Programación en Prolog para Inteligencia Artificial Presentado por: Egdares Futch H.

Qué dicen los expertos sobre IA El arte de crear máquinas con capacidad de realizar funciones que realizadas por personas requieren de inteligencia. (Kurzweil, 1990). El estudio de cómo lograr que las computadoras realicen tareas que por el momento, los humanos hacen mejor. (Rich, Knight, 1991). La rama de la ciencia de la computación que se ocupa de la automatización de la conducta inteligente (Luger y Stubblefield, 1993). Un campo de estudio que se enfoca a la explicación y emulación de la conducta inteligente en función de procesos computacionales (Schalkoff, 1990).

El arte de crear máquinas con capacidad de realizar funciones que realizadas por personas requieren de inteligencia. (Kurzweil, 1990).

El estudio de cómo lograr que las computadoras realicen tareas que por el momento, los humanos hacen mejor. (Rich, Knight, 1991).

La rama de la ciencia de la computación que se ocupa de la automatización de la conducta inteligente (Luger y Stubblefield, 1993).

Un campo de estudio que se enfoca a la explicación y emulación de la conducta inteligente en función de procesos computacionales (Schalkoff, 1990).

Qué dice el Web sobre la IA IA es la reproducción de los métodos de razonamiento o intuición humanos Usar modelos computacionales para simular comportamiento (humano) y procesos inteligentes IA es el estudio de las facultades mentales a través del uso de métodos computacionales Comportamiento inteligente Humanos Computadora

IA es la reproducción de los métodos de razonamiento o intuición humanos

Usar modelos computacionales para simular comportamiento (humano) y procesos inteligentes

IA es el estudio de las facultades mentales a través del uso de métodos computacionales

¿ Qué es la IA ? Disciplina que sistematiza y automatiza tareas intelectuales para crear máquinas que: Piensen racionalmente Piensen como humanos Actúen racionalmente Actúen como humanos

Disciplina que sistematiza y automatiza tareas intelectuales para crear máquinas que:

Actuar como humanos IA es el arte de crear máquinas que realicen funciones que requieren de inteligencia cuando la realizan humanos Metodología: Elija una tarea intelectual en la que los humanos son mejores y ponga a una computadora a hacerlo Test de Turing Demostrar un teorema Jugar ajedrez Planear operación Diagnosticar enfermedad Navegar en el edificio

IA es el arte de crear máquinas que realicen funciones que requieren de inteligencia cuando la realizan humanos

Metodología: Elija una tarea intelectual en la que los humanos son mejores y ponga a una computadora a hacerlo

Test de Turing

Demostrar un teorema

Jugar ajedrez

Planear operación

Diagnosticar enfermedad

Navegar en el edificio

El caso del Ajedrez Pro: “ Decir que Deep Blue no piensa realmente sobre el ajedrez es como decir que un avión realmente no vuela porque no aletea” – Drew McDermott Contra: “ El ajedrez es la Drosophila de la IA. Si los geneticistas se hubieran aplicado de esa manera, tendríamos ahora moscas muy rápidas” – John McCarthy Autista vs. Sentido común

Pro:

“ Decir que Deep Blue no piensa realmente sobre el ajedrez es como decir que un avión realmente no vuela porque no aletea” – Drew McDermott

Contra:

“ El ajedrez es la Drosophila de la IA. Si los geneticistas se hubieran aplicado de esa manera, tendríamos ahora moscas muy rápidas” – John McCarthy

Autista vs. Sentido común

Pensar como humanos La forma en la que la computadora hace sus funciones importa Comparación de los pasos para hacer un razonamiento Ciencias cognoscitivas  teorías verificables de la mente humana Pero, ¿queremos duplicar las imperfecciones humanas?

La forma en la que la computadora hace sus funciones importa

Comparación de los pasos para hacer un razonamiento

Ciencias cognoscitivas  teorías verificables de la mente humana

Pensar y actuar racionalmente Siempre tomar la mejor decisión con lo que se tenga a mano (tiempo, conocimiento, recursos) Conocimiento perfecto, recursos ilimitados  razonamiento lógico Conocimiento imperfecto, recursos limitados  racionalidad limitada Conexión a la economía, investigación de operaciones, y teoría de control Pero ignora el rol de la conciencia, emociones, miedos, etc.

