人工智能第二章 知識表示方法1

1、第二章第二章 知識表示方法知識表示方法2022-3-28內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介2.2 2.2 一階謂詞邏輯表示法一階謂詞邏輯表示法2.3 2.3 產(chǎn)生式表示法產(chǎn)生式表示法2.4 2.4 框架表示法框架表示法2.6 2.6 面向?qū)ο蟊硎痉嫦驅(qū)ο蟊硎痉?2342.1 2.1 概述概述12.5 2.5 語義網(wǎng)絡(luò)表示法語義網(wǎng)絡(luò)表示法52022-3-282.1.1 2.1.1 知識知識知識是智能的基礎(chǔ)知識是智能的基礎(chǔ) 智能活動的過程就是獲取并應(yīng)用知識 人工智能對問題的求解是以知識為基礎(chǔ)知識獲取能力知識處理能力知識應(yīng)用能力 如何將已有的知識以計算機內(nèi)部代碼的形式進行描述和存儲，以便利用知識就是知識表示知識表示

2、需要解決的問題 什么是知識？將數(shù)字、字符串等關(guān)于客觀事物的數(shù)量、屬性等描述稱“數(shù)據(jù)”；數(shù)據(jù)不等于數(shù)字，姓名、性別也是數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)是信息的載體和表示，信息是數(shù)據(jù)在特定場合下的含義，如 “6”個人；知識是數(shù)據(jù)和信息的結(jié)合；2022-3-28知識的定義知識的定義 Feigenbaum Bernstein知識是經(jīng)過削減、塑造、解釋和轉(zhuǎn)換的信息。簡單地說，知識是經(jīng)過加工的信息。知識是由特定領(lǐng)域的描述、關(guān)系和過程組成的。 Hayes-Roth知識是事實、信念和啟發(fā)式規(guī)則。從知識庫的觀點看，知識是某領(lǐng)域中所涉及的各有關(guān)方面的一種符號表示?？偨Y(jié)：知識是把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起形成的信息結(jié)構(gòu)例如：以如果則關(guān)聯(lián)起來的信

3、息2022-3-28知識要素知識要素 事實事實 規(guī)則規(guī)則有關(guān)問題環(huán)境的一些事物的知識，常以“是”的形式出現(xiàn)，表示靜態(tài)的知識。有關(guān)問題中與事物的行動、動作相聯(lián)系的因果關(guān)系知識，是動態(tài)的，常以“如果那么”形式出現(xiàn)。 控制控制有關(guān)問題的求解步驟、技巧性知識，告訴怎么做一件事。 元知識元知識有關(guān)知識的知識，是知識庫中的高層知識。包括怎樣使用規(guī)則，解釋規(guī)則、校驗規(guī)則、解釋程序結(jié)構(gòu)等知識。 2022-3-28知識的特性知識的特性 相對正確性相對正確性 不確定性不確定性任何知識都只是在一定條件下產(chǎn)生的，只在一定條件下才是正確的：“以胖為美”;1+1=2;知識不只有真和假兩種狀態(tài)，也可能具有很多不確定性的狀態(tài)

4、，因為信息可能是不精確的。知識的不確定性可能由隨機、模糊、不完全性引起的。 可表示性可表示性知識可以用適當形式表示出來，如使用語言、文字、圖形；2022-3-28知識分類知識分類事實性知識事實性知識過程性知識過程性知識行為性知識行為性知識根據(jù)表達內(nèi)容根據(jù)表達內(nèi)容實例性知識實例性知識類比性知識類比性知識元知識元知識真理、常識性知識真理、常識性知識處理問題的方法，具有一定規(guī)律性處理問題的方法，具有一定規(guī)律性常表示為某種數(shù)學(xué)模型常表示為某種數(shù)學(xué)模型只給出實例，規(guī)律隱藏在其中只給出實例，規(guī)律隱藏在其中只給相似性的描述，不能完整刻畫事物只給相似性的描述，不能完整刻畫事物關(guān)于知識的知識，用于尋找需要的知識

5、關(guān)于知識的知識，用于尋找需要的知識2022-3-282.1.2 2.1.2 知識表示知識表示 知識需要合適的表示方式知識需要合適的表示方式任何國家民族都需要自己的語言文字來交流、記錄知識；二進制使得數(shù)據(jù)可以在計算機中存儲；需要研究人類智能在計算機上的表示方式，才能實現(xiàn)人工智能；2022-3-282.1.2 2.1.2 知識表示知識表示分類分類-根據(jù)表示與運用的關(guān)系劃分根據(jù)表示與運用的關(guān)系劃分陳述性知識表示陳述性知識表示：將知識表示與知識的運用分開處理，在表示知識時，并不涉及如何運用知識的問題，是一種靜態(tài)的描述方法。如：語義網(wǎng)絡(luò) 優(yōu)點：靈活簡潔，只需存儲每個事實一次； 缺點：工作效率低下，推理過

