A Generic Framework for Implicate Generation Modulo Theories

International audienceThe clausal logical consequences of a formula are called its implicates. The generation of these implicates has several applications, such as the identification of missing hypotheses in a logical specification. We present a procedure that generates the implicates of a quantifier-free formula modulo a theory. No assumption is made on the considered theory, other than the existence of a decision procedure. The algorithm has been implemented (using the solvers MiniSAT, CVC4 and Z3) and experimental results show evidence of the practical relevance of the proposed approach

An Approach to Abductive Reasoning in Equational Logic

http://ijcai.org/papers13/contents.php - Posters: Constraints, Satisfiability, and Search (ijcai13.org)International audienceAbduction has been extensively studied in propositional logic because of its many applications in artificial intelligence. However, its intrinsic complexity has been a limitation to the implementation of abductive reasoning tools in more expressive logics. We have devised such a tool in ground flat equational logic, in which literals are equations or disequations between constants. Our tool is based on the computation of prime implicates. It uses a relaxed paramodulation calculus, designed to generate all prime implicates of a formula, together with a carefully defined data structure storing the implicates and able to efficiently detect, and remove, redundancies. In addition to a detailed description of this method, we present an analysis of some experimental results

Prime implicate generation in equational logic

The work presented in this memoir deals with the generation of prime implicates in ground equational logic, i.e., of the most general consequences of formulae containing equations and disequations between ground terms.It is divided in three parts. First, two calculi that generate implicates are defined. Their deductive-completeness is proved, meaning they can both generate all the implicates up to redundancy of equational formulae.Second, a tree data structure to store the generated implicates is proposed along with algorithms to detect redundancies and prune the branches of the tree accordingly. This data structure is adapted to the different kinds of clauses (with and without function symbols, with and without constraints) and to the various formal definitions of redundancy used in the calculi since each calculus uses different -- although similar -- redundancy criteria. Termination and correction proofs are provided with each algorithm. Finally, an experimental evaluation of the different prime implicate generation methods based on research prototypes written in Ocaml is conducted including a comparison with state-of-the-art prime implicate generation tools. This experimental study is used to identify the most efficient variants of the proposed algorithms. These show promising results overstepping the state of the art.Ce mémoire présente le résultat de mon travail de thèse sur la génération d'impliqués premiers en logique équationnelle fermée, i.e., la génération des conséquences les plus générales de formules logiques contenants des équations et des disequations entre termes sans variables. Ce mémoire est divisé en trois parties. Tout d'abord, deux calculs de génération d'impliqués sont définis. Leur complétude pour la déduction est prouvée, ce qui signifie qu'ils sont tous deux capables de générer l'ensemble des impliqués modulo redondance d'une formule équationnelle fermée. Dans une deuxième partie, une structure de données arborescente est proposée pour stocker les impliqués générés, accompagnée d'algorithmes pour déceler les redondances et couper les branches de l'arbre lorsque c'est nécessaire. Cette structure de données est adaptée aux différents types de clauses (avec et sans symboles de fonctions, avec et sans contraintes) ainsi qu'aux différentes notions de redondance utilisées dans les calculs. En effet, chaque calcul utilise un critère de redondance légèrement différent des autres. Les preuves de correction et de terminaison des algorithmes sont fournies pour chaque algorithme. Enfin, une évaluation expérimentale des différentes méthodes de génération d'impliqués premiers est réalisée. Pour cela, un prototype de ces méthodes, écrit en Ocaml est comparé à des outils de génération d'impliqués premiers récents.Les résultats de ces expériences sont utilisés pour identifier les variantes les plus efficaces des algorithmes proposés. Les résultats sont prometteurs et dans la plupart des cas, meilleurs que ceux de l'état de l'art

