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人工智能與專(zhuān)家系統(tǒng)第一頁(yè),共五十六頁(yè)。第2章知識(shí)表示方法2.1一階謂詞邏輯表示方法2.2產(chǎn)生式表示方法第二頁(yè),共五十六頁(yè)。知識(shí)表示是對(duì)知識(shí)的一種描述,或者說(shuō)是一組約定,是一種計(jì)算機(jī)可以接受的用于描述知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。知識(shí)外部表示模式:是與軟件開(kāi)發(fā)與運(yùn)行的軟件工具與平臺(tái)無(wú)關(guān)的知識(shí)表示的形式化描述。知識(shí)內(nèi)部表示模式:是與開(kāi)發(fā)軟件工具與平臺(tái)有關(guān)的知識(shí)表示的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。第三頁(yè),共五十六頁(yè)。2.1一階謂詞邏輯表示方法2.1.1一階謂詞邏輯2.1.2一階謂詞邏輯表示方法第四頁(yè),共五十六頁(yè)。2.1.1一階謂詞邏輯1命題
命題是具有真假意義的語(yǔ)句。命題代表人們進(jìn)行思維時(shí)的一種判斷,或者是肯定,或者是否定。它取的真值為真或假,記為T(mén)或F。第五頁(yè),共五十六頁(yè)。謂詞在謂詞邏輯中,命題是用謂詞來(lái)表示的。
謂詞:謂詞可分為謂詞名與個(gè)體兩部分,個(gè)體表示某個(gè)獨(dú)立存在的事物或者某個(gè)抽象謂詞的概念,謂詞名用于刻畫(huà)個(gè)體的性質(zhì)、狀態(tài)或個(gè)體間的關(guān)系。
一階謂詞的一般形式為:
P(x1,x2,…,xn)其中,P是謂詞名,x1,x2,…,xn是個(gè)體。第六頁(yè),共五十六頁(yè)。個(gè)體變?cè)娜≈捣秶Q(chēng)為個(gè)體域。在謂詞P(x1,x2,…,xn)中,若xi都是個(gè)體常量,變?cè)蚝瘮?shù),i=1,2,…,n,則稱(chēng)它為一階謂詞,若某個(gè)xi本身又是一個(gè)一階謂詞,則稱(chēng)P為二階謂詞。第七頁(yè),共五十六頁(yè)。一階謂詞中的個(gè)體可以是常量,也可以是變?cè)?,還可以是一個(gè)函數(shù)。個(gè)體常量,個(gè)體變?cè)?、函?shù)統(tǒng)稱(chēng)為“項(xiàng)”。如:Teacher(father(Wang))father(Wang)是一個(gè)函數(shù),它是謂詞Teacher的個(gè)體。Less(x,5)代表x<5謂詞與函數(shù)的區(qū)別:謂詞的真值是真或假而函數(shù)是一個(gè)個(gè)體到另一個(gè)個(gè)體的映射,無(wú)真值。
第八頁(yè),共五十六頁(yè)。規(guī)定:謂詞名或謂詞名的第一個(gè)字符用大寫(xiě)字符表示,項(xiàng)中的常量(或常量的第一個(gè)字符)用大寫(xiě)字符表示,項(xiàng)中的變?cè)秃瘮?shù)名(或函數(shù)名的第一個(gè)字符)以及函數(shù)的變?cè)加眯?xiě)字符表示。第九頁(yè),共五十六頁(yè)。謂詞公式
(1)連詞
①非連詞﹁
②或連詞∨:用∨連接兩個(gè)命題稱(chēng)為析取。
③與連詞∧:用∧連接兩個(gè)命題稱(chēng)為合取。
④蘊(yùn)合連詞→:它表示“如果P,則Q”,其中P稱(chēng)為前件,Q稱(chēng)為后件。
(2)量詞
①全稱(chēng)量詞(
x):表示對(duì)個(gè)體域
X
中的所有(或任一個(gè))個(gè)體x。
②存在量詞(
x):表示在個(gè)體域X中存在個(gè)體
x。第十頁(yè),共五十六頁(yè)。
