- parent(X,Y),male(X).

g的爸爸和g的妈妈。

% g的爸爸
?- father(Who,g).
Who = d .

% g的妈妈
?- mother(Who,g).
Who = e.

问题4：e和f结婚了吗？

结婚是一个双方关系，需要计算e和f是否结婚，同时还需要判断f和e是否结婚。

?- married(e,f).
true.

?-  married(f,e).
false.

我们需要建立f和e的新规则：建立双向的婚姻关系。

% 建立双向的婚姻关系
married(X,Y) :-  married(Y,X).

重新加载后，计算f和e的婚姻规则。

?- married(f,e).
true .

问题5：谁是亲姐妹，谁是亲兄弟

谁是亲姐妹，设X和Y是亲姐妹，Z是X和Y的家长，X和Y都是女性，X不是Y。

?- parent(Z,X),parent(Z,Y),female(X),female(Y), \+ X=Y.
Z = d,
X = m,
Y = g ;
Z = d,
X = g,
Y = m ;
false.

计算得出X=m和Y=g是亲姐妹，她们的家长是Z=d。

那么，谁是亲兄弟？设X和Y是亲兄弟，Z是X和Y的家长，X和Y都是男性，X不是Y。

?- parent(Z,X),parent(Z,Y),male(X),male(Y), \+ X=Y.
Z = a,
X = d,
Y = j ;
Z = a,
X = j,
Y = d ;
false.

计算得出X=d和Y=j是亲兄弟，她们的家长是Z=a。

新加新规则：建立兄弟和姐妹的关心。

sister(X,Y) :- parent(Z,X),parent(Z,Y),female(X),female(Y), \+ X=Y.
brother(X,Y) :- parent(Z,X),parent(Z,Y),male(X),male(Y), \+ X=Y.

问题6：祖父母，姥姥姥爷，爷爷奶奶

在英语里祖父母似乎是不分的，都叫grandparent，而在汉语里妈妈的父母是姥姥和姥爷，爸爸的父母是爷爷和奶奶，规则有所不同。

直接新规则：

% grandparent
grandparent(X,Y) :- parent(X,Z),parent(Z,Y).

% yeye,nainai
yeye_nainai(Y,X) :- father(Z,X),parent(Y,Z).

% laolao,laoye
laolao_laoye(Y,X) :- mother(Z,X),parent(Y,Z).

重新加载程序：o的祖父母是谁？

?- grandparent(Y,o).
Y = d ;
Y = e ;
false.

o的姥姥和姥爷是谁？

?- laolao_laoye(Y,o). 
Y = d ;
Y = e.

n的爷爷和奶奶是谁？

?- yeye_nainai(Y,n).
Y = a ;
Y = b.

其实，可以找的关系还有很多，比如表兄妹，姑姑，婶婶，舅舅，姨夫等，同时我们也可以增加其他维度的内容，比如同在一所大学，谁与谁曾经结婚又离婚了，孩子谁在抚养等多种逻辑上复杂的问题。

本文的完整代码，可以在github上找到： https://github.com/bsspirit/prolog-learning/tree/main/02 family

同样，本文还是对于prolog的初探，进行逻辑推理，从浅入入深的过程，希望本文能让所有的prolog新手快速上手。