6、程不透明；過程性知識表示過程性知識表示：將知識表示與知識的運用相結(jié)合，知識寓于程序中，是一種動態(tài)的描述方法。如：產(chǎn)生式系統(tǒng) 優(yōu)點：推理過程直接、清晰，易于推理知識； 缺點：表示不夠嚴謹，知識交叉重疊，靈活性差；知識表示的定義知識表示的定義可看成是一組事物的約定，以把人類知識表示成機器能處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對知識進行表示的過程就是把知識編碼成某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程。需要考慮知識的存儲與使用2022-3-28選取知識表示的因素選取知識表示的因素l表示知識的范圍是否廣泛l是否適于推理l是否適于計算機處理l是否有高效的求解算法l能否表示不精確知識 自然界許多知識都是不精確的，對確定性方法有時需要加入不確定性度

7、量l能否在同一層次上和不同層次上模塊化 只具有全局知識庫無疑不夠靈活l知識和元知識能否用統(tǒng)一的形式表示l是否適合于加入啟發(fā)信息l過程性表示還是說明性表示l表示方法是否自然 自然與效率常是矛盾的，如PROLOG與VC的區(qū)別；2022-3-282.2 2.2 一階謂詞邏輯表示法一階謂詞邏輯表示法一種重要的知識表示方法，它以數(shù)理邏輯一種重要的知識表示方法，它以數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)，是到目前為止能夠表達人類思維為基礎(chǔ)，是到目前為止能夠表達人類思維和推理的一種最精確的形式語言。它的表和推理的一種最精確的形式語言。它的表現(xiàn)方式和人類自然語言非常接近，它能夠現(xiàn)方式和人類自然語言非常接近，它能夠被計算機作精確推理。

8、被計算機作精確推理。一階謂詞邏一階謂詞邏輯表示法輯表示法2022-3-282.2.1 2.2.1 知識的謂詞邏輯表示法知識的謂詞邏輯表示法用謂詞公式既可表示事物的狀態(tài)、屬性和概念等事實性的知識，也可表示事物間具有因果關(guān)系的規(guī)則性知識。用謂詞公式用謂詞公式表示知識的表示知識的一般步驟一般步驟2.根據(jù)所要表達的根據(jù)所要表達的事物或概念，為事物或概念，為每個謂詞中的變每個謂詞中的變元賦以特定的值。元賦以特定的值。1.定義謂詞及個體，定義謂詞及個體，確定每個謂詞及確定每個謂詞及個體的確切含義。個體的確切含義。3.根據(jù)所要表達的根據(jù)所要表達的知識的語義，用知識的語義，用適當?shù)倪B接符將適當?shù)倪B接符將各個謂

9、詞連接起各個謂詞連接起來形成謂詞公式。來形成謂詞公式。2022-3-28謂詞公式謂詞公式u 連詞連詞非連詞或連詞：用連接兩個命題稱為析取析取。與連詞：用連接兩個命題稱為合取合取。蘊合連詞：它表示 “如果P，則Q”，其中P稱為前件，Q稱為后件。 量詞量詞全稱量詞（ x）：表示對個體域 X 中的所有（或任一個）個體 x 。存在量詞（ x ）：表示在個體域X中存在個體 x 。 2022-3-28 由下述規(guī)則得到的謂詞公式稱為合式公式合式公式：單個謂詞和單個謂詞的否定稱為原子謂詞公式，原子謂詞公式是合式公式。若A是合式公式，則A也是合式公式。若A、B都是合式公式，則AB、AB、AB也都是合式公式。若A

10、是合式公式，x 是任一個體變元，則( x)A和( x)A也都是合式公式。 在合式公式中，連詞的優(yōu)先級別依序為： ，2022-3-28謂詞公式的解釋在命題邏輯中，對命題公式中各個命題的一次真值指派稱為命題公式的一個解釋解釋。一個謂詞公式的解釋可能有很多個。對于每一個解釋，謂詞公式都可求出一個真值（T或F）。2022-3-282.2.2 2.2.2 謂詞邏輯表示知識舉例謂詞邏輯表示知識舉例用謂詞邏輯表示下列知識：武漢是一個美麗的城市，但她不是一個沿海城市。如果馬亮是男孩，張紅是女孩，則馬亮比張紅長得高。例例2.2.12.2.1第一步第一步第二步第二步第三步第三步定義謂詞如下：BCity(x)：x是

