《人工智能及其應(yīng)用》課件第2章 知識(shí)表示方法

第2章知識(shí)表示方法雖然還沒人提及，但我認(rèn)為人工智能更像是一門人文學(xué)科。其本質(zhì)，在于嘗試?yán)斫馊祟惖闹悄芘c認(rèn)知?！退沟侔病ぬ貍?SebastianThrun),20132.1知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.1知識(shí)的概念知識(shí)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，具代表性的解釋有以下3種。（1）知識(shí)是經(jīng)過消減、塑造、解釋、選擇和轉(zhuǎn)換的信息。（2）知識(shí)是由特定領(lǐng)域的描述、關(guān)系和過程組成的。（3）知識(shí)=事實(shí)+信念+啟發(fā)式。實(shí)現(xiàn)信息之間關(guān)聯(lián)的形式可以有很多種，其中最常用的一種形式是“如果…，則…”。在人工智能中，這種知識(shí)稱為“規(guī)則”，它反映了信息間的某種因果關(guān)系。2.1知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.2知識(shí)的類型知識(shí)的類型可以從不同的角度來劃分，下面給出常見的幾種劃分方法。（1）按知識(shí)的適用范圍知識(shí)可分為常識(shí)性知識(shí)和領(lǐng)域性知識(shí)。

常識(shí)性知識(shí)是指通用通識(shí)的知識(shí)，即人們普遍知道的、適用于所有領(lǐng)域的知識(shí)。

領(lǐng)域性知識(shí)是指面向某個(gè)具體領(lǐng)域的專業(yè)性知識(shí)，這些知識(shí)只有該領(lǐng)域的專業(yè)人員才能夠掌握和運(yùn)用它，如領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)等。2.1知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.2知識(shí)的類型知識(shí)的類型可以從不同的角度來劃分，下面給出常見的幾種劃分方法。（2）按知識(shí)的作用效果知識(shí)可分為陳述性知識(shí)、過程性知識(shí)和控制性知識(shí)。

陳述性知識(shí)是關(guān)于世界的事實(shí)性知識(shí)，主要回答“是什么”、“為什么”等問題。

過程性知識(shí)是描述在問題求解過程所需要的操作、算法或行為等規(guī)律性的知識(shí)，主要回答“怎么做”的問題。

控制性知識(shí)是關(guān)于如何使用前兩種知識(shí)去學(xué)習(xí)和解決問題的知識(shí)。2.1知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.2知識(shí)的類型知識(shí)的類型可以從不同的角度來劃分，下面給出常見的幾種劃分方法。（3）按知識(shí)的確定性知識(shí)可分為確定性知識(shí)和不確定性知識(shí)。

確定性知識(shí)是可以給出其真值為“真”或“假”的知識(shí)，是可以精確表示的知識(shí)。

不確定性知識(shí)是指具有“不確定”特性的知識(shí)，這種不確定特性包括不完備性、不精確性和模糊性等。

不完備性是指在解決問題時(shí)，不具備解決該問題所需要的全部知識(shí)；不精確性是指知識(shí)具有的既不能完全被確定為真又不能完全被確定為假的特性；模糊性是指知識(shí)的“邊界”不明確的特性。2.1知識(shí)與知識(shí)表示的概念2.1.3知識(shí)表示的概念和方法知識(shí)表示就是對(duì)知識(shí)的描述，即用一些約定的符號(hào)把知識(shí)編碼成一組可以被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，并便于系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

知識(shí)表示不僅是為了把知識(shí)用某種機(jī)器可以直接識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示出來，更重要的是要能夠方便系統(tǒng)正確地運(yùn)用和管理知識(shí)。2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.1命題邏輯定義2.1命題（Proposition）是一個(gè)非真即假的陳述句。判斷一個(gè)句子是否為命題，首先應(yīng)該判斷它是否為陳述句，再判斷它是否有唯一的真值。沒有真假意義的語句（如感嘆句、疑問句等）不是命題。在命題邏輯中，命題通常用大寫的英文字母表示，例如，可用英文字母P表示“西安是個(gè)古老的城市”這個(gè)命題。2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法2.2.3謂詞公式一階謂詞邏輯有5個(gè)連接詞和2個(gè)量詞，由于命題邏輯可以看成謂詞邏輯的一種特殊形式，因此謂詞邏輯中的5個(gè)連接詞也適用于命題邏輯，但是2個(gè)量詞僅適用于謂詞邏輯。1.連接詞（連詞），用來連接簡單命題，并由簡單命題構(gòu)成復(fù)合命題的邏輯運(yùn)算符號(hào)。2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法謂詞公式的解釋