例:若謂詞P(x)表示x是正數(shù),F(xiàn)(x,y)表示x與y是朋友,則:(x)P(x)表示個(gè)體域X中的所有個(gè)體x都是正數(shù)。(x)(y)F(x,y)表示對(duì)于個(gè)體域X中的任何個(gè)體x,在個(gè)體域Y中都存在個(gè)體y,x與y是朋友。(x)(y)F(x,y)表示在個(gè)體域X中存在個(gè)體x,他與個(gè)體域Y中的任何個(gè)體y都是朋友。(x)(y)F(x,y)表示在個(gè)體域X中存在個(gè)體x和在個(gè)體域Y中存在個(gè)體y,x與y是朋友。第十一頁(yè),共五十六頁(yè)。
(3)謂詞公式
由下述規(guī)則得到的謂詞公式稱(chēng)為合式公式:
①單個(gè)謂詞和單個(gè)謂詞的否定稱(chēng)為原子謂詞公式,原子謂詞公式是合式公式。
②若A是合式公式,則﹁A也是合式公式。
③若A、B都是合式公式,則A∨B、A∧B、A→B也都是合式公式。
④若A是合式公式,x是任一個(gè)體變?cè)?,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(jí)別依序?yàn)椋?/p>
﹁,∧,∨,→第十二頁(yè),共五十六頁(yè)。4謂詞公式的解釋在命題邏輯中,對(duì)命題公式中各個(gè)命題的一次真值指派稱(chēng)為命題公式的一個(gè)解釋。一個(gè)謂詞公式的解釋可能有很多個(gè)。對(duì)于每一個(gè)解釋?zhuān)^詞公式都可求出一個(gè)真值(T或F)。第十三頁(yè),共五十六頁(yè)。例2.1
設(shè)變?cè)獂和y的個(gè)體域是D={1,2},謂詞
P(x,y)表示x大于等于y,給出公式A=(x)(y)P(x,y)
在D上的解釋?zhuān)赋雒恳环N解釋下公式A的真值。
解:設(shè)對(duì)謂詞P(x
,y)在個(gè)體域D上的真值指派為:
P(1,1)=T,P(1,2)=F,P(2,1)=T,P(2,2)=T這就是公式A在D上的一個(gè)解釋。在此解釋下,因?yàn)閤
=1時(shí)有y=1使P(x,y)的真值為T(mén),x
=2時(shí)也有y=1使P(x,y)的真值為T(mén),即x
對(duì)于D中的所有取值,都存在y=1,使P(x,y)的真值為T(mén),所以在此解釋下公式A的真值為T(mén)。第十四頁(yè),共五十六頁(yè)。例2.2
設(shè)個(gè)體域D={1,2},給出公式R=(x)(P(x)→Q(f(x),B))
在D上的一個(gè)解釋?zhuān)赋龉絉在此解釋下的真值。
解:設(shè)對(duì)個(gè)體常量B指派D中的一個(gè)元素為B=1,對(duì)函數(shù)f(x)指派到D的映射為:
f(1)=2,f(2)=1設(shè)對(duì)謂詞指派的真值為:
P(1)=F,P(2)=T,Q(1,1)=T,Q(2,1)=F由于已對(duì)個(gè)體常量B指派B=1,所以Q(1,2)與Q(2,2)不可能出現(xiàn),故沒(méi)有給它們指派真值。第十五頁(yè),共五十六頁(yè)。
上述指派就是對(duì)公式R的一個(gè)解釋。在此解釋下,由于當(dāng)x=1時(shí),有
P(1)=F,Q(f
(1),1)=Q(2,1)=F所以P(1)→Q(f
(1),1)的真值為T(mén)。
當(dāng)x=2時(shí),有
P(2)=T,Q(f
(2),1)=Q(1,1)=T 所以P(2)→Q(f
(2),1)的真值也為T(mén)。
即對(duì)個(gè)體域D中的所有x都有
P(x)→Q(f
(x),B)的真值為T(mén)。所以公式R在此解釋下的真值為T(mén)。第十六頁(yè),共五十六頁(yè)。 可見(jiàn):謂詞公式的真值是針對(duì)某一個(gè)解釋而言的,它可能在某一個(gè)解釋下的真值為T(mén),在另一個(gè)解釋下的真值為F。第十七頁(yè),共五十六頁(yè)。5謂詞公式的永真性、可滿(mǎn)足性、不可滿(mǎn)足性
定義2.2:如果謂詞公式P對(duì)個(gè)體域D上的任何一個(gè)解釋都取得真值T,則稱(chēng)公式P在域D上是永真的。如果P在每個(gè)非空個(gè)體域上均永真,則稱(chēng)P是永真的。
