Aula “teórico-prática”

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1 Aula “teórico-prática”
Introdução a Prolog Aula “teórico-prática” Aula preparada por Sérgio Queiroz – Algumas transparências foram extraídas da apresentação de introdução a programação em lógica e prolog do professor Jacques Robin.

2 O que é Prolog? Linguagem mais divulgada do paradigma de Programação em Lógica Baseado em cláusulas de Horn P1  P2  P3  ...  Pn  Q Operacionalização simples, prática e eficiente da metáfora da programação em lógica Metáfora da programação em lógica Programar = Declarar axiomas e regras Teoria Lógica x Prolog Axiomas: Fatos prolog Regras: Regras prolog Teoremas: Deduzidos a partir dos fatos e regras

3 Exemplo - Fatos parent(pam, bob). parent(tom, bob). parent(tom, liz).
parent(bob, ann). parent(bob, pat). parent(pat, jim). female(pam). female(ann). female(pat). female(liz). male(bob). male(tom). male(jim). pam tom bob liz ann pat jim

4 Exemplo – Perguntas à base de fatos
Bob é filho de Jim? parent(jim, bob). false Bob é filho de quem? parent(X, bob). X = pam ; X = tom ; Encontre X e Y tal que X é “progenitor” de Y. parent(X, Y). X = pam Y = bob ; ... pam tom bob liz ann pat jim

5 Exemplo – Regras Quem é o pai de bob? parent(X, bob), male(X). X = tom
Definindo uma regra para pai father(X, Y) :- parent(X, Y), male(X). Isto é a sintaxe em prolog para x, y parent(x, y)  male(x)  father(x, y) Agora podemos perguntar father(X, bob). pam tom bob liz ann pat jim

6 Exercício 1 Defina as regras: (arquivo family.P) Defina a regra:
mother(X,Y) sister(X, Y) grandparent(X, Y) Defina a regra: aunt(X, Y) Dica: você pode usar a regra sister(X, Y) definida anteriormente

7 Exemplo – Regras recursivas
Quais são os ancestrais de jim? Podemos expressar a relação ancestor(X, Y) por uma regra recursiva ancestor(X, Y) :- father(X, Y). father(X, Z), ancestor(Z, Y). Faça as perguntas Quem são os ancestrais de Jim? Bob é ancestral de quem? E Jim? pam tom bob jim ann pat liz

8 Sintaxe de Prolog fato -> fa. (abreviação para Formula Atômica)
regra -> fa0 :- fa1, ... , faN. consulta -> fa1, ... , faN. fa -> pred(termo1, ... , termoN) | preop termo1 termo2 | termo1 inop termo2 | termo1 termo2 postop termo -> constante | variável | fa constante -> átomos | números pred -> átomo

9 Sintaxe de Prolog (2) variável ex: C, Chico, Francisco_carvalho, Chico1, _fatc, _ átomo ex: c, fatc, =>, francisco_carvalho, chico1, ‘chico ia’ número ex: 23 termos, fatos, regras e consultas sem variáveis: instanciados (ground) ex.: person(bob,40,cs). termos, fatos e regras com variáveis: universais ex.: father(adao,X). father(X, Y) :- parent(X, Y), male(X). consultas com variáveis: existenciais ex.: - father(F,P).

10 Intepretação de um programa Prolog
P :- Q, R. Interpretações declarativas P é verdadeiro se Q e R forem verdadeiros. Q e R implica P. Interpretações procedurais Para resolver o problema P: Primeiro resolva o subproblema Q Depois resolva o subproblema R Para satisfazer P: Primeiro satisfaça Q E então satisfaça R

11 Interpretador Prolog: Controle e Busca (funcionamento procedural)
Aplica regra de resolução: com estratégia linear (sempre tenta unificar último fato a provar com a conclusão de uma cláusula do programa), na ordem escrita das cláusulas no programa, com encadeamento de regras regressivo (backward-chaining), busca em profundidade e da esquerda para direita das premissas das cláusulas, e com backtracking sistemático e linear quando a unificação falha, e sem occur-check na unificação.