11、一個美麗的城市 HCity(x)：x是一個沿海城市Boy(x): x是男孩 Girl(x): x是女孩 High(x,y): x比y長得高根據(jù)語義，用邏輯連接符連接BCity(wuhan)HCity(wuhan)(Boy(mal)Girl(zhangh)High(mal,zhangh)將個體代入謂詞中，得到 BCity(wuhan), HCity(wuhan), Boy(mal), Girl(zhangh), High(mal,zhangh)2022-3-28例：用謂詞公式表示下列知識 自然數(shù)是大于零的整數(shù)。 所有整數(shù)不是偶數(shù)就是奇數(shù)。 偶數(shù)除以2是整數(shù)。2022-3-28（1） 定義謂詞 N

12、(x )表示 x 是自然數(shù) I(x )表示 x 是整數(shù) E(x )表示 x 是偶數(shù) O(x )表示 x 是奇數(shù) GZ(x )表示 x 大于零 S(x )表示 x 除以2（2）謂詞公式知識表示 ( x ) (N(x )GZ (x )I (x ) 自然數(shù)是大于零的整數(shù) ( x ) (I (x )E (x )O (x ) 所有整數(shù)不是偶數(shù)就是奇數(shù) ( x ) (E (x )I (S(x ) 偶數(shù)除以2是整數(shù)2022-3-282.2.32.2.3一階謂詞邏輯表示法特點一階謂詞邏輯表示法特點優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點嚴密性嚴密性易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)知識易表達知識易表達通用性通用性自然性自然性效率低效率低靈活性差靈活性

13、差組合爆炸組合爆炸返回返回只能表達確定的知識只能表達確定的知識2022-3-282.3 2.3 產(chǎn)生式表示法產(chǎn)生式表示法 1943年年E. Post第一次提出稱為第一次提出稱為“Post機機”的計的計算模型（算模型（計算理論計算理論）一種描述形式語言的語法又稱為產(chǎn)生式規(guī)則一種描述形式語言的語法又稱為產(chǎn)生式規(guī)則表示法，它和圖靈機有相同的計算能力。目表示法，它和圖靈機有相同的計算能力。目前產(chǎn)生式表示法已成為人工智能中應(yīng)用最多前產(chǎn)生式表示法已成為人工智能中應(yīng)用最多的一種知識表示方法。的一種知識表示方法。產(chǎn)生式知識產(chǎn)生式知識表示方法表示方法19721972年紐厄爾和西蒙在研究人類知識模型開發(fā)年紐厄爾和

14、西蒙在研究人類知識模型開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022-3-282.3.1 2.3.1 產(chǎn)生式的基本形式產(chǎn)生式的基本形式產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其基本形式是產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識，其基本形式是PQ 或或 IF P THEN Q其中，其中，P是產(chǎn)生式的前提或條件，用于指出該產(chǎn)生式是否是是產(chǎn)生式的前提或條件，用于指出該產(chǎn)生式是否是可用的條件；可用的條件；Q是一組結(jié)論或動作，用于指出該產(chǎn)生式的是一組結(jié)論或動作，用于指出該產(chǎn)生式的前提條件前提條件P P被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。P和和Q都可

15、以是一個或一組數(shù)學(xué)表達式或自然語言。都可以是一個或一組數(shù)學(xué)表達式或自然語言。謂詞邏輯中的蘊含式與產(chǎn)生式的差別：謂詞邏輯中的蘊含式與產(chǎn)生式的差別：蘊含式只能表示精確知識；產(chǎn)生式可以表示精確知識，也可以表蘊含式只能表示精確知識；產(chǎn)生式可以表示精確知識，也可以表示不精確知識。示不精確知識。蘊含式要求匹配是精確的；產(chǎn)生式匹配可以是精確的，也可以是蘊含式要求匹配是精確的；產(chǎn)生式匹配可以是精確的，也可以是不精確的；可以按某種確信度進行匹配。不精確的；可以按某種確信度進行匹配?？梢园烟N含式看出產(chǎn)生式的一個特例可以把蘊含式看出產(chǎn)生式的一個特例2022-3-282.3.2 2.3.2 產(chǎn)生式表示知識方法產(chǎn)生式表

