湖南大學人工智慧實驗二：Prolog程式設計求解圖搜尋問題

說在前面：這個實驗我也是抄的 真的有人會寫prolog嘛？

程式碼連結：人工智慧實驗

人工智慧實驗二：Prolog程式設計求解圖搜尋問題

一.實驗目的

1. 熟悉PROLOG的執行環境，進行PROLOG的基本程式設計練習；

   瞭解PROLOG語言中常量、變數的表示方法。PROLOG的簡單程式結構，掌握分析問題、詢問解釋技巧；進行事實庫、規則庫的編寫，並在此基礎上進行簡單的詢問。

2. 求解圖搜尋問題。

   任選一個以下實際應用題目：愛因斯坦的超級問題、字謎問題、漢諾塔問題、八數碼問題、八皇后問題、農夫過河問題、傳教士與野人問題。

二.實驗的硬體、軟體平臺

__硬體：__計算機

__軟體：__作業系統：WINDOWS

__應用軟體：__GNU Prolog

三.實驗內容及步驟

熟悉prolog語言的使用並實現求解圖搜尋問題

實驗步驟：

1. 安裝prolog整合開發環境
2. 採用prolog編寫所選問題的源程式
3. 編譯程式，輸出查詢問題的結果或資料

四.實驗報告要求

1. 通過PROLOG的基本程式設計練習，說明實驗的方法和步驟；

2. 針對圖搜尋要求，說明求解的問題與程式、程式分析、註釋、執行結果等，在討論與結論部分說明實驗收穫、難點重點討論等；

3. 附上所有實驗原始碼。

五.實驗步驟

通過PROLOG的基本程式設計練習，說明實驗的方法和步驟

原子：小寫字母開頭

變數：大寫字母開頭

符合用來組成事實

規則：且：, 或：. 非：\+

loves(jack,mia).
loves(marsellus,mia).
loves(mike,john).
loves(john,mike).
 
jealous(X,Y):- loves(X,Z), loves(Y,Z).

| ?- jealous(jack, marsellus).

yes
| ?- jealous(mike, john).

no

列表：[A, B, C]，可以通過[Head|Tail]解析

| ?- [Head|Tail] = [A, B, C].

Head = A
Tail = [B,C]

yes

匿名變數：_

| ?- [A, B, C, D] = [_,Head|Tail].

Head = B
Tail = [C,D]

yes

內建謂詞

member:檢查某一個值是否在一個列表內

fd_all_different:檢查列表中是否有重複元素

fd_domain:驗證值是否在一個範圍之內

length：獲取列表的長度

針對圖搜尋要求，說明求解的問題與程式、程式分析、註釋、執行結果等，在討論與結論部分說明實驗收穫、難點重點討論等

求解的問題

在8×8格的國際象棋上擺放8個皇后，使其不能互相攻擊，即任意兩個皇后都不能處於同一行、同一列或同一斜線上，問有多少種擺法。

程式

valid((_,Col)):-
    Range = [1,2,3,4,5,6,7,8],
    member(Col,Range).

valid_board([]).
valid_board([Head|Tail]):- valid(Head),valid_board(Tail).

cols([],[]).
cols([(_,Col)|QueensTail],[Col|ColsTail]):-
    cols(QueensTail,ColsTail).
    
main_diag([],[]).
main_diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col - Row,
    main_diag(QueensTail,DiagonalsTail).
    
diag([],[]).
diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col + Row,
    diag(QueensTail,DiagonalsTail).

eight_queens(Board) :-
    Board = [(1, _), (2, _), (3, _), (4, _), (5, _), (6, _), (7, _), (8, _)],
    valid_board(Board),
    
    cols(Board,Cols),
    main_diag(Board,Main_diag),
    diag(Board,Diag),
    
    fd_all_different(Cols),
    fd_all_different(Main_diag),
    fd_all_different(Diag).