在命題邏輯中，對(duì)命題公式中各個(gè)命題變?cè)囊淮握嬷抵概煞Q為命題公式的一個(gè)解釋。一旦命題確定后，根據(jù)各連接詞的定義就可以求出命題公式的真值（T或F）。

在謂詞邏輯中，由于公式中可能有個(gè)體變?cè)约昂瘮?shù)，因此不能像命題公式那樣直接通過真值指派給出解釋，必須首先考慮個(gè)體變?cè)秃瘮?shù)在個(gè)體域中的取值，然后才能針對(duì)變?cè)c函數(shù)的具體取值為謂詞分別指派真值。由于存在多種組合情況，所以一個(gè)謂詞公式的解釋可能有很多個(gè)。對(duì)于每一個(gè)解釋，謂詞公式都可求出一個(gè)真值（T或F）。2.2一階謂詞邏輯表示法謂詞公式的永真性、可滿足性、不可滿足性定義2.5：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P在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P永真。定義2.6：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F，則稱P在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P永假。定義2.7：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，則稱公式P是可滿足的，否則，則稱公式P是不可滿足的。2.2一階謂詞邏輯表示法

謂詞公式的等價(jià)性2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.2一階謂詞邏輯表示法

2.3產(chǎn)生式表示法2.3.1產(chǎn)生式表示的基本方法（1）事實(shí)的表示

事實(shí)可看成斷言一個(gè)語言變量的值或斷言多個(gè)語言變量之間關(guān)系的陳述句。

語言變量的值或語言變量之間的關(guān)系可以是數(shù)字，也可以是一個(gè)詞等。例如，陳述句“雪是白的”，其中“雪”是語言變量，“白的”是語言變量的值。

對(duì)確定性知識(shí)，一個(gè)事實(shí)可用一個(gè)三元組

（對(duì)象，屬性，值）

或

（關(guān)系，對(duì)象1，對(duì)象2）來表示。

對(duì)象就是語言變量，這種表示方式，在機(jī)器內(nèi)部可用一個(gè)表來實(shí)現(xiàn)。2.3產(chǎn)生式表示法

2.3產(chǎn)生式表示法

2.3產(chǎn)生式表示法

2.3產(chǎn)生式表示法

2.3產(chǎn)生式表示法

2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.1語義網(wǎng)絡(luò)的概念

語義網(wǎng)絡(luò)是一種用實(shí)體及其語義關(guān)系來表達(dá)知識(shí)的有向圖。其中，節(jié)點(diǎn)代表實(shí)體，表示各種事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件、動(dòng)作等；弧代表語義關(guān)系，表示它所連接的兩個(gè)實(shí)體之間的語義聯(lián)系。在語義網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和弧都必須帶有標(biāo)志，這些標(biāo)志用來說明它所代表的實(shí)體或語義。

在語義網(wǎng)絡(luò)表示中，最基本的語義單元稱為語義基元，語義基元對(duì)應(yīng)的那部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為基本網(wǎng)元。一個(gè)語義基元可用三元組（節(jié)點(diǎn)1，弧，節(jié)點(diǎn)2）來描述，其結(jié)構(gòu)可用一個(gè)基本網(wǎng)元來表示。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

從功能上講，語義網(wǎng)絡(luò)可以描述任何事物間的任意復(fù)雜關(guān)系。但是，這種描述是通過把許多基本的語義關(guān)系關(guān)聯(lián)到一起來實(shí)現(xiàn)的。基本語義關(guān)系是構(gòu)成復(fù)雜語義關(guān)系的基石，也是語義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示的基礎(chǔ)。

①實(shí)例關(guān)系，實(shí)例關(guān)系體現(xiàn)的是“具體與抽象”的概念，用來描述“一個(gè)事物是另外一個(gè)事物的具體例子”。其語義標(biāo)志為ISA，即Is-a的簡寫形式，含義為“是一個(gè)”。

例如，實(shí)例關(guān)系“李剛是一個(gè)人”。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

