Max Bramer：logic Programming With Prolog@2013 (第2版)

以下是從提供的資料中提取並詳盡解釋的主要論點：

Prolog 的核心哲學與基礎建構

Prolog 是一種與傳統程序式程式語言（如 C 或 Java）截然不同的程式語言，其核心在於邏輯編程範式。Prolog 的程式並非一系列按順序執行的指令，而是對已知事實和規則的聲明式描述。這種聲明式方法（Declarative Programming）關注於「是什麼」（What is true），而不是「如何做」（How to compute），與描述計算步驟的程序式方法形成鮮明對比。Prolog 的設計深受數學邏輯和自動定理證明研究的影響，其程式可以被視為一個邏輯理論，而查詢則是需要證明的定理。

Prolog 程式的基本建構單元只有三種：事實 (Facts)、規則 (Rules)和查詢 (Queries)。
* 事實用於聲明無條件為真的知識，例如 dog(fido). 表示「fido 是狗」。
* 規則用於聲明有條件為真的知識，形式為 頭部 :- 體部.，表示「頭部為真，如果體部為真」。體部包含一個或多個由逗號分隔的目標（Goals），逗號表示邏輯「且」。例如 animal(X) :- dog(X). 表示「對於任何 X，如果 X 是狗，那麼 X 是動物」。
* 查詢是用戶向 Prolog 系統提出的問題，系統嘗試根據事實和規則來證明查詢是否為真。查詢可以包含變量，系統會嘗試找到使查詢為真的變量綁定。

事實和規則統稱為子句 (Clauses)，它們共同構成了程式的謂詞 (Predicates)定義。一個謂詞由所有具有相同函子（名稱）和元數（參數個數）的子句組成。Prolog 程式實際上就是一個由子句構成的數據庫。

數據表示：項 (Terms)

在 Prolog 中，所有的數據對象都被稱為項 (Terms)。項是 Prolog 處理的基本單位，可以分為幾種類型：
* 數字 (Numbers)：整數（如 100, -5）和（通常）浮點數（如 3.14）。
* 原子 (Atoms)：常量，類似於其他語言中的字符串或符號，但有特定的命名規則。以小寫字母開頭的字母、數字、下劃線序列（如 john, my_atom）或用單引號括起來的任意字符序列（如 'Hello World', 'a-b'）。
* 變量 (Variables)：以大寫字母或下劃線開頭的字母、數字、下劃線序列（如 X, Person, _123）。變量用於表示未知或可變的值。特殊的匿名變量 (Anonymous Variable) _ 用於表示不關心其值的變量。
* 複合項 (Compound Terms)：由一個函子（原子）和一組參數（項）組成，寫作 函子(參數1, 參數2, ...)，例如 likes(john, mary)。函子的參數個數稱為其元數 (Arity)。複合項是 Prolog 中表示結構化數據的核心方式，類似於記錄或結構體。
* 列表 (Lists)：一種特殊的複合項，用於表示任意數量的項的有序序列，寫作 [元素1, 元素2, ...]，例如 [dog, cat, 123, mypred(a), [a, b]]。列表非常靈活，可以包含任何類型的項，包括其他列表。空列表表示為 []。列表通常用 Cons 表示法 [頭部|尾部] 來處理，頭部是列表的第一個元素，尾部是其餘元素的列表，這對於遞歸處理列表非常有用。

原子和複合項統稱為可呼叫項 (Call Terms)，因為它們可以用作查詢或規則體中的目標。

程式執行機制：統一 (Unification) 與回溯 (Backtracking)

Prolog 執行查詢的核心機制是統一 (Unification)和回溯 (Backtracking)，這構成了其內建的定理證明過程。
* 統一：當系統嘗試滿足一個目標時，它會搜尋數據庫中具有相同謂詞（相同函子和元數）的子句。如果目標與子句的頭部「統一」，則表示匹配成功。統一是一個使兩個項變得相同的過程，通常涉及將變量綁定 (Binding)到特定的值。例如，目標 dog(X) 與事實 dog(fido) 可以統一，通過將變量 X 綁定到原子 fido。
* 回溯：如果一個目標有多種統一的可能性（例如，有多個事實或規則的頭部與目標統一），或者當一個目標的體部包含多個子目標，而其中一個子目標失敗時，Prolog 系統會自動觸發回溯。回溯是指系統返回到最近一個成功滿足的目標，嘗試尋找另一種滿足它的方式（即與下一個可統一的子句進行統一）。這個過程會系統地探索所有可能的解。

