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Programa¸c˜ao em Prolog
UMA ABORDAGEM PRATICA´
Eloi L. Favero
Departamento de Inform´atica
CCEN - UFPA
(Vers˜ao 2006)
- Parte I: Fundamentos e T´ecnicas de Programac¸˜ao
- Hist´orico e Teoria do Prolog
- T´ecnicas de Programa¸c˜ao:
∗ Listas e Estruturas de Dados ∗ Fluxo de Controle e Aritm´etica ∗ Anima¸c˜ao de Programas ∗ Classifica¸c˜ao e Ordena¸c˜ao
- Parte II: A Linguagem Prolog
- O Prolog Padr˜ao ISO
- Ambiente de Depura¸c˜ao
- Parte III: Estudos de Casos e Aplicac¸˜oes
- Programa¸c˜ao de Gram´aticas: Autˆomatos e Gram´aticas Regulares, Gram´aticas Livres de Contexto, Gram´aticas de Atributos; An´alise L´exica, Sint´atica e Semˆantica
- Linguagens Formais e Compiladores
- Processamento de Linguagem Natural: L´exico/Morfologia, Sintaxe, Gera¸c˜ao de Linguagem Natural
- Inteligˆencia Artificial: KNN, Bayes, Kmeans
- Ngramas: Bigramas e Trigramas
Eloi L. Favero
Departamento de Inform´atica
Copyright ©c 2006
Para minha companheira Flori
e nossos filhos, Emmanuel, Ayun e Thiago
pelo amor e a inspira¸c˜ao.
Pref´acio
N´os acreditamos que programa¸c˜ao pode ser, e deve ser, uma atividade intelectual recompensadora; e que uma boa linguagem de programa¸c˜ao ´e uma poderosa ferramenta conceitual — uma ferramenta para organizar, expressar, experimentar com, e ainda comunicar nossos pensamentos; ... The Art of Prolog de L. Sterling e E. Shapiro [16].
Objetivos do livro
O objetivo deste livro-texto ´e servir como material did´atico na l´ıngua portuguesa para ensino de programa¸c˜ao em Prolog, visando: 1) atender diferentes p´ublicos, de cursos de gradua¸c˜ao at´e cursos de p´os-gradua¸c˜ao, nas ´areas da Ciˆencia da Computa¸c˜ao e correlatas (por exemplo, Sistemas de Informa¸c˜ao); 2) servir de material de apoio para cursos com diferentes cargas hor´arias, de 20 horas at´e 60 horas; e 3) servir como material de referˆencia para usu´arios da linguagem Prolog (adotamos o padr˜ao definido pela norma ISO). Dependendo da dura¸c˜ao do curso, e do p´ublico-alvo, diferentes cap´ıtulos e se¸c˜oes do livro s˜ao usados. No final deste pref´acio sugerimos algumas seq¨uˆencias de cap´ıtulos para alguns usos do livro. A linguagem de programa¸c˜ao Prolog tem sido usada principalmente em disciplinas relacionadas com a ´area de Inteligˆencia Artificial (IA). O Prolog^1 , tamb´em, traz bons resultados quando ´e usado nas atividades de programa¸c˜ao de disciplinas tais como: Programa¸c˜ao em L´ogica (a parte pr´atica), Linguagens Formais, Compiladores, Linguagens de Programa¸c˜ao (paradigma l´ogico), entre outras. A abordagem do livro ´e essencialmente pr´atica, em oposi¸c˜ao ao enfoque te´orico da Programa¸c˜ao em L´ogica que destaca assuntos, tais como estrat´egias de resolu¸c˜ao e computabilidade de um programa. O objetivo de um curso pr´atico de Prolog ´e ensinar as t´ecnicas necess´arias para se desenvolver, de forma clara, elegante e concisa, programas que expressam a solu¸c˜ao de problemas reais. Em uma perspectiva complementar, o subt´ıtulo do livro Uma abordagem pr´atica est´a rela- cionado ao ditado que diz: o talento nasce da pr´atica fiel. A habilidade de desenvolver progra- mas pensando em Prolog nasce de atividades pr´aticas de programa¸c˜ao. Para isso, apresentamos in´umeros exerc´ıcios associados a cada novo assunto apresentado. Por outro lado, em especial na terceira parte do livro, apresentamos estudos de casos baseados em problemas coletados em diversas
(^1) Usamos dois termos como sinˆonimos: “A linguagem Prolog”e “O Prolog”como um sistema que executa a linguagem Prolog.
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´areas da Ciˆencia da Computa¸c˜ao, incluindo: Linguagens Formais, Compiladores, Processamento de Linguagem Natural, Inteligˆencia Artificial e Minera¸c˜ao de Dados.
