Sisteme Expert

Crearea unui program (sau mai corect spus, baza de cunostinte) in prolog

Programul se va scrie intr-un fisier text care se va salva cu extensia pl. Se poate folosi orice editor de texte, inclusiv notepad insa va recomand Notepad++ sau SWI-Prolog-Editor deoarece acesta afiseaza in culori diferite diversele elemente de sintaxa facand mai usoara atat citirea programului cat si depistarea erorilor.

Pana acum programele scrise de voi erau practic un set ordonat de instructiuni prin care ii spuneati calculatorului ce sa faca si mai ales cum sa realizeze ce avea de facut, ii dadeati indicatii precise asupra actiunilor pe care trebuia sa le indeplineasca. Insa in Prolog nu mai avem instructiuni ci predicate, ii indicam calculatorului ce sa faca (anume care e scopul la care sa ajunga, pe care sa-l indeplineasca) dar nu-i mai indicam efectiv si cum sa faca asta. Fisierele pe care le scriem in prolog sunt de fapt baze de cunostinte. O baza de cunostinte e un set de fapte si reguli care vor ajuta la realizarea rationamentelor.

Pentru a putea folosi baza de cunostinte, aceasta va trebui mai intai incarcata in memorie; aceasta se va face cu ajutorul instructiunii consult
| ?-consult('cale_fisier').

Calea poate fi absoluta sau relativa la active directory.

Pentru a vedea toate faptele si regulile incarcate in memorie, se foloseste predicatul fara parametri: listing.

Daca dorim sa afisam doar faptele si regulile corespunzatoare unui anume predicat folosim: listing(nume_predicat).

Comentarii

Comparatii intre termeni generali

Acesti operatori pot fi folositi pe orice tip de termeni (atomi, variabile, numere, expresii compuse). Atentie insa, ei nu efecteaza calcule, de exemplu 2+3==3+2 este fals, deoarece compara expresiile, nu valorile expresiilor.

Observatie:Daca avem un atom a carui forma ne permite sa il folosim fara apostroafe (de exemplu: abc), forma lui cu apostroafe, (adica, pentru exemplul nostru: 'abc'), reprezinta aceeasi valoare.

Atentie: nu se intampla acelasi lucru si pentru numere. Daca scriem 1 fara apostroafe, il vede ca numar, pe cand forma '1' reprezinta un atom, deci valorile sunt diferite.

Operatori logici

Sa luam ca exemplu un predicat care verifica daca un numar X se afla in intervalul inchis [A, B].

Predicatul va trebui sa primeasca drept parametri de intrare toate cele 3 numerele. In plus predicatul va trebui sa verifice doua inegalitati: A =< X si X =< B.

In exemplul de mai jos am scris si specificatia predicatului. Aceasta apare ca un comentariu deasupra regulii (%in_interval(+A, +B, +X)). In dreptul fiecarui parametru s-a pus simbolul + pentru a se preciza faptul ca parametrii sunt toti de intrare (adica trebuie apelat predicatul doar cu argumente instantiate). Specificatia este doar o conventie (este un comentariu, dupa cum observati). Si doar ne ajuta sa intelegm cum trebuie folosit predicatul - fiind doar comentariu, nu are rol efectiv in program.

Dorim acum sa facem un predicat care verifica faptul ca un numar X se afla in afara unui interval inchis A, B.

Cu alte cuvinte, pe axa reala se afla fie in stanga lui A (X < A), fie in dreapta lui B (X > B). %not_interval(+A, +B, +X)
not_interval(A, B, X):- X < A ; X > B.


Am putea verifica faptul ca numarul X nu se afla in interval chiar in mod direct, cu ajutorul predicatului in_interval definit mai devreme %in_interval(+A, +B, +X)
in_interval(A, B, X):- A=<X, X=<B.


%not_interval_2(+A, +B, +X)
not_interval_2(A, B, X):- \+ in_interval(A, B, X).