②分類關(guān)系，分類關(guān)系也稱為泛化關(guān)系，它體現(xiàn)的是“子類與超類”的概念，用來描述“一個(gè)事物是另外一個(gè)事物的一個(gè)成員”。其語義標(biāo)志為AKO，即A-Kind-of的縮寫，其含義為“是一種”。

例如，分類關(guān)系“鳥是一種動(dòng)物”。

③成員關(guān)系，成員關(guān)系體現(xiàn)的是“個(gè)體與集體”的概念，用來描述“一個(gè)事物是另外一個(gè)事物中的一個(gè)成員”。其語義標(biāo)志為A-Member-of，含義為“是一員”。

例如，成員關(guān)系“張強(qiáng)是共青團(tuán)員”。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

④屬性關(guān)系，屬性關(guān)系是指事物與其行為、能力、狀態(tài)、特征等屬性之間的關(guān)系。由于不同事物的屬性不同，因此屬性關(guān)系可以有很多種。

例如：Have，含義是“有”、表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所描述的屬性。

Can，含義是“能”、“會(huì)”，表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)能做另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所描述的事情。Age，含義是“年齡”，表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)是另一個(gè)節(jié)點(diǎn)在年齡方面的屬性。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

⑤包含關(guān)系，包含關(guān)系也稱為聚類關(guān)系，是指具有組織或結(jié)構(gòu)特征的“部分與整體”之間的關(guān)系，與類屬關(guān)系的最主要區(qū)別是包含關(guān)系一般不具備屬性的繼承性。

常用的包含關(guān)系有：Part-of，含義為“是一部分”，表示一個(gè)事物是另一個(gè)事物的一部分。

⑥時(shí)間關(guān)系，時(shí)間關(guān)系是指不同事件在其發(fā)生時(shí)間方面的先后次序關(guān)系。

常用的時(shí)間關(guān)系有：Before，含義為“在前”，表示一個(gè)事件在另一個(gè)事件之前發(fā)生；After，含義為“在后”、表示一個(gè)事件在另一個(gè)事件之后發(fā)生。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

⑦位置關(guān)系，位置關(guān)系是指不同事物在位置方面的關(guān)系。常用的位置關(guān)系有：Located-on，含義為“在上”，表示某一物體在另一物體之上。Located-at，含義為“在”，表示某一物體所在的位置。Located-under，含義為“在下”，表示某一物體在另一物體之下。Located-inside，含義為“在內(nèi)”，表示某一物體在另一物體之內(nèi)。Located-outside，含義為“在外”，表示某一物體在另一物體之外。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法基本的語義關(guān)系

⑧相近關(guān)系，相近關(guān)系是指不同事物在形狀、內(nèi)容等方面相似或接近。

常用的相近關(guān)系有：Similar-to，含義為“相似”，表示某一事物與另一事物相似。Near-to，含義為“接近”，表示某一事物與另一事物接近。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法

2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.3情況和動(dòng)作的表示

為了描述那些復(fù)雜的情況和動(dòng)作，西蒙在他提出的表示方法中增加了情況節(jié)點(diǎn)和動(dòng)作節(jié)點(diǎn)，允許用一個(gè)節(jié)點(diǎn)來表示情況或動(dòng)作。（1）情況的表示

用語義網(wǎng)絡(luò)表示情況時(shí)，需要設(shè)立一個(gè)情況節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)有一組向外引出的弧，用于指出各種不同的情況。（2）事件和動(dòng)作的表示

用語義網(wǎng)絡(luò)表示事件或動(dòng)作時(shí)，也需要設(shè)立一個(gè)事件節(jié)點(diǎn)。事件節(jié)點(diǎn)也有一些向外引出的弧，用于指出動(dòng)作的主體和客體。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.4語義網(wǎng)絡(luò)的基本推理過程

采用語義網(wǎng)絡(luò)表示知識(shí)的問題求解系統(tǒng)主要由兩大部分組成，

一部分是由語義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的知識(shí)庫；另一部分是用于問題求解的推理機(jī)構(gòu)。

語義網(wǎng)絡(luò)的推理過程主要有兩種：繼承和匹配。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.4語義網(wǎng)絡(luò)的基本推理過程（1）繼承

繼承是指把對(duì)事物的描述從抽象節(jié)點(diǎn)傳遞到具體節(jié)點(diǎn)。通過繼承可以得到所需節(jié)點(diǎn)的一些屬性值，它通常是沿著ISA、AKO等繼承弧進(jìn)行的。繼承的一般過程為：