程式分析及註釋

1. 主體部分：

eight_queens(Board) :-
    Board = [(1, _), (2, _), (3, _), (4, _), (5, _), (6, _), (7, _), (8, _)],
    valid_board(Board),
    
    cols(Board,Cols),
    main_diag(Board,Main_diag),
    diag(Board,Diag),
    
    fd_all_different(Cols),
    fd_all_different(Main_diag),
    fd_all_different(Diag).

2. 既然是8皇后問題，自然要定義一個8 * 8的棋盤，根據約束條件：不能位於同一行，所以按照prolog的語法棋盤可表示為：

Board = [(1, _), (2, _), (3, _), (4, _), (5, _), (6, _), (7, _), (8, _)]

棋盤生成之後就需要檢查是否符合範圍要求，即是不是在棋盤上：

valid_board(Board).

由於Board是以列表的形式呈現，所以可以用之前提到的[Head|Tail]進行判斷，檢查Head指向的當前第一個元素是不是符合要求，再將剩餘的Tail作為新的列表繼續。檢查是不是符合時，只需要判斷列號是不是在1-8的範圍內，這個可以用到內建謂詞member判斷是不是在範圍內。具體實現為

valid((_,Col)):-
    Range = [1,2,3,4,5,6,7,8],
    member(Col,Range).

valid_board([]).
valid_board([Head|Tail]):- valid(Head),valid_board(Tail).

3. 接下來就是生成列號以及得到兩個對角線的數值：

    cols(Board,Cols),
    main_diag(Board,Main_diag),
    diag(Board,Diag),

對於Col列號，只需要從棋盤中取出即可

cols([],[]).
cols([(_,Col)|QueensTail],[Col|ColsTail]):-
    cols(QueensTail,ColsTail).

而對於兩個對角線，則需要通過計算：主對角線為列 - 行，副對角線為列 + 行

main_diag([],[]).
main_diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col - Row,
    main_diag(QueensTail,DiagonalsTail).
    
diag([],[]).
diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col + Row,
    diag(QueensTail,DiagonalsTail).

4. 這樣在最後，只需要保證列號，兩條對角線均不相同，則可完成任務：

    fd_all_different(Cols),
    fd_all_different(Main_diag),
    fd_all_different(Diag).

執行結果

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片儲存下來直接上傳(img-QsnSdAVv-1609253228360)(C:\Users\a2783\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20201121165519777.png)]

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均符合要求

實驗收穫

這次實驗最大的應該就是一定程度上掌握了prolog語言吧，瞭解到了還有一門這樣的可以進行邏輯推理，程式設計也比較方便的語言。主要的難點部分的話，應該就是prolog語法的學習，因為在之前一直沒有接觸過，而且有的地方的不熟練也在一定程度上限制了程式設計，所以這次實驗主要的時間都是耗費在了prolog的學習之上。

實驗原始碼

valid((_,Col)):-
    Range = [1,2,3,4,5,6,7,8],
    member(Col,Range).

valid_board([]).
valid_board([Head|Tail]):- valid(Head),valid_board(Tail).

cols([],[]).
cols([(_,Col)|QueensTail],[Col|ColsTail]):-
    cols(QueensTail,ColsTail).
    
main_diag([],[]).
main_diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col - Row,
    main_diag(QueensTail,DiagonalsTail).
    
diag([],[]).
diag([(Row,Col)|QueensTail],[Diagonal|DiagonalsTail]):-
    Diagonal is Col + Row,
    diag(QueensTail,DiagonalsTail).

eight_queens(Board) :-
    Board = [(1, _), (2, _), (3, _), (4, _), (5, _), (6, _), (7, _), (8, _)],
    valid_board(Board),
    
    cols(Board,Cols),
    main_diag(Board,Main_diag),
    diag(Board,Diag),
    
    fd_all_different(Cols),
    fd_all_different(Main_diag),
    fd_all_different(Diag).