16、示知識方法確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示確定性和不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示確定性規(guī)則知識確定性規(guī)則知識 可用前面介紹的產(chǎn)生式的基本形式表示即可。不確定性規(guī)則知識不確定性規(guī)則知識 用如下形式表示 PQ （可信度） 或者 IF P THEN Q （可信度） 其中，P是產(chǎn)生式的前提或條件，用于指出該產(chǎn)生式是否是可用的條件；Q是一組結(jié)論或動作，用于指出該產(chǎn)生式的前提條件P被滿足時，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。2022-3-282.3.2 2.3.2 產(chǎn)生式表示知識方法產(chǎn)生式表示知識方法確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示確定性和不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示 確定性事實性知識確定性事實性

17、知識 一般使用三元組的形式表示如下（對象，屬性，值）或 （關(guān)系，對象1，對象2）例如：（Lee，Age，35）；(Friend,Lee,Zhang)不確定性不確定性事實性知識事實性知識 一般用四元組的形式表示如下（對象，屬性，值，不確定度量值）或（關(guān)系，對象1，對象2，不確定度量值）例如：（Lee，Age，35,0.9）；(Friend,Lee,Zhang,0.2)2022-3-282.3.32.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成產(chǎn)生式系統(tǒng)通常由規(guī)則庫、數(shù)據(jù)庫和推理機這產(chǎn)生式系統(tǒng)通常由規(guī)則庫、數(shù)據(jù)庫和推理機這3 3個個基本部分組成。基本部分組成。產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一組

18、產(chǎn)生式在一起互相配合，協(xié)同作用，一個產(chǎn)一組產(chǎn)生式在一起互相配合，協(xié)同作用，一個產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以作為另一個產(chǎn)生式的前提，生式生成的結(jié)論可以作為另一個產(chǎn)生式的前提，以獲得問題的解決，這樣的系統(tǒng)為產(chǎn)生式系統(tǒng)。以獲得問題的解決，這樣的系統(tǒng)為產(chǎn)生式系統(tǒng)。2022-3-282.3.32.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成產(chǎn)生式系統(tǒng)的組成用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的用于描述某領(lǐng)域內(nèi)知識的產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知產(chǎn)生式集合，是某領(lǐng)域知識（規(guī)則）的存儲器。識（規(guī)則）的存儲器。用來存放輸入事實用來存放輸入事實、外部數(shù)據(jù)庫輸入、外部數(shù)據(jù)庫輸入的事實以及中間結(jié)的事實以及中間結(jié)果和最后結(jié)果。果和最后結(jié)果。由一組程序組成，由一組程序組成

19、，用來控制協(xié)調(diào)規(guī)則用來控制協(xié)調(diào)規(guī)則庫與數(shù)據(jù)庫的運行庫與數(shù)據(jù)庫的運行，包含了推理方式，包含了推理方式和控制策略。和控制策略。規(guī)則庫規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫推理機推理機當某個事實符合當某個事實符合規(guī)則庫中規(guī)則的規(guī)則庫中規(guī)則的前提，該規(guī)則被前提，該規(guī)則被激活，相應(yīng)的結(jié)激活，相應(yīng)的結(jié)論放在數(shù)據(jù)庫中論放在數(shù)據(jù)庫中2022-3-28 規(guī)則庫：產(chǎn)生式的集合是產(chǎn)生式系統(tǒng)的基礎(chǔ)包含的知識要完整、一直，表達靈活準確；構(gòu)建規(guī)則庫時，應(yīng)對知識進行合理組織管理； 數(shù)據(jù)庫：包含已知事實包含的知識是動態(tài)變化的；已知事實常用字符串、向量、矩陣等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示；2022-3-28推理機的工作： （1）按一定的策略從規(guī)則庫中選擇規(guī)則選擇

20、規(guī)則，并與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實進行匹配進行匹配。 （2）當發(fā)生沖突沖突（即匹配成功的規(guī)則不止一條）時，調(diào)用相應(yīng)的沖突解決策略予以消解。 （3）在執(zhí)行某條規(guī)則時，若該規(guī)則的右部是一個或多個結(jié)論，則把這些結(jié)論加到綜合數(shù)據(jù)庫中把這些結(jié)論加到綜合數(shù)據(jù)庫中；若規(guī)則的右部是一個或多個操作，則執(zhí)行這些操作執(zhí)行這些操作。 （4）對于不確定性知識不確定性知識，在執(zhí)行每一條規(guī)則時，還要按一定的算法計算結(jié)論的可信度。 （5）隨時掌握結(jié)束產(chǎn)生式系統(tǒng)運行的時機，以便在在適當?shù)臅r候停止系統(tǒng)的運行適當?shù)臅r候停止系統(tǒng)的運行。2022-3-28動物識別系統(tǒng)動物識別系統(tǒng) 該系統(tǒng)可以識別老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、企鵝、信天翁這

