Raciocinando dentro Ci

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Raciocinando dentro Ciência da Computacao
OURaciocínio na Ciência da Computacao

• Lógica de Predicados/Primeira Ordem
• Métodos Formais para Desenvolvimento de Sistemas
• Banco de Dados Dedutivo
• Inteligência Artificial

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Lógica

• Já viram com Ruy
• Raciocínio dedutivo (regras de inferência)
• Os silogismos, que nós trabalhamos são um
  exemplo
• Nenhum tirano é amado.
• Dionísio é tirano.
• Dionísio não é amado
• Também trabalharam com procedimentos de prova,
  como a Dedução natural, resolução, por exemplo.
• Um provador que utiliza dedução natural é o
  Alfie, disponível em
• http//www.cs.chalmers.se/sydow/alfie/

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Métodos Formais para o Desenvolvimento de Sistemas

• Motivação
• Crise de Software
• Desenvolvimento é ad-hoc
• Não há um padrão para o processo
• É preciso utilizar técnicas, teorias, métodos,
  ferramentas
• Profissionais Incapazes de Controlar
• Custo
• Tempo de duração do processo de construção do
  software
• Qualidade do Produto desenvolvido
• Manutenção toma 70-80 do esforço

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O Problema da Especificação de Software

• Especificação?Projeto ? Implementação ?
  Manutenção
• Especificação informal
• Projeto informal ou estruturado, semi-formal
• JSD, Yourdon, OMT, BON, UML, ...
• Implementação sem garantia de realizar o projeto
• Verificação e validação são ignorados!

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O que são Métodos Formais em Engenharia de
Software

• Método de desenvolvimento de software
• através do qual se pode definir
  precisamente um sistema e
• desenvolver implementações garantidamente
  corretas em relação a esta definição.

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Um Exemplo de Especificação

• Tipo pilha-int
• Funções
• vazia -gt pilha-int
• push int pilha-int -gt pilha-int
• pop pilha-int -gt pilha-int
• top pilha-int -gt int
• e_vazia pilha-int -gt bool
• Axiomas
• pop (push (i, p)) p
• top (push (i, p)) i
• e_vazia (p) (p vazia)

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Programas Abstratos... Podem derivar Programas
Reais

• Descrições de estado
• Exemplo de estado
• Variáveis x, y, e z
• Uma fórmula descreve um estado se ela é tornada
  verdadeira pelos mapeamentos do estado
• x 2 x z lt y x 2 Ù y 17 Ù z
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• Um estado satisfaz uma fórmula se aquela fórmula
  descreve ele
• Cálculo de predicados

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Então...

• Primeiro, especificamos o sistema via pré e
  pós-condições
• Depois, esta descrição matemática é transformada
  gradualmente em código ? refinamento do programa!
• Se tivermos as propriedades da especificação
  codificadas em uma linguagem lógica, conseguimos
  prová-las.
• Resumindo... Usando técnicas de raciocínio
  lógico, podemos
• (1) verificar se o programa produz o que se
  espera
• (2) verificar se o progrmaa termina
• (3) derivar código para construir programas que
  satisfazem a uma especificação
• (4) transformar um sistema em outro equivalente

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Uma pausa... Banco de Dados

• Um Banco de Dados...
• É uma coleção de dados relacionados...
• Mais precisamente...
• Um BD é projetado, construído e preenchido com
  dados para um objetivo específico. Tem um público
  alvo e algumas aplicações nas quais os usuários
  estão interessados.
• Um banco de dados pode ser
• Manual catálogo de cartões da biblioteca
• Computadorizado sistema de alunos da
  universidade.

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Porque usar Banco de Dados?
Dados manipulados por vários usuários com visões
diferentes
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E mais... Os Sistemas Gerenciadores de Bancos de
Dados

• Um SGBD é uma coleção de programas para criação e
  manutenção de um banco de dados.
• É um sistema de propósito geral.
• Facilita os processos de definição, construção e
  manipulação do Banco de Dados.
• Tem por objetivos...
• Eliminar ou Reduzir
• Redundância e Inconsistência de Dados
• Dificuldade no Acesso aos Dados
• Isolamento dos Dados
• Anomalias de Acesso Concorrente
• Problemas de Segurança

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Um SGBD tem esta cara
Usuários/Programadores
Aplicações/Queries
Processamento de Queries
Acesso aos dados
BD
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SGBD Dedutivo

• Definição
• Um SGBD Dedutivo é um sistema que inclui
  capacidade para definir regras que podem deduzir
  ou inferir informações adicionais dos fatos que
  estão armazenados no banco de dados.
• Parte da fundamentação teórica destes sistemas
  é a lógica matemática e, por isso, eles também
  são referidos como banco de dados lógicos.