Prime implicate generation in equational logic

The work presented in this memoir deals with the generation of prime implicates in ground equational logic, i.e., of the most general consequences of formulae containing equations and disequations between ground terms.It is divided in three parts. First, two calculi that generate implicates are defined. Their deductive-completeness is proved, meaning they can both generate all the implicates up to redundancy of equational formulae.Second, a tree data structure to store the generated implicates is proposed along with algorithms to detect redundancies and prune the branches of the tree accordingly. This data structure is adapted to the different kinds of clauses (with and without function symbols, with and without constraints) and to the various formal definitions of redundancy used in the calculi since each calculus uses different -- although similar -- redundancy criteria. Termination and correction proofs are provided with each algorithm. Finally, an experimental evaluation of the different prime implicate generation methods based on research prototypes written in Ocaml is conducted including a comparison with state-of-the-art prime implicate generation tools. This experimental study is used to identify the most efficient variants of the proposed algorithms. These show promising results overstepping the state of the art.Ce mémoire présente le résultat de mon travail de thèse sur la génération d'impliqués premiers en logique équationnelle fermée, i.e., la génération des conséquences les plus générales de formules logiques contenants des équations et des disequations entre termes sans variables. Ce mémoire est divisé en trois parties. Tout d'abord, deux calculs de génération d'impliqués sont définis. Leur complétude pour la déduction est prouvée, ce qui signifie qu'ils sont tous deux capables de générer l'ensemble des impliqués modulo redondance d'une formule équationnelle fermée. Dans une deuxième partie, une structure de données arborescente est proposée pour stocker les impliqués générés, accompagnée d'algorithmes pour déceler les redondances et couper les branches de l'arbre lorsque c'est nécessaire. Cette structure de données est adaptée aux différents types de clauses (avec et sans symboles de fonctions, avec et sans contraintes) ainsi qu'aux différentes notions de redondance utilisées dans les calculs. En effet, chaque calcul utilise un critère de redondance légèrement différent des autres. Les preuves de correction et de terminaison des algorithmes sont fournies pour chaque algorithme. Enfin, une évaluation expérimentale des différentes méthodes de génération d'impliqués premiers est réalisée. Pour cela, un prototype de ces méthodes, écrit en Ocaml est comparé à des outils de génération d'impliqués premiers récents.Les résultats de ces expériences sont utilisés pour identifier les variantes les plus efficaces des algorithmes proposés. Les résultats sont prometteurs et dans la plupart des cas, meilleurs que ceux de l'état de l'art

On a notion of abduction and relevance for first-order logic clause sets

I propose techniques to help with explaining entailment and non-entailment in first-order logic respectively relying on deductive and abductive reasoning. First, given an unsatisfiable clause set, one could ask which clauses are necessary for any possible deduction (\emph{syntactically relevant}), usable for some deduction (\emph{syntactically semi-relevant}), or unusable (\emph{syntactically irrelevant}). I propose a first-order formalization of this notion and demonstrate a lifting of this notion to the explanation of an entailment w.r.t some axiom set defined in some description logic fragments. Moreover, it is accompanied by a semantic characterization via \emph{conflict literals} (contradictory simple facts). From an unsatisfiable clause set, a pair of conflict literals are always deducible. A \emph{relevant} clause is necessary to derive any conflict literal, a \emph{semi-relevant} clause is necessary to derive some conflict literal, and an \emph{irrelevant} clause is not useful in deriving any conflict literals. It helps provide a picture of why an explanation holds beyond what one can get from the predominant notion of a minimal unsatisfiable set. The need to test if a clause is (syntactically) semi-relevant leads to a generalization of a well-known resolution strategy: resolution equipped with the set-of-support strategy is refutationally complete on a clause set $N$ and SOS $M$ if and only if there is a resolution refutation from $N\cup M$ using a clause in $M$. This result non-trivially improves the original formulation. Second, abductive reasoning helps find extensions of a knowledge base to obtain an entailment of some missing consequence (called observation). Not only that it is useful to repair incomplete knowledge bases but also to explain a possibly unexpected observation. I particularly focus on TBox abduction in \EL description logic (still first-order logic fragment via some model-preserving translation scheme) which is rather lightweight but prevalent in practice. The solution space can be huge or even infinite. So, different kinds of minimality notions can help sort the chaff from the grain. I argue that existing ones are insufficient, and introduce \emph{connection minimality}. This criterion offers an interpretation of Occam's razor in which hypotheses are accepted only when they help acquire the entailment without arbitrarily using axioms unrelated to the problem at hand. In addition, I provide a first-order technique to compute the connection-minimal hypotheses in a sound and complete way. The key technique relies on prime implicates. While the negation of a single prime implicate can already serve as a first-order hypothesis, a connection-minimal hypothesis which follows \EL syntactic restrictions (a set of simple concept inclusions) would require a combination of them. Termination by bounding the term depth in the prime implicates is provable by only looking into the ones that are also subset-minimal. I also present an evaluation on ontologies from the medical domain by implementing a prototype with SPASS as a prime implicate generation engine.Ich schlage Techniken vor, die bei der Erklärung von Folgerung und Nichtfolgerung in der Logik erster Ordnung helfen, die sich jeweils auf deduktives und abduktives Denken stützen. Erstens könnte man bei einer gegebenen unerfüllbaren Klauselmenge fragen, welche Klauseln für eine mögliche Deduktion notwendig (\emph{syntaktisch relevant}), für eine Deduktion verwendbar (\emph{syntaktisch semi-relevant}) oder unbrauchbar (\emph{syntaktisch irrelevant}). Ich schlage eine Formalisierung erster Ordnung dieses Begriffs vor und demonstriere eine Anhebung dieses Begriffs auf die Erklärung einer Folgerung bezüglich einer Reihe von Axiomen, die in einigen Beschreibungslogikfragmenten definiert sind. Außerdem wird sie von einer semantischen Charakterisierung durch \emph{Konfliktliteral} (widersprüchliche einfache Fakten) begleitet. Aus einer unerfüllbaren Klauselmenge ist immer ein Konfliktliteralpaar ableitbar. Eine \emph{relevant}-Klausel ist notwendig, um ein Konfliktliteral abzuleiten, eine \emph{semi-relevant}-Klausel ist notwendig, um ein Konfliktliteral zu generieren, und eine \emph{irrelevant}-Klausel ist nicht nützlich, um Konfliktliterale zu generieren. Es hilft, ein Bild davon zu vermitteln, warum eine Erklärung über das hinausgeht, was man aus der vorherrschenden Vorstellung einer minimalen unerfüllbaren Menge erhalten kann. Die Notwendigkeit zu testen, ob eine Klausel (syntaktisch) semi-relevant ist, führt zu einer Verallgemeinerung einer bekannten Resolutionsstrategie: Die mit der Set-of-Support-Strategie ausgestattete Resolution ist auf einer Klauselmenge $N$ und SOS $M$ widerlegungsvollständig, genau dann wenn es eine Auflösungswiderlegung von $N\cup M$ unter Verwendung einer Klausel in $M$ gibt. Dieses Ergebnis verbessert die ursprüngliche Formulierung nicht trivial. Zweitens hilft abduktives Denken dabei, Erweiterungen einer Wissensbasis zu finden, um eine implikantion einer fehlenden Konsequenz (Beobachtung genannt) zu erhalten. Es ist nicht nur nützlich, unvollständige Wissensbasen zu reparieren, sondern auch, um eine möglicherweise unerwartete Beobachtung zu erklären. Ich konzentriere mich besonders auf die TBox-Abduktion in dem leichten, aber praktisch vorherrschenden Fragment der Beschreibungslogik \EL, das tatsächlich ein Logikfragment erster Ordnung ist (mittels eines modellerhaltenden Übersetzungsschemas). Der Lösungsraum kann riesig oder sogar unendlich sein. So können verschiedene Arten von Minimalitätsvorstellungen helfen, die Spreu vom Weizen zu trennen. Ich behaupte, dass die bestehenden unzureichend sind, und führe \emph{Verbindungsminimalität} ein. Dieses Kriterium bietet eine Interpretation von Ockhams Rasiermesser, bei der Hypothesen nur dann akzeptiert werden, wenn sie helfen, die Konsequenz zu erlangen, ohne willkürliche Axiome zu verwenden, die nichts mit dem vorliegenden Problem zu tun haben. Außerdem stelle ich eine Technik in Logik erster Ordnung zur Berechnung der verbindungsminimalen Hypothesen in zur Verfügung korrekte und vollständige Weise. Die Schlüsseltechnik beruht auf Primimplikanten. Während die Negation eines einzelnen Primimplikant bereits als Hypothese in Logik erster Ordnung dienen kann, würde eine Hypothese des Verbindungsminimums, die den syntaktischen Einschränkungen von \EL folgt (einer Menge einfacher Konzeptinklusionen), eine Kombination dieser beiden erfordern. Die Terminierung durch Begrenzung der Termtiefe in den Primimplikanten ist beweisbar, indem nur diejenigen betrachtet werden, die auch teilmengenminimal sind. Außerdem stelle ich eine Auswertung zu Ontologien aus der Medizin vor, Domäne durch die Implementierung eines Prototyps mit SPASS als Primimplikant-Generierungs-Engine