21、該系統(tǒng)可以識別老虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、企鵝、信天翁這6種動物。種動物。其規(guī)則庫包含如下其規(guī)則庫包含如下15條規(guī)則：條規(guī)則：r1 IF 該動物有毛發(fā)該動物有毛發(fā) THEN 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物 r2 IF 該動物有奶該動物有奶 THEN 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物r3 IF 該動物有羽毛該動物有羽毛 THEN 該動物是鳥該動物是鳥r4 IF 該動物會飛該動物會飛 AND 會下蛋會下蛋 THEN 該動物是鳥該動物是鳥r5 IF 該動物吃肉該動物吃肉 THEN 該動物是食肉動物該動物是食肉動物r6 IF 該動物有犬齒該動物有犬齒 AND 有爪有爪 AND 眼盯前方眼盯前方 TH

22、EN 該動物是食肉動物該動物是食肉動物r7 IF 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物 AND 有蹄有蹄 THEN 該動物是有蹄類動物該動物是有蹄類動物r8 IF 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物 AND 是嚼反芻動物是嚼反芻動物 THEN 該動物是有蹄類動物該動物是有蹄類動物r9 IF 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物 AND 是食肉動物是食肉動物 AND 是黃褐色是黃褐色 AND 身上有暗斑點身上有暗斑點 THEN 該動物是金錢豹該動物是金錢豹2022-3-28r10 IF 該動物是哺乳動物該動物是哺乳動物 AND 是食肉動物是食肉動物 AND 是黃褐色是黃褐色 AND 身上有黑色條紋身上有黑

23、色條紋 THEN 該動物是虎該動物是虎r11 IF 該動物是有蹄類動物該動物是有蹄類動物 AND 有長脖子有長脖子 AND 有長腿有長腿 AND 身上有暗斑點身上有暗斑點 THEN 該動物是長頸鹿該動物是長頸鹿r12 IF 動物是有蹄類動物動物是有蹄類動物 AND 身上有黑色條紋身上有黑色條紋 THEN 該動物是斑馬該動物是斑馬r13 IF 該動物是鳥該動物是鳥 AND 有長脖子有長脖子 AND 有長腿有長腿 AND 不會飛不會飛 AND 有黑白二色有黑白二色 THEN 該動物是鴕鳥該動物是鴕鳥r14 IF 該動物是鳥該動物是鳥 AND 會游泳會游泳 AND 不會飛不會飛 AND 有黑白二色有

24、黑白二色 THEN 該動物是企鵝該動物是企鵝r15 IF 該動物是鳥該動物是鳥 AND 善飛善飛 THEN 該動物是信天翁該動物是信天翁 其中，其中，ri(i=1,2,.,15)是規(guī)則的編號是規(guī)則的編號 初始綜合數(shù)據(jù)庫包含的事實有：初始綜合數(shù)據(jù)庫包含的事實有： 動物有暗斑點，有長脖子，有長腿，有奶，有蹄動物有暗斑點，有長脖子，有長腿，有奶，有蹄 2022-3-28圖中最上層的結(jié)點稱為圖中最上層的結(jié)點稱為“假設(shè)假設(shè)”或或“結(jié)論結(jié)論”中間結(jié)點稱為中間結(jié)點稱為“中間假設(shè)中間假設(shè)”；終結(jié)點稱為終結(jié)點稱為“證據(jù)證據(jù)”或或“事實事實”；每個每個“結(jié)論結(jié)論”都是本問題的一個目標，所有都是本問題的一個目標，所

25、有“假設(shè)假設(shè)”構(gòu)成了本問題的目標構(gòu)成了本問題的目標集合集合長頸鹿長頸鹿斑馬斑馬長脖子長脖子長腿長腿暗斑點暗斑點有蹄類有蹄類黑條紋黑條紋有蹄有蹄哺乳動物哺乳動物嚼反芻動物嚼反芻動物有毛有毛r2r7r8r11r12有奶有奶r1該例子的部分推理網(wǎng)絡(luò)如下：該例子的部分推理網(wǎng)絡(luò)如下：2022-3-28系統(tǒng)的推理過程系統(tǒng)的推理過程 (1) 先從規(guī)則庫中取出第一條規(guī)則先從規(guī)則庫中取出第一條規(guī)則r1，檢查其前提是否可與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實檢查其前提是否可與綜合數(shù)據(jù)庫中的已知事實相匹配。相匹配。 r1的前提是的前提是“有毛發(fā)有毛發(fā)”，但事實庫中無此事實，故匹配失敗。然后取，但事實庫中無此事實，故匹配失敗。然后取r2，該前提可與已知事實該前提可與已知事實“有奶有奶”相匹配，相匹配，r2被執(zhí)行