12 Prolog e aritmética Operadores aritméticos O atribuidor is Exemplos
+ adição - subtração * multiplicação / divisão ** potenciação // divisão inteira mod módulo (resto da divisão inteira) O atribuidor is Variável is Expr. Aritmética Exemplos X = 1 + 2 X is 1 + 2 X = 3 X is 5/2, Y is 5//2, Z is 5 mod 2. X = 2.5 Y = 2 Z = 1

13 Prolog e aritmética (2) Operadores de comparação Exemplos
> maior que < menor que >= maior ou igual =< menor ou igual =:= teste de igualdade aritmética =\= teste de diferença aritmética Exemplos 1 + 2 =:= yes 1 + 2 = no 1 + A = B + 2. A = 2 B = 1

14 Exemplo Aritmético - Fatorial
factorial(0, 1). factorial(N, Fn) :- N > 0, M is N - 1, factorial(M, Fm), Fn is N * Fm. (arquivo fac.P) factorial(10, X). X = factorial(10, ). yes factorial(10, 10000). no

15 Exercício 2 Defina uma regra fib(X, Y) que calcula o número de fibonacci de X, atribuindo-o a Y. A sequência de Fibonacci é definida matematicamente como fib(1) = 1 fib(2) = 1 fib(n) = fib(n – 1) + fib(n – 2) Use seu programa para calcular o fib(5). O que acontece quando você calcula o fib(30)?

16 Adicionando e removendo cláusulas dinamicamente
Um programa prolog pode ser visto como um banco de dados Relações Explícitas: fatos Implícitas: regras Predicados built-in permitem a atualização do programa em tempo de execução Adicionar uma nova cláusula assert, asserta, assertz Remover uma cláusula retract No XSB módulos com predicados dinâmicos devem ser carregados com o comando load_dyn/1

17 Usando assert para tornar o programa fib eficiente
fib(N, Fn) :- N > 2, M is N - 1, fib(M, Fm), O is N - 2, fib(O, Fo), Fn is Fm + Fo, asserta(fib(N, Fn)). Agora os resultados parciais são armazenados, não precisando serem recalculados. Teste fib(40, X).

18 Ferramentas de Debug trace/0 : ativa o modo de rastreamento.
O sistema interage com o usuário cada vez que um predicado é: ativado inicialmente (call) retorna com sucesso (exit) vai fazer backtracking (redo) falhou completamente (fail) Podem ser observados predicados específicos com o comando spy(predicado/aridade). Diferentes ações escolhidas na interação com o debugador: Creep (step), Leap (continuar até próximo spy), Skip (desabilita trace até o final desta execução), Abort (aborta a execução atual). notrace/0, nospy/1.

19 Mais um Exemplo Vamos definir a função (arquivo funct.P)
Se X < 3 então Y = 0 Se 3  X e X < 6 então Y = 2 Se 6  X então Y = 4 (arquivo funct.P) f(X, 0) :- X < 3. f(X, 2) :- 3 =< X, X < 6. f(X, 4) :- 6 =< X. 3 6 X Y 2 4

20 Execução do exemplo Como prolog se comporta quando fazemos uma consulta? Vamos acompanhar a execução de uma consulta ativando o mecanismo de trace do xsb. trace. Agora façamos a consulta: f(1, Y), 2 < Y. f(X, 0) :- X < 3. f(X, 2) :- 3 =< X, X < 6. f(X, 4) :- 6 =< X. (0) Call: f(1,_h454) ? c (1) Call: 1 < 3 ? c (1) Exit: 1 < 3 ? c (0) Exit: f(1,0) ? c (2) Call: 2 < 0 ? c (2) Fail: 2 < 0 ? c (0) Redo: f(1,0) ? c (1) Redo: 1 < 3 ? c (1) Fail: 1 < 3 ? c (3) Call: 3 =< 1 ? c (3) Fail: 3 =< 1 ? c (4) Call: 6 =< 1 ? c (4) Fail: 6 =< 1 ? c (0) Fail: f(1,_h454) ? c

21 Diagrama da execução do exemplo
f(1, Y) 2 < Y Regra 1 Y = 0 Regra 3 Y = 4 Regra 2 Y = 2 1 < 3 2 < 0 3 ≤ 1 1 < 6 2 < 2 6 ≤ 1 2 < 4 CUT no no 2 < 0 f(X, 0) :- X < 3. f(X, 2) :- 3 =< X, X < 6. f(X, 4) :- 6 =< X. no Regras mutuamente exclusivas

