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从prolog到LTN,AI的逻辑推理能力1

趁着假期快速阅读了一些关于逻辑编程的文献,喜欢上了逻辑编程这种编程方式。然后,顺藤摸瓜,果然,神经网络+逻辑编程,学术界的研究也有了初步的成果,例如Logic Tensor Networks 、Neural Logic Machines 等等。

本文整理了逻辑编程、prolog语言快速入门、LTN的核心思想,分享给大家。
 
 

01

逻辑编程是什么?

programming of Logic

只要给出事实和规则,它会自动分析其中的逻辑关系,然后给出答案。它描述了解决方案而不是计算步骤。基于该描述,计算机解决了该问题。从这点来说,描述问题的解决方案比设计解决问题的方法容易得多,在逻辑编程时,我们不需要关心寻找结果的过程,这就是逻辑编程具有吸引力的原因。
 
在逻辑编程中,我们需要建立建立变量(未知数)和值(知识)之间的约束关系,例如:

x * 2 + y * 2 == 16

就是一条建立好的约束关系,我们只需编写到这一步即可,剩下的逻辑编程语言会自动计算出有效的结果。

而非逻辑编程语言,需要我们一步一步告诉计算机确切地做什么,例如:

for(var x=0;x<16;x++){ for(var y=0;y<16;y++){ if(x*2+y*2==16){ console.log(x,y) } }}

我们需要把具体的解决方案也编写完。是不是感觉逻辑编程很简单?只需要把解题的约束建立好。学习逻辑编程,可以先从Prolog学起。


02

Prolog 语言


我们来试验下逻辑编程,开发环境是mac,打开终端,输入:

brew install swi-prolog

安装过程有点漫长,等待安装完成。
开始体验,终端输入:

swipl

然后输入:

write("Hello Mixlab").

注意,prolog的每条命令结尾需要添加一个 . 号
终端会打印出Hello Mixlab的字样,恭喜,prolog运行成功。
如何退出prolog?终端输入:

halt.

即可退出prolog。
 

03

通过寻找凶手的例子,了解逻辑编程的核心思想


如何用prolog寻找凶手呢?案件是这样的Boddy先生死于谋杀,现有6名嫌疑犯,每个人在不同的房间,每间房间各有一件可能的凶器。我们不知道嫌疑犯、房间、凶器之间的对应关系。
 
 
下面将根据每次探案获得的线索,一步步输入prolog,最终找出谁是凶手。
这个过程是不是很像最近热播的《轮到你了》中用AI来寻找凶手的过程,也是一次次输入获得的线索,然后AI来推理。
 
6名嫌疑犯分别是:
三男 George、John、Robert
三女 Barbara、Christine、Yolanda

prolog先定义6名嫌疑犯:

man(george).man(john).man(robert).woman(barbara).woman(christine).woman(yolanda).

用2条规则来约定男人属于人,女人属于人:

person(X):- man(X).person(X):- woman(X).
这样,最基本的变量(未知数)X和知识person、woman,已经建立关系。我们可以把上面这几行代码写成一个test.pl文件,然后终端输入:

swipl[test].
测试下:

person(shadow).
返回的是false,因为shadow没有录入man里,再试试输入:

person(john).
返回的是true。
 
详细的代码地址可以见文末。我们继续往下
 
 

04

Logic Tensor Networks(LTN)


LTN逻辑张量网络,把知识和数据都被映射到向量空间,从而使得模型具备知识推理能力。下面通过一个例子来理解它的核心思想。
 
通过上文的简单介绍,我们知道,需要把知识跟变量可能的值录入,程序就具备了逻辑推理能力。例如,知识“apple”,按照逻辑编程的写法“ apple(x)”,它将任何对象x作为参数,如果该对象是苹果则返回true,否则返回false。
 
规则:红苹果是甜的,可以表示为逻辑公式:

sweetx:- applex),redx

此语句可解释如下:
“如果x是苹果和红色,那么这个x也必须是甜的。
换句话说:所有红苹果都是甜的。
 
如果apple(x)返回的不是true或者false,而是返回0到1之间的数字,这样,我们就可以通过0-1来表达x是apple的概率。

一旦我们把apple(x)的取值范围变为0-1,我们就可以利用神经网络进行分类,然后再使用我们的逻辑公式对其进行推理。此外,我们可以使用逻辑公式来指导学习神经网络权重的过程。我们可以优化神经网络的权重,使其正确地将x分类为apple。
 
我是喜欢上了逻辑编程的方式,还可以为AI加上推理能力,
逻辑编程+深度学习
欢迎加入mixlab无界社区一起探索。
 
 
参考资料
1 prolog经典示例
https://github.com/xmonader/prolog-rands/blob/master/crime.pl
2 Logic Tensor Networks: Deep Learning and Logical Reasoning from Data and Knowledge
https://arxiv.org/abs/1606.04422
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