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Bancos de Dados Dedutivos - Conceitos Básicos

• Dois tipos de especificação são usados
• Fatos - são especificados como relações, exceto
  pelo fato que o nome dos atributos não interessa
  mas sim a posição deles na tupla.
• Regras - especificam relações virtuais
  (similares às visões relacionais) que não estão
  armazenadas no banco mas que podem ser criadas a
  partir dos fatos, aplicando o mecanismo de
  dedução baseado nas regras.

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E mais...Conceitos Básicos

• Um mecanismo de dedução (ou inferência) em um
  sistema pode deduzir novos fatos no banco de
  dados através da interpretação das regras.
• O modelo usado pelos BD dedutivos é relacionado
  à Programação em Lógica (Prolog). Eles trabalham
  com a linguagem Datalog.

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SGBD Dedutivo

• Existem outros sistemas que incorporam esta
  capacidade de inferência, chamados sistemas de
  banco de dados especialistas ou sistemas
  baseados em conhecimento, incluindo técnicas da
  inteligência artificial. Estes sistemas diferem
  do sistemas dedutivos por
• tratar dados sempre em memória principal
• extrair o conhecimento dos especialistas das
  aplicações e não dos dados.

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SGBD Dedutivo

• A principal contribuição dos banco de dados
  dedutivos é a possibilidade de especificar regras
  recursivas e prover uma maneira de inferir novas
  informações baseada nas regras especificadas.
• Forma geral de uma regra
• cabeça (head) - corpo (body)

Conclusão Premissa
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Um Exemplo de SGBD Dedutivo

• Exemplo
• Regras
• superior (X,Y) - supervisiona (X,Y)
• superior (X,Y) - supervisiona (X,Z),
  superior(Z,Y)
• Fatos conhecidos
• supervisiona (francisco, joão)
• supervisiona (francisco, roberto)
• supervisiona (francisco, jane)
• supervisiona (maria, alice)
• supervisiona (maria, antônio)
• supervisiona (tiago, francisco)
• supervisiona (tiago, maria)
• supervisiona (X,Y) é falso para qualquer outra
  combinação

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Um exemplo... cont

• Exemplo (cont.)
• Fatos derivados
• pela regra 1
• superior (francisco, joão)
• superior (francisco, roberto)
• superior (francisco, jane)
• superior (maria, alice)
• superior (maria, antônio)
• superior (tiago, francisco)
• superior (tiago, maria)

pela regra 2 superior (tiago, joão) superior
(tiago, roberto) superior (tiago, jane) superior
(tiago, alice) superior (tiago, antônio)
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Inteligência Artificial (IA) definição

• Surgiu na década de 50
• Objetivo desenvolver sistemas para realizar
  tarefas que, no momento
• são melhor realizadas por seres humanos que por
  máquinas, ou
• não possuem solução algorítmica viável pela
  computação convencional

problemas que não possuem uma solução algorítmica
IA
problemas solúveis por seres humanos
Se o ser humano pode, por que não a máquina?
(tese de Church-Turing)
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Interação com outras disciplinas
Matemática
Sociologia
Filosofia
Psicologia
Lingüística
Computação
Neuro-fisiologia
Genética
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Aplicações

• Matemática demonstração de teoremas, resolução
  simbólica de equações, geometria, etc.
• Pesquisa operacional otimização e busca
  heurística em geral
• Jogos xadrez, damas, go, etc.
• Processamento de linguagem natural tradução
  automática, verificadores ortográficos e
  sintáticos, interfaces para BDs, etc.
• Sistemas tutores modelagem do aluno, escolha de
  estratégias pedagógicas, etc.
• Percepção visão, tato, audição, olfato,
  paladar...
• Robótica (software e hardware) manipulação,
  navegação, monitoramento, etc.

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Aplicações

• Sistemas especialistas Atividades que exigem
  conhecimento especializado e não formalizado
• Tarefas diagnóstico, previsão, monitoramento,
  análise, planejamento, projeto, etc.
• Áreas medicina, finanças, engenharia, química,
  indústria, arquitetura, arte, computação,...
• Computação
• engenharia de software (sobretudo na Web)
• programação automática
• interfaces adaptativas
• bancos de dados dedutivos e ativos
• mineração de dados (data mining)
• sistemas distribuídos, etc.

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Categorias de Raciocínio na IA

• Dedução e Abdução fatos regras gt novos fatos
• Dedução causa gt conseqüência
• Inferência preserva a verdade
• Onde há fogo, há fumaça. Aqui tem fogo, logo aqui
  tem fumaça
• Abdução conseqüência gt causa
• Inferência preserva a falsidade!!!
• Onde há fumaça, há fogo.
• Indução fatos gt regras
• Se Sr. Antônio, assim como D. Maria, tem dor de
  cabeça e dengue, então todo mundo que tem dengue
  tem dor de cabeça.
• Analógico casos regras de adaptação
• Para construir este hospital, vou me basear no
  projeto daquele outro