Prolog 預設的目標評估順序是從左到右處理規則體中的子目標，而子句的匹配則是從上到下按照它們在數據庫中的順序進行。這種固定的順序對於實際程式的執行行為至關重要，尤其是在涉及輸入/輸出或動態數據庫修改時。

控制流程：遞歸與回溯控制

雖然缺乏傳統的循環結構（如 for, while 循環），Prolog 提供了強大的機制來實現重複和條件執行：
* 遞歸 (Recursion)：這是 Prolog 中實現重複計算和處理數據結構（尤其是列表）的基本和最常見的方法。一個謂詞可以通過調用自身來定義，需要包含一個或多個終止條件（Base Cases）來停止遞歸。
* repeat 謂詞：一個特殊的內建謂詞，總是在被調用時成功，並且在回溯時也能無限次成功。它可以與 fail 或其他測試條件結合使用，構造出基於回溯的循環。
* Backtracking with Failure：通過在規則體中使用 fail 謂詞，可以強制回溯，配合目標評估順序，可以實現遍歷整個數據庫以尋找所有匹配項的效果。
* Cut (剪斷/剪枝)：特殊的內建謂詞 ! 用於限制回溯。一旦 ! 被執行，Prolog 就不能再回溯到 ! 之前的目標去尋找其他的解，也不能嘗試與當前規則頭部以外的子句進行統一。Cut 是一個強大的工具，但也可能導致程式的非聲明性行為和潛在的錯誤，需謹慎使用。!, fail 的組合常用於定義例外情況或強制失敗。

輸入輸出與數據庫操作

Prolog 提供了處理輸入和輸出的內建謂詞：
* 項的輸入輸出：read(X) 從當前輸入流讀取一個項（需以句號結束），並嘗試與 X 統一。write(Term) 和 writeq(Term) 向當前輸出流寫入一個項。
* 字符的輸入輸出：get0(X) 和 get(X) 從當前輸入流讀取一個字符的 ASCII 值。put(N) 向當前輸出流寫入一個 ASCII 值對應的字符。
* 文件操作：see(Filename) 將當前輸入流切換到指定文件。tell(Filename) 將當前輸出流切換到指定文件。seen 和 told 分別關閉當前輸入/輸出文件並將流切換回用戶終端 (user)。

Prolog 程式本身就是數據庫，其內容可以在程式執行時被修改。
* 動態謂詞 (Dynamic Predicates)：預設情況下，從文件載入的謂詞是靜態的，不能在執行時修改。需要通過 :- dynamic(謂詞/元數). 指示來聲明謂詞為動態的，才能進行修改。
* 修改數據庫：assertz(Clause) 在謂詞子句列表末尾添加一個子句。asserta(Clause) 在謂詞子句列表開頭添加一個子句。retract(Clause) 刪除第一個與 Clause 統一的子句。retractall(Head) 刪除所有頭部與 Head 統一的子句。這些功能使得構建動態知識庫或外殼程序成為可能。

高級特性與應用

Prolog 包含一些高級特性，增強了其表達能力和靈活性：
* 運算符定義：用戶可以定義自己的運算符（通過 op/3 謂詞），包括前綴、中綴和後綴運算符，並指定它們的優先級，從而創建更具可讀性的程式碼（例如，自定義數學運算、字符串連接或集合操作符）。
* 項處理謂詞：Prolog 可以將項分解為其組成部分，或從組成部分構造項。
* Term =.. List (univ 運算符) 在項和表示該項結構的列表之間進行轉換（列表的第一個元素是函子，其餘是參數）。
* functor(Term, Functor, Arity) 獲取或構造項的函子和元數。
* arg(N, Term, Arg) 獲取複合項的第 N 個參數。
* call(Goal) 將一個項作為目標來執行。這些謂詞對於編寫元程式（處理其他 Prolog 程式的程式）和需要靈活處理結構化數據的應用非常有用。
* 字符串處理：雖然原子是基本的字符串形式，Prolog 通常通過 name(Atom, ListOfCharCodes) 謂詞將原子轉換為字符代碼列表，然後利用列表處理技術進行操作。
* 語法規則 (Grammar Rules)：Prolog 提供特殊的 --> 符號來方便地定義和處理上下文無關文法（如分析自然語言句子）。語法規則本質上是 Prolog 子句的語法糖，簡化了文法定義。phrase(SyntacticTerm, ListOfWords) 謂詞用於測試列表是否符合文法規則。

這些特性使 Prolog 特別適合處理符號性、邏輯性強的問題，如人工智能領域的應用，包括自然語言理解、專家系統、自動規劃和約束滿足問題。Prolog 的聲明式特性和內建的回溯機制，使其在許多情況下能以比程序式語言更簡潔、更優雅的方式解決複雜問題。