Siempre tomar la mejor decisión con lo que se tenga a mano (tiempo, conocimiento, recursos)

Conocimiento perfecto, recursos ilimitados  razonamiento lógico

Conocimiento imperfecto, recursos limitados  racionalidad limitada

Conexión a la economía, investigación de operaciones, y teoría de control

Pero ignora el rol de la conciencia, emociones, miedos, etc.

Pensar (meditación de Feynman) Todos conocemos la mente humana porque tenemos una Pensar no requiere instrucciones “ Pensar no es más que hablarse a sí mismo” dijo Richard. John contestó: “Trata de pensar en un engranaje…cómo te lo contaste?”

Todos conocemos la mente humana porque tenemos una

Pensar no requiere instrucciones

“ Pensar no es más que hablarse a sí mismo” dijo Richard. John contestó: “Trata de pensar en un engranaje…cómo te lo contaste?”

Algunas características Frontera entre programación tradicional e IA La IA es programación Frontera se mueve: cuando algo funciona ya no es IA La IA se ocupa de aquellos problemas para los que no existen soluciones algorítmicas satisfactorias y de aquellos que requieren el manejo explícito del conocimiento La IA se ocupa de tareas que, de momento, la gente realiza mejor Técnicas de la Inteligencia Artificial Métodos generales de la computación+ técnicas específicas Enfoque algorítmico clásico da por hecho que se dispone de toda la información necesaria para llegar a una solución óptima del problema abordado En Inteligencia Artificial, las decisiones se basan en un conocimiento parcial que no garantiza encontrar el óptimo La inteligencia consiste precisamente en saber sacar el máximo provecho a la información disponible para tratar de obtener el resultado deseado e.d compromiso entre exhaustividad del análisis y calidad del resultado Las técnicas computacionales desarrolladas dentro de este marco metodológico son llamadas heurísticas

Frontera entre programación tradicional e IA

La IA es programación

Frontera se mueve: cuando algo funciona ya no es IA

La IA se ocupa de aquellos problemas para los que no existen soluciones algorítmicas satisfactorias y de aquellos que requieren el manejo explícito del conocimiento

La IA se ocupa de tareas que, de momento, la gente realiza mejor

Técnicas de la Inteligencia Artificial

Métodos generales de la computación+ técnicas específicas

Enfoque algorítmico clásico da por hecho que se dispone de toda la información necesaria para llegar a una solución óptima del problema abordado

En Inteligencia Artificial, las decisiones se basan en un conocimiento parcial que no garantiza encontrar el óptimo

La inteligencia consiste precisamente en saber sacar el máximo provecho a la información disponible para tratar de obtener el resultado deseado e.d compromiso entre exhaustividad del análisis y calidad del resultado

Las técnicas computacionales desarrolladas dentro de este marco metodológico son llamadas heurísticas

Introducción a Prolog Prolog es el lenguaje más difundido en la programación lógica. Algunas de sus características son: Prolog usa variables lógicas, las cuales no son comparables a las de otros lenguajes. Los programadores las pueden usar como “blancos” en estructuras de datos que se llenan gradualmente mientras corre el proceso.

Prolog es el lenguaje más difundido en la programación lógica. Algunas de sus características son:

Prolog usa variables lógicas, las cuales no son comparables a las de otros lenguajes. Los programadores las pueden usar como “blancos” en estructuras de datos que se llenan gradualmente mientras corre el proceso.

… Más La unificación es un método interno de manipulación de datos que pasa parámetros, retorna resultados, selecciona y construye estructuras de datos. El modelo de control de flujo básico es la reevaluación (backtracking). Las claúsulas de programa y los datos tienen la misma forma. La forma relacional de los procedimientos hace posible definirlos de forma que sean “reversibles”

La unificación es un método interno de manipulación de datos que pasa parámetros, retorna resultados, selecciona y construye estructuras de datos.

El modelo de control de flujo básico es la reevaluación (backtracking).

Las claúsulas de programa y los datos tienen la misma forma.