Specificatii predicate

Atunci cand vrem sa folosim un predicat trebuie sa stim clar care sunt parametrii sai de intrare (ce argumente trebuie date) si care sunt parametrii de iesire (cei informatii stie sa ofere/calculeze).

De exemplu avem un predicat care calculeaza dublul unui numar. dublu(N, D):-number(N), D is 2*N.

Din modul de declarare al regulii ne dam seama ca N este numarul dat si D este dublul lui (calculat).

Totusi pentru un predicat cufoarte multe clauze si multi parametri ar fi complicat sa-i citim definitia de fiecare data cand avem nevoie sa il folosim. In plus poate dorim sa folosim predicate dintr-un modul de biblioteca, la al carui cod efectiv nu avem acces.

Cum se clarifica parametrii predicatului? Prin niste prefize specifice.

Prefixe pentru parametrii

Deci, pentru predicatul dublu definit mai sus specificatia ar arata astfel: %dublu(+Numar,-Dublu)
dublu(N, D):-number(N), D is 2*N.

Astfel, acum vazand specificatia stim ca modul in care s-a dorit sa se apeleze (interogheze) predicatul este: | ?- dublu(2,N).
N = 4 ?
yes

Observam totusi ca putem apela predicatul si asa: | ?- dublu(2,4).
yes
| ?- dublu(2,3).
no
| ?-

Deci ar functiona si cu parametrul a doilea cunoscut. Asta inseamna ca specificatia %dublu(+Numar,-Dublu) e gresita si ca trebuia de fapt %dublu(+Numar,?Dublu)? Adica sa aratam clar ca al doilea paramteru poate fi si dat si calculat? Nu neaparat. Specificatia e subiectiva si arata cum a intetionat autorul sa fie folosit predicatul. Nu trebuie sa acopere toate cazurile posibile de transmitere a argumentelor.

Atentie, specificatiile se pun doar in comentarii. Nu reprezinta o parte din sintaxa prolog ci sunt doar o conventie de a arata concis care sunt parametrii de intrare si iesire. O gresala frecventa pe care cei incepatori in prolog o fac e sa puna specificatiile direct in cod cand definesc regula: dublu(+N, -D):-number(N), D is 2*N.%gresit!
/*mai sus nu au fost scrise specificatiile predicatului
ci s-a precizat mai degraba ca predicatul dublu primeste ca prim paramteru
un termen compus cu operatorul unar +,
si al doilea parametru un termen compus cu operatorul - */

Prioritati

Atentie! Operatorul si (,) este prioritar sau-ului (;). De aceea daca avem doua sau mai multe cazuri inainte de care sau dupa care vrem sa aplicam aceeasi operatie, trebuie sa punem testarea cazurilor in paranteza:

....., (...;...;...), .... .

De exemplu, dorim sa facem un predicat afis_paritate(+Nr) care afiseaza un mesaj de genul "Nr este par/impar" sau esueaza daca argumentul dat nu e numar. Un exemplu de interogarea ar fi acesta:

Ne gandim sa scriem predicatul in felul urmator. Testam intai ca argumentul dat e numar intreg. Apoi daca e par setam o variabila numita Parit sa fie egala cu atomul par, iar daca e impar, setam Parit la valoarea impar. Apoi afisam rezultatul folosindu-ne de Parit.O prima incercare ar putea arata ca mai jos.

Totusi observam ca nu ne da rezultatul dorit:

Numai pentru numere impare functioneaza asa cum ne-am fi asteptat. De ce? Pentru ca si-ul este prioritar sau-ului. Deci practic el grupeaza testele din afis_paritate in doua cazuri legate prin si:

• integer(X), X mod 2=:=0, Parit=par
• X mod 2 =\=0, Parit=impar, write(X), write(' este '), write(Parit)

Deci observam ca pe cazul 1 nu mai face afisarea, iar pe cazul 2 nu mai testeaza ca e numar intreg ca sa poata fi sigur ca mod e o operatie valida, asa cum se vede si in trace-ul de mai jos, unde, dupa ce esueaza integer, in loc sa iasa din predicat cu no, asa cum am fi dorit, continua pe cazul 2:

Tot ce trebuie sa facem e sa grupam intr-o paranteza cazurile astfel incat sa se aplice penru ambele cazuri si testele de dinaintea lor si testele de dupa

afis_paritate_corect(X):-integer(X), (X mod 2=:=0, Parit=par; X mod 2 =\=0, Parit=impar), write(X), write(' este '), write(Parit).