22 Evitar backtracking inútil: ! (o cut)
op built-in de pruning, logicamente sempre verificado com efeito colateral de impedir backtracking: na sua esquerda na cláusula que ocorre em outras cláusulas com a mesma conclusão ex: A :- B, C, D. C :- M, N, !, P, Q. C :- R. impede backtracking P -> N permite backtracking N -> M, Q -> P, D -> (R xor Q), (P xor R) -> B R tentado: unicamente se M ou N falha nunca se P ou Q falha

23 Cut: exemplo Otimizando o exemplo anterior:
f(X, 0) :- X < 3, !. f(X, 2) :- 3 =< X, X < 6, !. f(X, 4) :- 6 =< X. Nesse caso os cuts alteram apenas o comportamento procedural do programa. Se removermos os cuts o programa continuará produzindo os mesmos resultados. Green cuts

24 Cut: exemplo (2) Podemos otimizar ainda mais o programa, pensando-o da seguinte forma: if (X < 3) then Y = 0 else if (X < 6) then Y = 2 else Y = 4 Eliminamos assim 2 comparações desnecessárias. Versão anterior: f(X, 0) :- X < 3, !. f(X, 2) :- 3 =< X, X < 6, !. f(X, 4) :- 6 =< X. Reescrevemos para: f(X, 2) :- X < 6, !. f(X, 4).

25 Cut: exemplo(3) O que acontece agora se os cuts forem removidos?
f(X, 0) :- X < 3. f(X, 2) :- X < 6. f(X, 4). f(1, Y). Y = 0; Y = 2; Y = 4; Neste caso os cuts afetam a semântica do programa Red cuts

26 Hipótese do mundo fechado
Ao contrário da Lógica de 1a ordem, Prolog não permite nem fatos, nem conclusões de regras negativos: ~animal_lover(geber). ~kill(X,Y) :- animal_lover(X), animal(Y). Princípio de economia: declarar e deduzir apenas o que é verdadeiro, supor que tudo que não é mencionado nem dedutível é falso (hipótese do mundo fechado) Operador de negação por falha Podemos usar o ! para implementar um operador de negação por falha, tal que: not p(X) verificado sse p(X) falha

27 Negação por falha Uma maneira de definir a negação por falha:
not(P) :- P, !, fail ; true. fail é o objetivo que sempre falha, enquanto que true sempre tem sucesso. not já é pré-definido (built-in) no interpretador prolog, como um operador pré-fixo. - not true. no - not fail. yes

28 Voltando ao exemplo da família...
Definimos a relação sister(X, Y) como: sister(X, Y) :- female(X), parent(Z, X), parent(Z, Y). Vimos que isso também deduz que uma mulher é irmã dela mesma: logicamente correto pela definição acima. Podemos usar a negação por falha para alcançar o resultado desejado. sister(X, Y) :- female(X), parent(Z, X), parent(Z, Y), not(X = Y).

29 Exemplo da família - sister(X, pat). X = ann; no
Conforme o comportamento esperado. Experimento: Modifique a relação sister(X, Y) para sister(X, Y) :- not(X = Y), female(X), parent(Z, X), parent(Z, Y). Agora consulte: pam tom bob jim ann pat liz

30 O que aconteceu? Afinal de contas de acordo com a lógica:
a  b  c  d  e é equivalente a d  a  b  c  e Negação por falha não tem a mesma semântica da negação da lógica. Vamos acompanhar o trace da consulta: - trace. - sister(X, pat). (0) Call: sister(_h446,pat) ? c (1) Call: not _h446 = pat ? c (1) Fail: not _h446 = pat ? c (0) Fail: sister(_h446,pat) ? c

31 O que aconteceu? (2) Problema com objetivos não instanciados
Quantificação de variáveis diferente na negação por falha not(X = pat) não é interpretado como “existe X tal que not(X = pat)” A quantificação na negação por falha é universal Para todo X: not(X = pat)? O que é claramente falso, pois X (não instanciado) unifica-se perfeitamente com pat Conclusão: cuidado ao usar cuts e negação por falha.

