Probabilistic Soft Logic CC-BY Fabian M. Suchanek 27
Statements with weights Amal Clooney is a human rights lawyer. Propositional Logic or First‐Order Logic Amal Clooney is rich. [70%] Fuzzy Logic If X is a lawyer, then X is rich. [60%] Weighted Logics Amal Clooney retires next year. [20%]  Probabilistic Logic If X is a lawyer, then X is rich to degree >40%. [60%] Probabilistic Soft Logic ->Markov-logic 2 ->Propositional-logic ->Weighted-max-sat ->Fuzzy-logic
Contradictory formulas Amal Clooney is successful. Usually, people who are successful are not beautiful. 3 Let’s consider a contradictory set of formulas.
Contradictory formulas Amal Clooney is successful. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful. 4 Let’s consider a contradictory set of formulas.
Contradictory formulas Amal Clooney is successful. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful. Amal Clooney is beautiful. 5 Let’s consider a contradictory set of formulas.
Contradictory formulas Amal Clooney is successful. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful. Amal Clooney is beautiful. 6 Let’s consider a contradictory set of formulas. Let’s consider the question which statements have to be true in order to satisfy the most formulas. - it is not a fuzzy inference system, because the formulas contain negation - it is a MAX SAT Problem Here not very interesting, because there is a simple choice to omit one of the three formulas...
Contradictory formulas with weights 7 Let’s consider a contradictory set of formulas with weights.  Let’s consider the question which statements have to be true in order to maximize the sum of the weights of the satisfied formulas: a Weighted MAX SAT Problem. Amal Clooney is successful [7]. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful [8]. Amal Clooney is beautiful [10].
8 Let’s consider a contradictory set of formulas with weights.  Let’s consider the question which statements have to be true in order to maximize the sum of the weights of the satisfied formulas: a Weighted MAX SAT Problem. Amal Clooney is successful [7]. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful [8]. Amal Clooney is beautiful [10]. Amal Clooney is successful Amal Clooney is beautiful World 1 0 0 World 2 0 1 World 3 1 0 World 4 1 1 Weighted MAX SAT
9 Let’s consider a contradictory set of formulas with weights.  Let’s consider the question which statements have to be true in order to maximize the sum of the weights of the satisfied formulas: a Weighted MAX SAT Problem. Amal Clooney is successful Amal Clooney is beautiful Sum of weights of sat. form. World 1 0 0 8 World 2 0 1 18 World 3 1 0 15 World 4 1 1 17 Amal Clooney is successful [7]. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful [8]. Amal Clooney is beautiful [10]. Is there are way to do it faster? Weighted MAX SAT
10 Let’s consider a contradictory set of formulas with weights.  Let’s consider the question which statements have to be true in order to maximize the sum of the weights of the satisfied formulas: a Weighted MAX SAT Problem. Amal Clooney is successful [7]. Amal Clooney is successful => Amal Clooney is not beautiful [8]. Amal Clooney is beautiful [10]. Weighted MAX SAT generalizes MAX SAT, which generalizes SAT, which is NP-complete. The Weighted MAX SAT Problem cannot be solved faster than trying out all possible values (in general). Weighted MAX SAT ->Weighted-max-sat
A relaxed Weighted MAX SAT problem 11 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . Let’s consider a set of clauses with weights. (For what follows, we consider the S-Implication, not the R-Implication.)
A relaxed Weighted MAX SAT problem 12 Let’s consider a set of clauses with weights. Degrees of truth: Amal is successful: 30% Amal is beautiful: 70%. With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . { Amal is successful }:  { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful }: { Amal is beautiful }: { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10]
A relaxed Weighted MAX SAT problem 13 Let’s consider a set of clauses with weights. Degrees of truth: With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . Amal is successful: 30% Amal is beautiful: 70%. { Amal is successful }: 30% { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful }: 100% { Amal is beautiful }: 70% { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] What is the sum of the weights of the  satisfied formulas?