La forma relacional de los procedimientos hace posible definirlos de forma que sean “reversibles”

… Más Las claúsulas proveen de una forma conveniente para analizar casos e indeterminismo. Algunas veces se requiere de características que no pertenecen a la lógica pura. Un programa en Prolog puede ser considerado como una base de datos relacional que contiene reglas y hechos.

Las claúsulas proveen de una forma conveniente para analizar casos e indeterminismo.

Algunas veces se requiere de características que no pertenecen a la lógica pura.

Un programa en Prolog puede ser considerado como una base de datos relacional que contiene reglas y hechos.

Nuestro primer programa /* En el zoologico */ elefante(jorge). elefante(maria). panda(chi_chi). panda(ming_ming). peligroso(X) :- dientes_grandes(X). peligroso(X) :- venenoso(X). suponga(X, tiger) :- rayas(X), dientes_grandes(X), esFelino(X). suponga(X, zebra) :- rayas(X), esEquino(X).

/* En el zoologico */

elefante(jorge).

elefante(maria).

panda(chi_chi).

panda(ming_ming).

peligroso(X) :- dientes_grandes(X).

peligroso(X) :- venenoso(X).

suponga(X, tiger) :- rayas(X), dientes_grandes(X), esFelino(X).

suponga(X, zebra) :- rayas(X), esEquino(X).

Prolog es un lenguaje declarativo Las claúsulas muestran lo que es cierto sobre un problema, en vez de instrucciones de cómo lograr la solución. El sistema interno de Prolog usa las claúsulas para buscar como lograr la solución buscando en el espacio de soluciones. No todos los problemas pueden ser resueltos de esta forma, por lo que incorpora sentencias extralógicas.

Las claúsulas muestran lo que es cierto sobre un problema, en vez de instrucciones de cómo lograr la solución.

El sistema interno de Prolog usa las claúsulas para buscar como lograr la solución buscando en el espacio de soluciones.

No todos los problemas pueden ser resueltos de esta forma, por lo que incorpora sentencias extralógicas.

Ejemplo: concatenar listas A y B list procedure cat(list a, list b) { list t = list u = copylist(a); while (t.tail != nil) t = t.tail; t.tail = b; return u; } En un lenguaje imperativo En un lenguaje declarativo En un lenguaje funcional cat(a,b)  if b = nil then a else cons(head(a), cat(tail(a),b)) cat([], Z, Z). cat([H|T], L, [H|Z]) :- cat(T, L, Z).

Sintaxis completa de Prolog Término Constante Variable Término compuesto Atomo Número alpha17 pago juan_perez gripe + =/= ’ 12Q&A’ 0 1 57 1.618 2.04e-27 -13.6 gusta(juan, maria) libro(cervantes, quijote) f(x) [1, 3, g(a), 7, 9] -(+(15, 17), t) 15 + 17 - t X Quincena Enfermedad _257 _ Nombra un individuo Reemplaza un individuo que no puede ser nombrado cuando el programa se escribe Nombra un individuo que tiene partes

Términos compuestos padres(manchas, pongo, perdita) Functor (un átomo) de arity 3. componentes (términos) Se puede mostrar el término como un árbol padres perdita pongo manchas

Estructura de los programas Los programas consisten en procedimientos Los procedimientos consisten en claúsulas Cada claúsula es un hecho o una regla Los programas se ejecutan haciendo preguntas Por ejemplo…

Los programas consisten en procedimientos

Los procedimientos consisten en claúsulas

Cada claúsula es un hecho o una regla

Los programas se ejecutan haciendo preguntas

Ejemplo elefante(dumbo). elefante(jumbo). elefante(X) :- gris(X), mamifero(X), tieneTrompa(X). Procedimiento para elefante Predicado Claúsulas Regla Hechos

elefante(dumbo).

elefante(jumbo).

elefante(X) :- gris(X), mamifero(X), tieneTrompa(X).

Ejemplo ?- elefante(jumbo). yes ?- elefante(pongo). no Pregunta Respuesta

Interpretación de las claúsulas Las claúsulas pueden leerse de forma declarativa o procedimental H :- G 1 , G 2 , …, G n . “ Se puede demostrar H ssi G 1 , G 2 , …, G n también puedan demostrarse.” “ Para evaluar el procedimiento H, se ejecutan los procedimientos G 1 , G 2 , …, G n previamente.” Interpretación declarativa Interpretación procedimental

Las claúsulas pueden leerse de forma declarativa o procedimental

Unificación Dos términos se unifican si pueden sustituirse variables de tal forma que los términos se hacen idénticos. El algoritmo de unificación procede por descenso recursivo de los dos términos. Constantes unifican si son idénticas Variables unifican con cualquier término, incluyendo otras variables Términos compuestos unifican si el functor y componentes unifican.