①建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)表，用來存放待求解節(jié)點(diǎn)和所有以ISA、AKO等繼承弧與此節(jié)點(diǎn)相連的那些節(jié)點(diǎn)。在初始情況下，表中只有待求解節(jié)點(diǎn)。

②檢查表中的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否有繼承弧。如果有，就把該弧所指的所有節(jié)點(diǎn)放入節(jié)點(diǎn)表的末尾，記錄這些節(jié)點(diǎn)的所有屬性，并從節(jié)點(diǎn)表中刪除第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果沒有，僅從節(jié)點(diǎn)表中刪除第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

③重復(fù)②，直到節(jié)點(diǎn)表為空。此時(shí)記錄下來的所有屬性都是待求解節(jié)點(diǎn)繼承來的屬性。2.4語義網(wǎng)絡(luò)表示法2.4.4語義網(wǎng)絡(luò)的基本推理過程（2）匹配

匹配是指在知識(shí)庫的語義網(wǎng)絡(luò)中尋找與待求解問題相符的語義網(wǎng)絡(luò)模式。其主要過程為：

①根據(jù)待求解問題的要求構(gòu)造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)片段，該網(wǎng)絡(luò)片段中有些節(jié)點(diǎn)或弧的標(biāo)志是空的，稱為詢問處，它反映的是待求解的問題。

②根據(jù)該語義片段到知識(shí)庫中去尋找需要的信息

③當(dāng)待求解問題的網(wǎng)絡(luò)片段與知識(shí)庫中的某個(gè)語義網(wǎng)絡(luò)片段相匹配時(shí)，則與詢問處所對(duì)應(yīng)的事實(shí)就是該問題的解。2.5知識(shí)圖譜表示法2.5.1知識(shí)圖譜的定義

知識(shí)圖譜，又稱科學(xué)知識(shí)圖譜，用各種不同的圖形等可視化技術(shù)描述知識(shí)資源及其載體，挖掘、分析、構(gòu)建繪制和顯示知識(shí)及它們之間的相互聯(lián)系。

知識(shí)圖譜以結(jié)構(gòu)化的形式描述客觀世界中概念、實(shí)體間的復(fù)雜關(guān)系，將互聯(lián)網(wǎng)的信息表達(dá)成更接近人類認(rèn)知世界的形式，提供了一種更好地組織、管理和理解互聯(lián)網(wǎng)海量信息的能力。它把復(fù)雜的知識(shí)領(lǐng)域通過數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識(shí)計(jì)量和圖形繪制而顯示出來，揭示知識(shí)領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律。2.5知識(shí)圖譜表示法

2.5知識(shí)圖譜表示法2.5.2知識(shí)圖譜的表示

三元組是知識(shí)圖譜的一種通用表示方式。三元組的基本形式主要分為兩種形式：（1）（實(shí)體1-關(guān)系-實(shí)體2）（2）（實(shí)體-屬性-屬性值）2.5知識(shí)圖譜表示法2.5.3知識(shí)圖譜的架構(gòu)1.知識(shí)圖譜的邏輯結(jié)構(gòu)

知識(shí)圖譜在邏輯上可分為模式層與數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層主要是由一系列的事實(shí)組成的，而知識(shí)以事實(shí)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)。如果用（實(shí)體1—關(guān)系—實(shí)體2）、（實(shí)體—屬性—屬性值）這樣的三元組來表達(dá)事實(shí)，可選擇圖數(shù)據(jù)庫作為存儲(chǔ)介質(zhì)。模式層構(gòu)建在數(shù)據(jù)層之上，是知識(shí)圖譜的核心。2.5知識(shí)圖譜表示法2.5.3知識(shí)圖譜的架構(gòu)2.知識(shí)圖譜的體系架構(gòu)

知識(shí)圖譜的體系架構(gòu)是指其構(gòu)建模式結(jié)構(gòu)，也包含知識(shí)圖譜的更新過程。獲取知識(shí)的資源對(duì)象大體可分為結(jié)構(gòu)化半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化三類。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指知識(shí)定義和表示都比較完備的數(shù)據(jù)，如DBpedia和Freebase等已有知識(shí)圖譜、特定領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)庫資源等。半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指部分?jǐn)?shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的但存在大量結(jié)構(gòu)化程度較低的數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則是指沒有定義和規(guī)范約束的“自由”數(shù)據(jù)。例