A relaxed Weighted MAX SAT problem 14 Let’s consider a set of clauses with weights. Degrees of truth: Weighted sum: ×  7 =           2.1 ×  8 =       8 ×  10 =       7 17.1  With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . Amal is successful: 30% Amal is beautiful: 70%. { Amal is successful }: 30% { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful }: 100% { Amal is beautiful }: 70% { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10]
A relaxed Weighted MAX SAT problem 15 Let’s consider a set of clauses with weights. With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . The degree of truth of a clause   is ... { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] (Compute  , split cases by b+c>1 )
A relaxed Weighted MAX SAT problem 16 Let’s consider a set of clauses with weights. With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . The degree of truth of a clause   is ...                  = min(a + b, 1)  = min(a + min(b+c,1), 1)  = b+c>1 ? min(a+1,1) : min(a+b+c, 1)  = b+c>1? 1: min(a+b+c, 1)  = b+c>1? min(a+b+c, 1) : min(a+b+c, 1)  = min(a+b+c,1)  (Follows also from the associativity of T-conorms.) { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10]
A relaxed Weighted MAX SAT problem 17 Let’s consider a set of clauses with weights. With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . The degree of truth of a clause   is  . Given a set S  of statements with degrees of truth y:S→[0,1] , the degree of truth of a clause C  is   . Amal is successful: 30%;    Amal is beautiful: 70%;  Amal is rich: 80% { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful }: 
A relaxed Weighted MAX SAT problem 18 Let’s consider a set of clauses with weights. With the Łukasiewicz T-norm, the degree of truth of a clause {a, b}  is min(a+b,1) . The degree of truth of a clause   is  . Given a set S  of statements with degrees of truth y:S→[0,1] , the degree of truth of a clause C  is   . Amal is successful: 30%;    Amal is beautiful: 70%;  Amal is rich: 80% { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful }: 100%
Probabilistic Soft Logic in its simplest form 19 Given a set of statements S , a set C  of clauses over S , and weights w:C→ R , { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] Probabilistic Soft Logic Inference Problem, in its simplest form, is the task of finding truth values y:S→[0,1]  that maximize subject to constraints of the form y(s)≤v , where s  is a statement and v  is a real value. [Bach et al: “Hinge-loss markov random fields and probabilistic soft logic”, JMLR, 2017]
Probabilistic Soft Logic Inference 20 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] A Probabilistic Soft Logic Inference Problem is a convex problem: Amal is beautiful Amal is successful
Hit and Run 21 A Probabilistic Soft Logic Inference Problem can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] 1)   Start at some combination of variable values that fulfill the constraints x  y 
Hit and Run 22 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] 1)   Start at some combination of variable values that fulfill the constraints 2) Pick a variable x  y  A Probabilistic Soft Logic Inference Problem can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm
Hit and Run 23 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] 1)   Start at some combination of variable values that fulfill the constraints 2) Pick a variable 3) Change its value until you find the best x  y  A Probabilistic Soft Logic Inference Problem can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm
Hit and Run 24 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] 1)   Start at some combination of variable values that fulfill the constraints 2) Pick a variable 3) Change its value until you find the best x  y  A Probabilistic Soft Logic Inference Problem can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm
Hit and Run 25 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] 1)   Start at some combination of variable values that fulfill the constraints 2) Pick a variable 3) Change its value until you find the best 4) Repeat Steps 2-3 until convergence x  y  A Probabilistic Soft Logic Inference Problem can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm
Probabilistic Soft Logic 26 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] Probabilistic Soft Logic can also -   deal with other types of potential functions instead of the Łukasiewicz T-norm deal with more complex arithmetic constraints be used in a Prolog-like programming language that allows expressing constraints in a rather legible way - be used with an efficient solver that is specifically tailored to probabilistic soft logic In any case: Inference in Probabilistic Soft Logic is solvable in polynomial time!
Probabilistic Soft Logic: Summary 27 { Amal is successful } [7] { ¬  Amal is successful, ¬  Amal is beautiful } [8] { Amal is beautiful } [10] Inference is the task of finding the truth values that maximize the weighted sum of formula satisfactions. Inference can be solved in polynomial time by the “hit and run” algorithm In Probabilistic Soft Logic, formulas can have weights and statements can have fuzzy truth values.