Dos términos se unifican si pueden sustituirse variables de tal forma que los términos se hacen idénticos.

El algoritmo de unificación procede por descenso recursivo de los dos términos.

Constantes unifican si son idénticas

Variables unifican con cualquier término, incluyendo otras variables

Términos compuestos unifican si el functor y componentes unifican.

Ejemplos Los términos f(X, a(b,c)) y f(d, a(Z, c)) unifican. Z c a d f b c a X f Los términos unifican si se sustituye d por X, y b se sustituye por Z. Esta sustitución también se denomina instanciación.

Los términos f(X, a(b,c)) y f(d, a(Z, c)) unifican.

Ejemplos Los términos f(X, a(b,c)) y f(Z, a(Z, c)) se unifican. Z c a Z f b c a X f Nótese que Z se comparte dentro del mismo término.

Los términos f(X, a(b,c)) y f(Z, a(Z, c)) se unifican.

Ejemplos Los términos f(c, a(b,c)) y f(Z, a(Z, c)) no se unifican Z c a Z f b c a c f Estos dos términos no pueden hacerse idénticos sustituyendo variables.

Los términos f(c, a(b,c)) y f(Z, a(Z, c)) no se unifican

Listas Las listas en Prolog son similares a las de otros lenguajes ya que se compone de términos de cualquier tamaño agrupados. La lista de largo 0 se llama nil, y se escribe []. La lista de largo n es [ cabeza , cola ], donde cola es una lista de largo n -1.

Las listas en Prolog son similares a las de otros lenguajes ya que se compone de términos de cualquier tamaño agrupados.

La lista de largo 0 se llama nil, y se escribe [].

La lista de largo n es [ cabeza , cola ], donde cola es una lista de largo n -1.

Sintaxis de Prolog para listas Nil se escribe [] . La lista de n elementos t 1 , t 2 , …, t n se escribe así: [ t 1 , t 2 , … , t n ] [X|[]] se escribe [X] Para la lista [X|Z] , X es un átomo y Z es una lista, con la cabeza X removida

Nil se escribe [] .

La lista de n elementos t 1 , t 2 , …, t n se escribe así: [ t 1 , t 2 , … , t n ]

[X|[]] se escribe [X]

Para la lista [X|Z] , X es un átomo y Z es una lista, con la cabeza X removida

Trabajando con listas /* miembro(Termino, Lista) */ miembro(X, [X|T]). miembro(X, [H|T]) :- miembro(X, T). Ejemplos: ?- miembro(john, [paul, john]). ?- miembro(X, [paul, john]). ?- miembro(yo, [marx, darwin, freud]). ?- miembro(quien, X).

/* miembro(Termino, Lista) */

miembro(X, [X|T]).

miembro(X, [H|T]) :- miembro(X, T).

Ejemplos:

?- miembro(john, [paul, john]).

?- miembro(X, [paul, john]).

?- miembro(yo, [marx, darwin, freud]).

?- miembro(quien, X).

Reevaluación (backtracking) y no determinismo miembro(X, [X|_]). miembro(X, [_|T]) :- miembro(X, T). ?- miembro(fred, [john, paul, fred, ringo]). yes ?- miembro(X, [john, paul, fred, ringo]). X = john; X = paul; X = fred; X = ringo; no Determinístico No determinístico

miembro(X, [X|_]).

miembro(X, [_|T]) :- miembro(X, T).

?- miembro(fred, [john, paul, fred, ringo]).

yes

?- miembro(X, [john, paul, fred, ringo]).

X = john;

X = paul;

X = fred;

X = ringo;

no

Controlando la reevaluación color(cereza, rojo). color(banana, amarillo). color(manzana, rojo). color(manzana, verde). color(naranja, naranja). color(X, desconocido). ?- color(banana, X). X = amarillo ?- color(sandia, X). X = desconocido ?- color(cereza, X). X = rojo ; X = desconocido ; no

color(cereza, rojo).

color(banana, amarillo).

color(manzana, rojo).

color(manzana, verde).

color(naranja, naranja).

color(X, desconocido).