Automated Reasoning

This volume, LNAI 13385, constitutes the refereed proceedings of the 11th International Joint Conference on Automated Reasoning, IJCAR 2022, held in Haifa, Israel, in August 2022. The 32 full research papers and 9 short papers presented together with two invited talks were carefully reviewed and selected from 85 submissions. The papers focus on the following topics: Satisfiability, SMT Solving,Arithmetic; Calculi and Orderings; Knowledge Representation and Jutsification; Choices, Invariance, Substitutions and Formalization; Modal Logics; Proofs System and Proofs Search; Evolution, Termination and Decision Prolems. This is an open access book

Logical Reduction of Metarules

International audienceMany forms of inductive logic programming (ILP) use metarules, second-order Horn clauses, to define the structure of learnable programs and thus the hypothesis space. Deciding which metarules to use for a given learning task is a major open problem and is a trade-off between efficiency and expressivity: the hypothesis space grows given more metarules, so we wish to use fewer metarules, but if we use too few metarules then we lose expressivity. In this paper, we study whether fragments of metarules can be logically reduced to minimal finite subsets. We consider two traditional forms of logical reduction: subsumption and entailment. We also consider a new reduction technique called derivation reduction, which is based on SLD-resolution. We compute reduced sets of metarules for fragments relevant to ILP and theoretically show whether these reduced sets are reductions for more general infinite fragments. We experimentally compare learning with reduced sets of metarules on three domains: Michalski trains, string transformations, and game rules. In general, derivation reduced sets of metarules outperform subsumption and entailment reduced sets, both in terms of predictive accuracies and learning times