32 Prolog: listas [ e ]: início e fim de lista
, separação entre elementos |: separação entre 1° elemento (cabeça) e resto da lista (calda) açúcar sintático para predicado .(Head,Tail) ex.: [a,[b,c],d] açúcar sintático para .(a,.(.(b,.(c,[])),.(d,[]))) - [a,b,X,p(Y,C)] = [Head|Tail] Head = a, Tail = [b,X,p(Y,C)] - [[p(X),[a]],q([b,c])] = [[H|T1]|T2] H = p(X), T1 = [[a]], T2 = [q([b,c])] - member(X,[X|_]). - member(X,[Y|Z]) :- member(X,Z). - member(b,[a,b,c]) -> yes. - member(X,[a,b,c]) -> X = a ; X = b ; X = c ; no.

33 Exemplo: Append append(L1, L2, L3): L1 e L2 são duas listas e L3 é a sua concatenação. Append de uma lista vazia com uma segunda lista é a própria segunda lista: append([], L, L). Append de uma lista [X|L1] com a lista L2 é uma lista [X|L3], onde L3 é a concatenação da cauda da primeira (L1) com L2. append([X|L1], L2, [X|L3]) :- append(L1, L2, L3).

34 Exemplo: Append (2) Exemplos do uso do append
Qual o resultado da concatenação das listas [a, b] e [c, d]? - append([a,b], [c,d], X). X = [a, b, c, d] Que listas concatenadas resultam na lista [a, b, c, d]? - append(X, Y, [a, b, c, d]). X = [] Y = [a,b,c,d]; X = [a] Y = [b,c,d]; …

35 Exercícios 3 Usando o append, escreva uma regra para apagar os três últimos elementos de uma lista L, produzindo uma lista L1 (arquivo append.P) Defina a relação last(Item, List) de forma que Item é o último elemento de List de duas formas diferentes: usando append sem usar append

36 Prolog x prog. imperativa
Interativo: compilação transparente integrada na interpretação rodar programa = consultar um BD Gerenciamento automático da memória Mecanismo único de manipulação de dados -- unificação de termos lógicos -- implementando: atribuição de valor passagem de parâmetros alocação de estruturas leitura e escrita em campos de estruturas

37 Prolog x prog. imperativa (2)
Estrutura de dados única: termo Prolog variáveis lógicas sem tipo estático (tipos dinâmicos) Controle implícito built-in na estratégia de resolução, ex: Em programação imperativa procedure c(E) const e0:tipoE0; var E:tipoE, S0:tipoS0, l1:tipo-I1, S1:tipoS1; do if E = e0 then do S0 := call p0(e0); return S0; end; else do I1 := call p1(E); S1 := call p2(E,l1); return S1; end; end; Em Prolog c(e0,S0) :- p0(e0,S0). c(E,S1) :- p1(E,I1), p2(E,I1,S1).

38 Prolog x prog. funcional
Matematicamente, predicado = relação: não-determinismo: respostas múltiplas (disponíveis por backtracking), unificação e busca built-in, livra o programador da implementação do controle; bi-direcionalidade: cada argumento pode ser entrada ou saída, dependendo do contexto de chamada, única definição para usos diferentes: verificador, instanciador, resolvedor de restrições, enumerador. integração imediata com BD relacional

39 Prolog x prog. funcional (2)
Append em Haskell: append [] L = L append H:T L = H : append T L ?- append([a,b],[c,d]) [a,b,c,d] Append em Prolog: append([],L,L). append([H|T1],L,[H|T2]) :- append(T1,L,T2). ?- append([a,b],[c,d],R). R = [a,b,c,d]. Append relacional codifica várias funções

40 Vários usos do mesmo predicado
verificador: ?- append([a,b],[c],[a,b,c]). -> yes. ?- append([a,b],[c],[a]). -> no. instanciador: ?- append([a,b],[c],R). -> R = [a,b,c]. ?- append(H,[c],[a,b,c]). -> H = [a,b]. resolvedor de restrições: ?- append(X,Y,[a,b,c]). -> X = [], Y = [a,b,c] ; -> X = [a], Y = [b,c] ... enumerador: ?- append(X,Y,Z). -> X = [], Y =[], Z = [] ; -> X = [_], Y = [], Z = [_] ...