Claúsulas y bases de datos En una base de datos relacional, las relaciones se consideran tablas, en los que cada elemento de una relación n -aria se almacena como una fila de la tabla, que cuenta con n columnas. proveedor perez silla rojo 10 lopez mesa negro 50 Usando claúsulas, se puede representar de la siguiente forma: proveedor(perez, silla, rojo, 10). proveedor(lopez, mesa, negro, 50).

En una base de datos relacional, las relaciones se consideran tablas, en los que cada elemento de una relación n -aria se almacena como una fila de la tabla, que cuenta con n columnas.

proveedor

perez silla rojo 10

lopez mesa negro 50

Usando claúsulas, se puede representar de la siguiente forma:

proveedor(perez, silla, rojo, 10).

proveedor(lopez, mesa, negro, 50).

Claúsulas y bases de datos Ventajas de usar claúsulas: Reglas y hechos coexisten. Se permiten definiciones recursivas. Se permiten múltiples respuestas a la misma consulta. No hay distinción de rol entre el input y el output. La inferencia ocurre automáticamente.

Ventajas de usar claúsulas:

Reglas y hechos coexisten.

Se permiten definiciones recursivas.

Se permiten múltiples respuestas a la misma consulta.

No hay distinción de rol entre el input y el output.

La inferencia ocurre automáticamente.

Casos de aplicación Sistemas expertos Un sistema informático que simula el proceso de aprendizaje, de memorización, de razonamiento, de comunicación y de acción de un experto humano en una determinada rama de la ciencia, suministrando, de esta forma, un consultor que puede sustituirle con unas ciertas garantías de éxito

Sistemas expertos

Un sistema informático que simula el proceso de aprendizaje, de memorización, de razonamiento, de comunicación y de acción de un experto humano en una determinada rama de la ciencia, suministrando, de esta forma, un consultor que puede sustituirle con unas ciertas garantías de éxito

Casos de aplicación Sistemas expertos Estas características le permiten almacenar datos y conocimiento, sacar conclusiones lógicas, tomar decisiones, aprender de la experiencia y los datos existentes, comunicarse con expertos humanos u otros Sistemas Expertos, explicar el porqué de las decisiones tomadas y realizar acciones como consecuencia de todo lo anterior

Sistemas expertos

Estas características le permiten almacenar datos y conocimiento, sacar conclusiones lógicas, tomar decisiones, aprender de la experiencia y los datos existentes, comunicarse con expertos humanos u otros Sistemas Expertos, explicar el porqué de las decisiones tomadas y realizar acciones como consecuencia de todo lo anterior

Casos de aplicación Procesamiento de lenguaje natural (NLP) Prolog es un lenguaje muy expresivo para plantear algoritmos de lingüística computacional. Para el Procesamiento de Lenguaje Natural (NLP), se requiere la manipulación de símbolos (palabras, fonemas y otras partes del lenguaje), basados en objetos estructurados (secuencias, árboles, grafos). Prolog facilita la expresión de operaciones sobre los símbolos y estructuras sin preocuparse de la representación y manipulación interna del computador.

Procesamiento de lenguaje natural (NLP)

Prolog es un lenguaje muy expresivo para plantear algoritmos de lingüística computacional. Para el Procesamiento de Lenguaje Natural (NLP), se requiere la manipulación de símbolos (palabras, fonemas y otras partes del lenguaje), basados en objetos estructurados (secuencias, árboles, grafos). Prolog facilita la expresión de operaciones sobre los símbolos y estructuras sin preocuparse de la representación y manipulación interna del computador.

Casos de aplicación Asignación de recursos limitados El laboratorio de investigación de la IBM Haifa ha desarrollado un sistema en Prolog para asignar aviones en las líneas aéreas israelíes El-Al. Este proyecto se llevó a cabo para ahorrar costos operativos y para reducir el uso de los espacios de las compuertas del aeropuerto, que tienen un costo elevado por ocupación. El sistema está conectado en línea con el sistema de programación del El-Al y se actualiza en tiempo real en cuanto a cambios de horarios de vuelo.