可見(jiàn):為了判定某個(gè)公式永真,必須對(duì)每個(gè)個(gè)體域上的每一個(gè)解釋逐一判定公式的真值。第十八頁(yè),共五十六頁(yè)。
定義2.3
:對(duì)于謂詞公式P,如果至少存在一個(gè)解釋使得公式P在此解釋下的真值為T(mén),則稱(chēng)公式P是可滿(mǎn)足的。
定義2.4
:如果謂詞公式P對(duì)于個(gè)體域D上的任何一個(gè)解釋都取得真值F,則稱(chēng)公式P在域D上是永假的。如果P在每個(gè)非空個(gè)體域上均永假,則稱(chēng)P是永假的。
謂詞公式的永假性又稱(chēng)為不可滿(mǎn)足性。第十九頁(yè),共五十六頁(yè)。
6謂詞公式的等價(jià)性
定義2.5:
設(shè)P與Q是兩個(gè)謂詞公式,D是它們共同的個(gè)體域,若對(duì)D上的任何一個(gè)解釋?zhuān)琍與Q都有相同的真值,則稱(chēng)公式P和Q在D上是等價(jià)的。如果D是任意的個(gè)體域,則稱(chēng)P和Q是等價(jià)的。記為P
Q。第二十頁(yè),共五十六頁(yè)。
主要的等價(jià)式:
(1)交換律
P∨Q
Q∨P
P∧Q
Q∧P (2)結(jié)合律
(P∨Q)∨R
P∨(Q∨R)
(P∧Q)∧R
P∧(Q∧R)第二十一頁(yè),共五十六頁(yè)。 (3)分配律
P∨(Q∧R)
(P∨Q)∧(P∨R)
P∧(Q∨R)
(P∧Q)∨(P∧R) (4)狄·摩根律
﹁(P∨Q)
﹁P∧﹁Q
﹁(P∧Q)
﹁P∨﹁Q第二十二頁(yè),共五十六頁(yè)。 (5)雙重否定律 ﹁﹁PP (6)吸收律 P∨(P∧Q)P P∧(P∨Q)P (7)補(bǔ)余律 P∨﹁PT P∧﹁PF第二十三頁(yè),共五十六頁(yè)。 (8)連詞化歸律
P→Q
﹁P∨Q (9)量詞轉(zhuǎn)換律
﹁(
x)P
(
x)(﹁P)
﹁(
x)P
(
x)(﹁P)
(10)量詞分配律
(
x)(P∧Q)
(
x)P∧(
x)Q
(
x)(P∨Q)
(
x)P∨(
x)Q第二十四頁(yè),共五十六頁(yè)。謂詞公式的永真蘊(yùn)含
定義2.6
:對(duì)于謂詞公式P和Q,如果P→Q永真,則稱(chēng)P永真蘊(yùn)含Q,且稱(chēng)Q為P的邏輯結(jié)論,稱(chēng)P為Q的前提,記為P
Q。第二十五頁(yè),共五十六頁(yè)。
8推理規(guī)則、定理與證明
推理規(guī)則用來(lái)由已知的合式公式推導(dǎo)出新的合式公式。導(dǎo)出的合式公式稱(chēng)為定理,而所使用的推理規(guī)則的序列則構(gòu)成該定理的一個(gè)證明。第二十六頁(yè),共五十六頁(yè)。2.1.2一階謂詞邏輯表示方法1一階謂詞邏輯表示方法用謂詞公式表示知識(shí)時(shí),應(yīng)按以下步驟進(jìn)行:(1)定義謂詞,給出每個(gè)謂詞的確切含義;(2)用連詞把有關(guān)謂詞連接起來(lái)表示一個(gè)更復(fù)雜的含義;(3)對(duì)謂詞公式中的變?cè)?,根?jù)知識(shí)表示的需要,把需要約束的變?cè)孟鄳?yīng)的量詞予以約束。第二十七頁(yè),共五十六頁(yè)。
例2.3
用謂詞公式表示下列知識(shí):
王林是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生,但他不喜歡編程序。 人人愛(ài)勞動(dòng)。第二十八頁(yè),共五十六頁(yè)。
解:
(1)定義謂詞
COMPUTER(x) 表示x是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生 LIKE(x,y)
表示x喜歡y LOVE(x,y) 表示x愛(ài)y MAN(x) 表示x是人 (2)謂詞公式知識(shí)表示
COMPUTER(WangLin)∧﹁LIKE(WangLin,Programing) (
x)(MAN(x)→LOVE(
x,Labour))第二十九頁(yè),共五十六頁(yè)。
例2.4