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Sistemas Inteligentes

• São sistemas que raciocinam a fim de resolver um
  problema
• Raciocínio dedutivo
• Sistemas baseados em conhecimento
• Raciocínio indutivo
• Sistemas baseados em aprendizagem automática
• Raciocínio analógico
• Sistemas de raciocínio baseado em casos

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Sistemas Inteligentes Dedutivos

• Utilizam conhecimento e raciocínio para resolver
  problemas difíceis
• Principais componentes
• Base de Conhecimento (arquivo)
• Mecanismo de Inferência (procedimento que
  implementa raciocínio)
• Base de Conhecimento
• contém sentenças em uma Linguagem de
  Representação de Conhecimento
• representa conhecimento de forma tratável pelo
  computado
• Mecanismo (máquina) de Inferência
• responsável por raciocinar (inferir), a partir do
  conhecimento da base, novos fatos ou hipóteses
  intermediárias

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Esclarecendo...

• Dados
• cadeias numéricas ou alfanuméricas que não
  possuem significado associado
• podem ser fatos ou figuras a processar
• Informação
• dados organizados
• significam alguma coisa para quem os recebe
• Conhecimento
• representa objetos (entidades) de algum domínio,
  com suas propriedades e relações
• Meta-conhecimento
• conhecimento sobre o conhecimento disponível
• ex. regras sobre como manipular as regras sobre
  conhecimento que estão em uma base

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Categorias de Conhecimento

• Procedimental
• fatos e seqüências de instruções para manipular
  esses fatos
• ex. como desmontar uma bicicleta
• Declarativo
• representação descritiva dos fatos,
  relacionamentos e regras
• as partes de uma bicicleta e seus relacionamentos
  
• o pai do pai é o avô
• Episódico
• fatos vividos, casos, exemplos...
• ex. D. Maria tem dor de cabeça e dengue

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Linguagens de Representação do Conhecimento

• Uma Linguagem de Representação do Conhecimento é
  definida por
• 1) uma sintaxe, que descreve as configurações que
  podem constituir sentenças daquela linguagem
• 2) uma semântica, que liga cada sentença aos
  fatos no mundo que ela representa
• cada sentença faz uma afirmação a respeito do
  mundo
• o agente acredita nas sentenças que correspondem
  a sua configuração interna.
• E geralmente ...
• tem um mecanismo de inferência associado
  raciocínio

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Representação Raciocínio

• Raciocínio é um processo de construção de novas
  sentenças a partir de sentenças existentes.
• Raciocínio plausível (sound)
• garante que as novas sentenças representam fatos
  que se seguem dos fatos representados pelas
  sentenças existentes na BC.
• implementa a relação de implicação entre
  sentenças

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Problema

• West é criminoso ou não?
• A lei americana diz que é proibido vender armas
  a uma nação hostil. Cuba possui alguns mísseis, e
  todos eles foram vendidos pelo Capitão West, que
  é americano
• Como resolver automaticamente este problema de
  classificação?
• Para construir um Sistema Dedutivo, é preciso
• Identificar o conhecimento do domínio (modelo do
  problema)
• Representá-lo utilizando uma linguagem de
  representação do conhecimento
• Implementar um mecanismo de inferência para
  utilizar esse conhecimento

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Solucionando o problema em linguagem natural
A) Todo americano que vende uma arma a uma nação
hostil é criminoso B) Todo país em guerra com uma
nação X é hostil a X C) Todo país inimigo
político de uma nação X é hostil a X D) Todo
míssil é um arma E) Toda bomba é um arma F) Cuba
é uma nação G) USA é uma nação H) Cuba é inimigo
político dos USA I) Irã é inimigo político dos USA
conhecimento prévio
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Solucionando o problema em LPO
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Sistemas Inteligentes Indutivos

• Diversas abordagens
• ID3
• RN

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Sistemas Inteligentes Analógicos

• RBC

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Agentes Inteligentes arquitetura básica
Tell - adiciona novas sentenças à BC Ask -
consulta a BC
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Os Sistemas Multi-Agentes

• Duas Cabeças Pensam Melhor que Uma
• Por que SMA?
• Às vezes a computação centralizada não é
  possível.
• A informação é distribuída, residindo em sistemas
  complexos.
• Algumas Características
• Precisam se comunicar protocolos de interação.
• Ambientes abertos com design descentralizado
• Agentes são autônomos e distribuídos, podendo ser
  bonzinhos ou mais egoístas.

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Aplicações de SMA

• Marcação de Reuniões Automática
• Gerenciamento de Redes
• Gerenciamento de Informação em Ambientes como a
  Internet.
• Entretenimento
• Otimização de Processos de Produção
• Simulação de Fenômenos Sociais.
• Análise de Negócios

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Questões do Design de SMA

• Cada Agente é Limitado precisam interagir.
• Não há (muitas vezes) o controle central.
• Autonomia.
• Coordenação
• Agentes com atitudes de Cooperação/ Competição
• Teoria dos Jogos
• Dependência entre Eles.
• Problema da Comunicação

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Uma Aplicação de SMARobocup