Asignación de recursos limitados

El laboratorio de investigación de la IBM Haifa ha desarrollado un sistema en Prolog para asignar aviones en las líneas aéreas israelíes El-Al. Este proyecto se llevó a cabo para ahorrar costos operativos y para reducir el uso de los espacios de las compuertas del aeropuerto, que tienen un costo elevado por ocupación.

El sistema está conectado en línea con el sistema de programación del El-Al y se actualiza en tiempo real en cuanto a cambios de horarios de vuelo.

Casos de aplicación Diseño experto de productos En este sistema, el diseño de anteojos se hace a la medida. Una fotografía de la cara del cliente se alimenta como datos de entrada. El sistema experto en Prolog propone un diseño y si el cliente aprueba el diseño, éste se transmite desde las estaciones gráficas a la fábrica usando una red. El tiempo promedio de entrega es de una hora La base de conocimiento para proponer el diseño incluye entre otros, datos sobre el color de la piel y del pelo del cliente, preferencias individuales, conocimientos técnicos ópticos, conocimiento del diseñador de proponer forma y los colores y formas de moda .

Diseño experto de productos

En este sistema, el diseño de anteojos se hace a la medida. Una fotografía de la cara del cliente se alimenta como datos de entrada. El sistema experto en Prolog propone un diseño y si el cliente aprueba el diseño, éste se transmite desde las estaciones gráficas a la fábrica usando una red. El tiempo promedio de entrega es de una hora

La base de conocimiento para proponer el diseño incluye entre otros, datos sobre el color de la piel y del pelo del cliente, preferencias individuales, conocimientos técnicos ópticos, conocimiento del diseñador de proponer forma y los colores y formas de moda .

Casos de aplicación Verificación de circuitos digitales Siemens ha desarrollado en Prolog el sistema CVE, el cual es utilizado para verificar de forma automática el comportamiento de salida de un circuito digital como una función Booleana como una función de la entrada. Las funciones que se obtienen se comparan de manera simbólica con las funciones correspondientes del circuito usando algoritmos especializados que garantizan que se detectan las diferencias encontradas El sistema garantiza 100% de seguridad, ya que la comparación simbólica es equivalente a simular un circuito con todos los posibles patrones de entrada, verificando todas las salidas de la simulación

Verificación de circuitos digitales

Siemens ha desarrollado en Prolog el sistema CVE, el cual es utilizado para verificar de forma automática el comportamiento de salida de un circuito digital como una función Booleana como una función de la entrada. Las funciones que se obtienen se comparan de manera simbólica con las funciones correspondientes del circuito usando algoritmos especializados que garantizan que se detectan las diferencias encontradas

El sistema garantiza 100% de seguridad, ya que la comparación simbólica es equivalente a simular un circuito con todos los posibles patrones de entrada, verificando todas las salidas de la simulación

Casos de aplicación Configurador (Wizard) de red de Windows NT El sistema operativo Microsoft Windows NT utiliza un intérprete interno de Prolog para configurar sus sistemas de red de área local (LAN) y de la red de área amplia (WAN). Los componentes interdependientes del software y de hardware se abstraen en un marco orientado a objetos simplificado usando la información declarativa proporcionada por el script de instalación de cada componente. Esta información, se almacena junto al intérprete interno, que es consultada para generar la mejor configuración. Los resultados de la consulta, almacenados en la base de datos de la configuración del NT (registry), informan a cada componente o driver su orden de la carga y asociación de componentes

Configurador (Wizard) de red de Windows NT

El sistema operativo Microsoft Windows NT utiliza un intérprete interno de Prolog para configurar sus sistemas de red de área local (LAN) y de la red de área amplia (WAN). Los componentes interdependientes del software y de hardware se abstraen en un marco orientado a objetos simplificado usando la información declarativa proporcionada por el script de instalación de cada componente. Esta información, se almacena junto al intérprete interno, que es consultada para generar la mejor configuración.

Los resultados de la consulta, almacenados en la base de datos de la configuración del NT (registry), informan a cada componente o driver su orden de la carga y asociación de componentes

Muchas gracias! [email_address] http://maestros.unitec.edu/~efutch