用謂詞公式表示下列知識(shí):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)。第三十頁(yè),共五十六頁(yè)。
解:
(1)定義謂詞
N(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大于零第三十一頁(yè),共五十六頁(yè)。
(2)謂詞公式知識(shí)表示 (
x)(N(x)→GZ(x)∧I(x))
(
x)(I(x)→E(x)∨O(x))
(
x)(E(x)→I(f(x)))
其中,函數(shù)f(x)=x/2。第三十二頁(yè),共五十六頁(yè)。
例2.5已知F1:王(Wang)先生是小李(Li)的老師。F2:小李與小張(Zhang)是同班同學(xué)。F3:如果x與y是同班同學(xué),則x的老師也
是y
的老師。
求:小張的老師是誰(shuí)?第三十三頁(yè),共五十六頁(yè)。解:(1)定義謂詞
T(x,y)
x是y的老師。
C(x,y)
x與y是同班同學(xué)。第三十四頁(yè),共五十六頁(yè)。
(2)謂詞公式知識(shí)表示(已知前提及待求解問(wèn)題)F1:T(Wang,Li)F2:C(Li,Zhang)F3:(
x)(
y)(
z)(C(x,y)∧T(z,x)→T(z,y))G:(
x)T(x,Zhang)第三十五頁(yè),共五十六頁(yè)。
例2.6設(shè)A,B,C三人中有人從不說(shuō)真話,也有人從不說(shuō)假話,某人向這三人分別提出同一個(gè)問(wèn)題:誰(shuí)是說(shuō)謊者?A答:“B和C都是說(shuō)謊者”;B答:“A和C都是說(shuō)謊者”;C答:“A和B中至少有一個(gè)是說(shuō)謊者”。求誰(shuí)是老實(shí)人,誰(shuí)是說(shuō)謊者?第三十六頁(yè),共五十六頁(yè)。解:(1)定義謂詞
T(x)表示x說(shuō)真話。
(2)謂詞公式知識(shí)表示
如果A說(shuō)的是真話,則有
T(A)→﹁T(B)∧﹁T(C)
如果A說(shuō)的是假話,則有
﹁
T(A)→T(B)∨T(C)
對(duì)B和C說(shuō)的話作相同的處理,可得:
T(B)→﹁T(A)∧﹁T(C)
﹁
T(B)→T(A)∨T(C)
﹁T(C)→T(A)∧T(B)
T(C)→﹁T(A)∨﹁T(B)第三十七頁(yè),共五十六頁(yè)。
一階謂詞邏輯表示方法的優(yōu)點(diǎn)(1)自然性(2)精確性(3)嚴(yán)密性(4)容易實(shí)現(xiàn)第三十八頁(yè),共五十六頁(yè)。一階謂詞邏輯表示方法的局限性(1)不能表示不確定性的知識(shí)(2)組合爆炸(3)效率低第三十九頁(yè),共五十六頁(yè)。2.2產(chǎn)生式表示方法2.2.1
產(chǎn)生式與產(chǎn)生式系統(tǒng)2.2.2產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類(lèi)及其特點(diǎn)第四十頁(yè),共五十六頁(yè)。2.2.1
產(chǎn)生式與產(chǎn)生式系統(tǒng)1、產(chǎn)生式的基本形式產(chǎn)生式基本形式是:P→Q或者ifPthenQ蘊(yùn)含式與產(chǎn)生式的差別:①蘊(yùn)含式只能表示精確知識(shí);產(chǎn)生式可以表示精確知識(shí),也可以表示不精確知識(shí)。②蘊(yùn)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。第四十一頁(yè),共五十六頁(yè)。2
、產(chǎn)生式系統(tǒng)
產(chǎn)生式系統(tǒng):把一組產(chǎn)生式放在一起,并讓它們互相配合,協(xié)同作用,一個(gè)產(chǎn)生式生成的結(jié)論可以供另一個(gè)產(chǎn)生式作為已知事實(shí)使用,以求得問(wèn)題的解決。(1)規(guī)則庫(kù)用于描述相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的產(chǎn)生式集合稱(chēng)為規(guī)則庫(kù)。建立規(guī)則庫(kù)時(shí)應(yīng)該注意以下問(wèn)題:1)有效地表達(dá)領(lǐng)域知識(shí)2)對(duì)知識(shí)進(jìn)行合理的組織與管理第四十二頁(yè),共五十六頁(yè)。