E practic ideea de la adunare si inmultire: 2*(3+5)*7=2*3*7+2*5*7. Aici prin desfacerea parantezei s-ar ajunge la cazurile:

• integer(X), X mod 2=:=0, Parit=par, write(X), write(' este '), write(Parit)
• integer(X), X mod 2=\=0, Parit=impar, write(X), write(' este '), write(Parit)

Astfel, pe ambele cazuri se testeaza daca X e intreg (si deci e valida operatia mod), si pe ambele cazuri se afiseaza mesajul.

Diverse predicate de testare a tipului

• atom(+Termen) - indica daca termenul este un atom
• atomic(+Termen) - indica daca termenul este un numar sau un atom
• number(+Termen) - indica daca termenul respectiv este numar
• float(+Termen) - indica daca termenul respectiv este numar cu zecimale
• integer(+Termen) - indica daca termenul respectiv este numar intreg
• var(+Termen) - indica daca argumentul primit este neinstantiat
• nonvar(+Termen) - opusul lui var, (nonvar(X) e echivalentul lui \+var(X) )

Predicatele true si fail

Predicatele true si fail nu au argumente si au proprietatea ca true este intotdeauna adevarat si fail este intotdeauna fals. | ?- true.
yes
| ?- fail.
no In Sicstus Prolog exista si echivalentele: otherwise si false, insa e mai bine sa folositi true si fail deoarece acestea sunt definite si in standardul ISO.

Observatie. Evident, daca la inceputul unei expresii logice in care testele sunt legate prin "si" avem un fail, nu se va realiza nici un test de dupa fail, si cazul respectiv se va termina cu esec afisare(X):-fail, write(X),nl.

Putem sa ne folosim de fail pentru a itera prin toate faptele din baza de cunostinte.

De exemplu, ca sa afisam cifrele de la 0 la 9 pe un rand. cifra(0). cifra(1). cifra(2). cifra(3). cifra(4). cifra(5). cifra(6). cifra(7). cifra(8). cifra(9).

%primul "caz" din cele doua clauze ale lui afis_cifre
%datorita lui fail se tot intoarce (prin backtracking) la cifra(X)
%si afiseaza urmatoarea cifra din baza de cunostinte
afis_cifre :- cifra(X), write(X), fail.
afis_cifre.

Interogam: | ?- afis_cifre.
0123456789
yes

Predicatul afis_cifre se mai putea scrie si cu o singura clauza, folosind predicatul true: afis_cifre :- cifra(X), write(X), fail; true.

Predicatul once

Are aceeasi sintaxa ca si call, de exemplu, once(p(X,Y)), insa realizeaza o singura interogare pentru predicatul p(X,Y).

Sa urmarim exemplul: culoare(rosu).
culoare(verde).
culoare(albastru).

afis_prima_culoare:- once(culoare(X)), write(X), nl, fail; true.
afis_prima_culoare_b:- once((culoare(X),write(X), nl)), fail; true.
afis_prima_culoare_gresit:- once((culoare(X),write(X), nl, fail)); true.

Intai incercam interogarea: | ?- once(culoare(X)).
X = rosu ? ;
no Observam ca desi am tastat ; pentru o noua solutie, nu am primit urmatoarea culoare, deoarece once face ca, la revenirea prin bactracking, reinterogarea se termine cu esec.

Ceva similar observam si la interogarile predicatelor: | ?- afis_prima_culoare.
rosu
yes
| ?- afis_prima_culoare_b.
rosu
yes
Din cauza predicatului fail, executia se intoarce la once, iar acesta esueaza, impingand executia pe ramura cu true.