O poder de expressividade do Prolog
Desde o surgimento, in´ıcio dos anos 70, o Prolog mant´em sua popularidade devido `a combina¸c˜ao de diversas caracter´ısticas que definem o seu poder expressivo como linguagem de programa¸c˜ao:
- Prolog implementa um paradigma de programa¸c˜ao declarativa (em contraste com o paradigma imperativo de C, Pascal) em que se descreve o que fazer e n˜ao como fazer. Em Prolog, o conhecimento computacional (fatos e regras de inferˆencia) ´e expresso numa forma declarativa de alto n´ıvel;
- Prolog trabalha com estruturas de dados de alto n´ıvel. Estruturas de dados complexas, tais como listas, ´arvores, grafos, etc. s˜ao naturalmente representadas e manipuladas em Prolog. Assim sendo, Prolog possibilita prototipa¸c˜ao r´apida, por exemplo, para valida¸c˜ao de especifica¸c˜oes de sistemas de software;
- Prolog implementa um sistema de resolu¸c˜ao para a l´ogica de cl´ausulas definidas, que ´e um subconjunto significativo da l´ogica de primeira ordem. Apesar desta fundamenta¸c˜ao l´ogica, n˜ao ´e necess´ario ter forma¸c˜ao pr´evia em l´ogica para programar pensando em Prolog;
- Prolog vem com um sistema de processamento de regras gramaticais chamado Definite Clause Grammar (DCG), que ´e essencial para o desenvolvimento de aplica¸c˜oes (ou prot´otipos) nas ´areas de Linguagens Formais, Compiladores e Processamento em Linguagem Natural (PLN) — o primeiro Prolog foi desenvolvido para PLN;
- Prolog permite metaprograma¸c˜ao, isto ´e, um programa pode se examinar e se automod- ificar. Metaprograma¸c˜ao ´e sinˆonimo de linguagens de alta ordem (n˜ao primeira ordem), as quais permitem e facilitam o desenvolvimento de ferramentas para outras linguagens, por exemplo, interpretadores para sistemas de regras para IA.
Vale citar, tamb´em, que o Prolog possui uma sintaxe simples, que se mant´em est´avel desde o surgimento do Prolog padr˜ao Edimburgo, em 1977. O padr˜ao ISO Prolog (1996) [10], 19 anos depois, veio afirmar a sintaxe do Prolog Edimburgo como padr˜ao, apenas apresentando um conjunto adicional de predicados predefinidos. Nesse sentido, observa-se que a maior parte dos programas encontrados em livros da d´ecada de 80 rodam sem altera¸c˜oes (ou quase sem) nos interpretadores atuais (por exemplo, os programas do livro Programming in Prolog de Clocksin & Mellish [5], de 1981). Neste texto, sempre que poss´ıvel, adotamos o padr˜ao ISO Prolog; eventuais diferen¸cas s˜ao apontadas.
Disciplina de Programa¸c˜ao
Como professor, tenho observado que a pr´atica em Prolog desenvolve algumas habilidades pos- itivas de programa¸c˜ao, que, uma vez adquiridas como talentos, s˜ao levadas para outros ambientes de programa¸c˜ao, tais como C++ e Java. Estas habilidades s˜ao:
- Abstra¸c˜ao: c´odigo de especifica¸c˜ao de alto n´ıvel;
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- Programa¸c˜ao em L´ogica e Prolog (60 horas). O livro ´e indicado para a parte da linguagem Prolog. Todos os cap´ıtulos da Parte I, mais alguns da Parte III.
- Fundamentos de programa¸c˜ao para IA (60 horas). Come¸cando com Curso r´apido de Prolog. Mais alguns t´opicos da parte III.
- Fundamentos de Prolog para Linguagens Formais e Compiladores (entre 20 e 60 horas). Ou para o desenvolvimento de processadores de linguagens. Come¸cando com o Curso r´apido de Prolog, mais os cap´ıtulos sobre Programa¸c˜ao de Gram´aticas e PLN.
- Paradigma L´ogico dentro de uma disciplina de Linguagens de Programa¸c˜ao (10 horas). Os primeiros quatro cap´ıtulos da Parte I, ou apenas o cap´ıtulo 1 e parte do cap´ıtulo 2 (s´o duas horas-aula).
Sobre o autor
O autor ´e Bacharel em Ciˆencias da Computa¸c˜ao pela UFRGS (1983-1987), Mestre em Ciˆencias da Computa¸c˜ao pela UFRGS (1987-1990) e ´e Doutor em Ciˆencias da Computa¸c˜ao com ˆenfase em Computa¸c˜ao Inteligente pela UFPE (1996-2000). Professor e pesquisador do Departamento de Inform´atica da UFPA desde 1991, atua tamb´em nos cursos de Mestrado e Doutorado do Programa de P´os-Gradu¸c˜ao em Engenharia El´etrica e Computa¸c˜ao (PPGEEC) da UFPA, na sub´area de Computa¸c˜ao Aplicada. O autor vem desenvolvendo pesquisa em algumas sub´areas da Inteligˆencia Artificial (IA): IA Simb´olica, Processamento de Linguagem Natural e Agentes Inteligentes para Web.
Sum´ario
Lista de Figuras
1.1 O ambiente do SWI-Prolog............................. 11 1.2 O interpretador de comandos do SWI-Prolog.................... 12
9.1 O modelo de caixa e portas de Byrd......................... 134
10.1 Operadores predefinidos conforme o Prolog ISO.................. 146 10.2 Fun¸c˜oes aritm´eticas do Prolog ISO......................... 151
11.1 Arvore sint´´ atica com atributos sintetizados (S-GA), para contar os a(s)....... 170 11.2 Arvore para a senten¸´ ca ”bbb”, da gram´atica L-GA, com atributos herdados (descem) e sintetizados (sobem) para contar os (b)s...................... 171
13.1 Autˆomato finito para tokens de express˜oes aritm´eticas................ 182
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Parte I
Fundamentos e T´ecnicas de Programa¸c˜ao
em Prolog