例2.7
建立一個(gè)動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù),用以識(shí)別虎、豹、斑馬、長(zhǎng)頸鹿、企鵝、鴕鳥(niǎo)、信天翁等7種動(dòng)物。第四十三頁(yè),共五十六頁(yè)。解:為了識(shí)別這些動(dòng)物,可以根據(jù)動(dòng)物識(shí)別的特征,建立包含下述規(guī)則的規(guī)則庫(kù):R1:if動(dòng)物有毛發(fā)then動(dòng)物是哺乳動(dòng)物R2:if動(dòng)物有奶then動(dòng)物是哺乳動(dòng)物R3:if動(dòng)物有羽毛then動(dòng)物是鳥(niǎo)R4:if動(dòng)物會(huì)飛and會(huì)生蛋then動(dòng)物是鳥(niǎo)R5:if動(dòng)物吃肉then動(dòng)物是食肉動(dòng)物R6:if動(dòng)物有犀利牙齒and有爪and眼向前方then動(dòng)物是食肉動(dòng)物R7:if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and有蹄then動(dòng)物是有蹄類(lèi)動(dòng)物第四十四頁(yè),共五十六頁(yè)。R8:if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and反芻then動(dòng)物是有蹄類(lèi)動(dòng)物R9:if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and是食肉動(dòng)物and有黃褐色and有暗斑點(diǎn)then動(dòng)物是豹R10:if動(dòng)物是哺乳動(dòng)物and是食肉動(dòng)物and有黃褐色and有黑色條紋then動(dòng)物是虎R11:if動(dòng)物是有蹄類(lèi)動(dòng)物and有長(zhǎng)脖子and有長(zhǎng)腿and有暗斑點(diǎn)then動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿R12:if動(dòng)物是有蹄類(lèi)動(dòng)物and有黑色條紋then動(dòng)物是斑馬R13:if動(dòng)物是鳥(niǎo)and不會(huì)飛and有長(zhǎng)脖子and有長(zhǎng)腿and有黑白二色then動(dòng)物是鴕鳥(niǎo)R14:if動(dòng)物是鳥(niǎo)and不會(huì)飛and會(huì)游泳and有黑白二色then動(dòng)物是企鵝R15:if動(dòng)物是鳥(niǎo)and善飛then動(dòng)物是信天翁第四十五頁(yè),共五十六頁(yè)。(2)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)
綜合數(shù)據(jù)庫(kù)又稱(chēng)為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù),或稱(chēng)為事實(shí)庫(kù)、黑板。用于存放問(wèn)題求解過(guò)程中各種當(dāng)前信息,例如問(wèn)題的初始事實(shí)、原始證據(jù)、推理中得到的中間結(jié)論以及最終結(jié)論。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容隨著推理的進(jìn)行是在不斷動(dòng)態(tài)變化的。(3)控制機(jī)構(gòu)