41 Prolog x programação OO
Funcionalidades built-in: + unificação e busca - tipos, herança e encapsulamento Ontologicamente: Entidade Atômica (EA): em OO, valor de tipo built-in em Prolog, átomo (argumento ou predicado) Entidade Composta (EC): em OO, objeto em Prolog, fato Relação simples entre EC e EA: em OO, atributo de tipo built-in em Prolog, posição em um predicado Relação simples entre ECs: em OO, atributo de tipo objeto em Prolog, predicado Relação complexa entre entidades: em OO, método em Prolog, conjunto de regras

42 Prolog x programação OO: exemplo
Em OO: pt[subclass_of planobj; attrs[X inst_of int, Y inst_of int]; mets[right(Pt inst_of pt) {return self.X >= Pt.X}]] pt1[inst_of pt; attrs[X = 0, Y = 0]] pt2[inst_of pt; attrs[X = 1, Y =1]] ?- pt1.right(pt2) -> no. Em Prolog: pt(0,0). pt(1,1). planobj(pt(_,_)). right(pt(X1,_),pt(X2,_)) :- X1 >= X2. ?- right(pt(0,0),pt(1,1)). -> no.

43 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós
Prolog aprofundado Programação por resolução de restrições a base lógica (Constraint Logic Programming) extensão de Prolog com resoluções de inequações e equações restrições quantitativas (N, Z, R, C) ou qualitativas (tipos, ontologias) Escalonamento, raciocínio espacial, otimização, automação industrial, CAD/CAM, música computacional Programação em lógica funcional Programação em lógica orientada a objetos Programação multiparadigma a base lógica: lógica + restrições + funcional + OO todo a IA e mais !

44 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós
Programação em lógica para engenharia de software especificação formal  prototipagem rápida aceleração do modelo de desenvolvimento em espiral Programação em lógica probabilista e bayesiana raciocínio com incerteza Programação em lógica indutiva aprendizagem de máquina, agentes adaptativos, mineração de dados, descoberta de conhecimento em BD, programação automática, bio-informática Programação em lógica multiagentes sistemas inteligentes distribuídos comercio eletrônico jogos, competição de futebol de robôs

45 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós
Bancos de dados dedutivos: descoberta de conhecimento em BD, sistemas especialistas de grande porte, servidores de conhecimento ontológico Bancos de dados dedutivos orientada a objetos Bancos de dados dedutivos temporais Bancos de dados de restrições: GIS, BD espaciais, BD espaço-temporais, integração de dados e interoperabilidade Bancos de dados de restrições orientada a objetos toda a IA de grande escala e mais ! Bancos de dados probabilistas: BD de sensores, data warehousing, integração de dados com fontes não confiáveis ou mutuamente inconsistentes,

46 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós
Gramáticas lógicas: Parser e gerador de linguagem built-in em Prolog Basta desenvolver gramática (i.e., como com lex e yacc) Mineração da web, extração de informação na Internet, compilação tradução automática, geração automática de resumos, chatterbots APIs Prolog/Java e Prolog/XML sistemas de informação inteligentes distribuídos e heterogêneos a infra-estrutura web integração de dados, interoperabilidade entre sistemas, mediadores, data warehousing comercio eletrônico agentes inteligentes de recuperação, classificação, extração e notificação de informação na web, na Internet, em Intranet inteligência na computação pervasiva toda a IA embutida e mais !

47 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós-Graduação
Aplicação fio condutor para ilustração dos conceitos “By the year 2050, develop a team of fully autonomous humanoid robots that can win against the human world soccer champion team.”

48 Programação em Lógica: Disciplina Eletiva de Graduação e Pós

49 Introdução a Prolog FIM

50 Exercício 1 - Respostas mother(X, Y) :- parent(X, Y), female(X).
sister(X, Y) :- female(X), parent(Z, X), parent(Z, Y). grandparent(X, Y) :- parent(X, Z), parent(Z, Y). aunt(X, Y) :- sister(X, Z), parent(Z, Y). Quais são as respostas devolvidas para sister(X, pat). ? Por que isso ocorre? Como isso pode ser evitado? Cenas dos próximos slides...

51 Exercício 2 - Resposta fib(1, 1). fib(2, 1). fib(N, Fn) :- N > 2,
M is N - 1, fib(M, Fm), O is N - 2, fib(O, Fo), Fn is Fm + Fo. O programa tem comportamento exponencial, para cada passo calculamos toda a seqüência de fibonacci. Os mesmos valores são calculados várias vezes...

52 Exercícios 3 - Resposta del3(L, L1) :- append(L1, [_, _, _], L).
last(Item, List) :- append(_, [Item], List). last2(Item, [Item]). last2(Item, [_|XL]) :- last2(Item, XL).