Totusi in interiorul expresiei primite de predicatul once se pot efectua intoarceri si obtine noi solutii, asa cum se vede din apelul predicatului afis_prima_culoare_gresit: | ?- afis_prima_culoare_gresit.
rosu
verde
albastru
yes

Expresii conditionale in prolog

Desi se poate simula cu ajutorul operatorilor logici ; , \+ uneori e mai usor sa folosim constructiile built-in speciale.

Simularea if..else.. cu ajutorul a ceea ce s-a invatat pana acum se facea sub forma:

Atentie, desi in unele cazuri merge sa nu mai punem si \+ conditie(...), acest lucru in general nu e corect.

Un exemplu in care putem sa eliminam negarea conditiei ar fi urmatorul predicat cu un parametru care afiseaza par daca parametrul e par si impar in caz contrar:

Insa daca ne uitam la urmatorul exemplu:

Varianta corecta e testarea negatiei conditiei in a doua ramura a lui sau:

In acest caz totusi mai exista o varianta de rezolvare a problemei folosind ! (cut), dar care e in acest caz un cut rosu:

Sa vedem inca un exemplu similar. Daca conditia e indeplinita, se interogheaza q(X,Y), daca nu, se interogheaza z(X,Y).

Totusi cut se poate folosi doar cand in cadrul expresiei conditiei nu se calculeaza valori pentru eventuale variabile ce se vor folosi mai tarziu in regula, sau ne intereseaza doar prima solutie pentru aceste variabile. De asemenea alt dezavantaj este faptul ca daca folosim cut nu mai putem trece la clauzele urmatoare ale predicatului definit.
Sa luam ca exemplu:

Prin urmare cut-ul in anumite situatii, creeaza probleme si in acele cazuri trebuie sa folosim negarea conditiei.

Predicatul if

Predicatul if accepta trei parametri, fiecare din cei trei parametri reprezentand un termen compus, care reprezinta o expresie logica valida formata din predicate si operatori logici. Primul parametru reprezinta conditia. In cazul in care evaluarea conditiei se termina cu succes, se evalueaza expresia din parametrul al doilea; daca, in schimb, conditia are ca rezultat no (esec) este evaluat parametrul al treilea.

Operatorul "daca...atunci..." ()->();()

Daca expresia dinainte de -> este adevarata atunci este evaluata expresia din mijloc, altfel e evaluata ultima expresie. Este important sa puneti parantezele care grupeaza expresiile de evaluat, din cauza prioritatii operatorilor. Este de asemenea important sa puneti o paranteza in jurul intregii expresii, din acelasi motiv: (()->();()). In cazul expresiilor mai complexe este o practica buna sa indentati corespunzator programul pentru a nu se genera confuzii (mai ales ca ; poate fi usor confundat cu un "sau" la o parcurgere in graba a codului).

Atentie expresia de dinainte de -> se evalueaza doar o data, adica daca se revine din backtracking la o sintagma de forma ()->();() nu se va reevalua pentru instantierea variabilelor calculate cu alte valori.

Partea de else a expresiei poate sa lipseasca, adica sa fie doar ()->(), in cazul acesta expresia e echivalenta cu ()->();fail

Exemplu:

Observati pe exemplul de mai sus ca pred_if1 a afisat mesaje doar pentru acei X mai mari decat 3. De ce? Cum poate fi modificat predicatul pred_if1 din programul de mai sus astfel incat pentru fiecare solutie X a lui p(X) sa afiseze un mesaj daca X e mai mare ca 3 si alt mesaj daca nu.

Recursivitate

Recursivitatea apare atunci cand valoarea de adevar a unui predicat cu anumiti parametri depinde de valoarea de adevar a aceluiasi predicat (dar, bineinteles, cu alti parametri). Practic e vorba de un predicat care se apeleaza pe el insusi (direct sau indirect), de exemplu:
p(...) :- ..., p(...), ... .
sau:
p1(...) :- ..., p2(...), ... .
p2(...) :- ..., p1(...), ... .