控制機(jī)構(gòu)又稱(chēng)為推理機(jī)構(gòu)或推理機(jī),由一組程序組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的推理求解。第四十六頁(yè),共五十六頁(yè)。推理機(jī)主要功能為:1)按某種策略從規(guī)則庫(kù)中選擇規(guī)則與綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知事實(shí)進(jìn)行匹配。匹配成功的規(guī)則稱(chēng)為可用規(guī)則,不成功則相應(yīng)的規(guī)則不可用于當(dāng)前的推理。2)若匹配成功的可用規(guī)則有多條,此時(shí)推理機(jī)必須執(zhí)行某種沖突消解策略,從中選擇一條可用規(guī)則來(lái)執(zhí)行。3)在執(zhí)行某一條規(guī)則時(shí),若該規(guī)則的后件是一個(gè)或多個(gè)結(jié)論,則把這些結(jié)論添加到綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中;若規(guī)則的后件是一個(gè)或多個(gè)操作,則依次執(zhí)行這些操作。4)對(duì)于不確定知識(shí),在執(zhí)行每一條規(guī)則時(shí)還要按一定的算法來(lái)計(jì)算結(jié)論的不確定性。5)隨時(shí)檢查結(jié)束推理機(jī)運(yùn)行的條件,在滿(mǎn)足結(jié)束條件時(shí)停止推理機(jī)的運(yùn)行。第四十七頁(yè),共五十六頁(yè)。2.2.2產(chǎn)生式系統(tǒng)的分類(lèi)及其特點(diǎn)1可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)如果一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)對(duì)規(guī)則的使用次序是可交換的,無(wú)論先使用哪一條規(guī)則都可達(dá)到目的,即規(guī)則的使用次序?qū)?wèn)題的最終求解是無(wú)關(guān)緊要的,則稱(chēng)為可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)。第四十八頁(yè),共五十六頁(yè)。例:設(shè)DB的初始狀態(tài)是{A,B,C},并設(shè)RB中有下述規(guī)則:R1:if{A,B,C}then{A,B,C,A×B}R2:if{A,B,C}then{A,B,C,B×C}R3::if{A,B,C}then{A,B,C,A×C}推理終止條件是綜合數(shù)據(jù)庫(kù)DB中的內(nèi)容變?yōu)椋簕A,B,C,A×B,B×C,A×C}三條規(guī)則各被使用一次后就可達(dá)到目的,且與規(guī)則使用的次序無(wú)關(guān)。所以由上述RB和DB構(gòu)成的產(chǎn)生式系統(tǒng)是一個(gè)可交換的產(chǎn)生式系統(tǒng)。
第四十九頁(yè),共五十六頁(yè)。在可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)中,綜合數(shù)據(jù)庫(kù)DB中的內(nèi)容是遞增的,即對(duì)任意一個(gè)規(guī)則執(zhí)行序列R1,R2,…,Rk都有由此可見(jiàn),用可交換產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問(wèn)題時(shí),推理過(guò)程不必進(jìn)行回溯。回溯是指:當(dāng)執(zhí)行一條規(guī)則使DB的狀態(tài)由DBi變成了DBi+1時(shí),如果發(fā)現(xiàn)由DBi+1不可能得到問(wèn)題的解,則立刻撤銷(xiāo)由剛才執(zhí)行規(guī)則所產(chǎn)生
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