人工智能_知识表示

第二章知识表示知识就是力量2第2章知识表示2.1知识表示与知识表示的概念2.2一阶谓词逻辑表示法2.3产生式表示法2.4语义网络表示法2.5框架表示法2.6状态空间表示法2.7问题规约表示法2.8剧本表示法2.9面向对象表示法32.1.1知识的概念----何谓知识（一）知识的一般概念知识是人们在改造客观世界的实践中积累起来的认识和经验认识：包括对事物现象、本质、属性、状态、关系、联系和运动等的认识经验：包括解决问题的微观方法，如步骤、操作、规则、过程、技巧等宏观方法，如战略、战术、计谋、策略等知识、信息、数据及其关系原因：认识客观世界的前提是能对其描述，而描述由数据和信息来实现的解释：数据是为描述客观事物而引入的一些数字、符号、文字等信息是对客观事物的一般性描述，它还不是知识。数据组成结构。关系：数据是信息的载体，本身无确切含义，其关联构成信息信息是数据的关联，赋予数据特定的含义，仅可理解为描述性知识知识可以是对信息的关联，也可以是对已有知识的再认识例如：(1)if计算机能听懂人类语言then可直接与计算机对话(2)if计算机能听懂人类语言就可直接与计算机对话then人类将努力研究自然语言理解问题42.1.1知识的概念----何谓知识（二）“知识”有代表性的定义（1）知识是经过剪裁、塑造、解释、选择和转换了的信息（2）知识由特定领域的描述、关系和过程组成（3）知识=事实+信念+启发式“信息”与“关联”是构成知识的两个要素。信息之间关联的形式可以多种多样，最常见的一种形式是：“如果。。。。。。，则。。。。。。”52.1.1知识的概念----知识的属性真假性与相对性真假性：可以通过实践和推理来证明知识是真的还是假的相对性：非绝对性。知识的真与假是相对于条件、环境、事件而言的不确定性不完备性：解决问题时不具备解决该问题的全部知识不精确性：知识本身有真假之分，但由于认识水平限制说不清其真假这时可由可信度、概率等进行描述。模糊性：知识的边界本身就是不清楚的(人的相貌)用可能性、隶属度来描述（模糊搜索）矛盾性和相容性矛盾性：同一知识集中的知识之间相互对立或不一致（保健专家系统）相容性：一个知识集中的所有知识之间相互不矛盾可表示性与可利用性可表示性：知识可用适当的形式表示出来。如语言、文字、图形等可利用性：知识可用来解决各种各样的问题62.1.1知识的概念----知识的类型（一）按知识的性质概念、命题、公理、定理、规则和方法按知识的作用域常识性知识：通用通识的知识。人们普遍知道的、适应所有领域的领域性知识：面向某个具体专业领域的。该领域专家才知道的如：专家经验。专家系统拥有的是此类知识按知识的作用效果事实性知识：（叙述性知识）描述事物的概念、定义、属性等（神5实现了中华民族的飞天梦想）问题的状态、环境、条件等（气温逐渐下降）过程性知识：用于问题求解过程的操作、演算和行为的知识用来指出如何使用那些与问题有关的事实性知识的知识由与求解问题有关的规则、定律、定理及经验所构成例如：AX2+BX+C=0控制性知识：即元知识或超知识如何使用知识的知识，也称为关于知识的知识。例如：推理策略、搜索策略(深度优先、广度优先、启发式)不确定性的传播策略72.1.1知识的概念----知识的类型（二）按知识的层次表层知识：客观事物的现象及这些现象与结论之间关系的知识他描述简单，但不反映事物的本质。如：经验、感性、事实性知识（专家系统）深层知识：客观事物本质、因果关系内涵、基本原理之类的知识如：理论知识、理性知识(数据挖掘)按知识的确定性确定性知识：可以说明其真值为真或为假的知识不确定性知识：不能确切说明其真假或不能完全知道的知识包括：不精确、模糊、不完备按知识的等级零级知识：叙述性知识。描述事物的属性，问题的状态等一级知识：过程性知识。经验型、启发性的知识二级知识（元知识、超知识）：如何使用一级知识三级知识（元元知识）82.1.2知识表示的概念----知识表示的含义及要求什么是知识表示是对知识的描述，即用一组符号把知识编码成计算机可以接受的某种结构。其表示方法不唯一。(请对比计算机如何了解＋5V电压信号？)知识表示的要求（难度很大）表示能力：能否正确、有效地将问题求解所需的各种知识表示出来表示范围的广泛性领域知识表示的高效性对非确定性知识表示的支持程度可利用性：利用这些知识进行推理，可以求得待解决问题的解对推理的适应性：推理是根据已知事实利用知识导出结果的过程对高效算法的支持程度：知识表示要有较高的处理效率可实现性：要便于计算机直接对其进行处理可组织性：可以按某种方式把知识组织成某种知识结构可维护性：便于对知识的增、删、改等操作（知识的一致性）自然性：符合人们的日常习惯可理解性：知识应易读、易懂、易获取等92.1.2知识表示的概念----知识表示的观点及方法知识表示的观点陈述性观点：知识按某种结构存储，知识的使用由过程来实现优点：灵活、简洁，演绎过程完整、确定，知识维护方便缺点：推理效率低、推理过程不透明（1965归结定理）过程性观点：知识寓于使用知识的过程中，表示与运用相结合（P38）。优点：推理效率高、过程清晰缺点：灵活性差、知识维护不便知识表示的方法逻辑表示法：一阶谓词逻辑产生式表示法：产生式规则结构表示法：语义网络，框架，脚本过程表示法：面向对象表示法：102.2一阶谓词逻辑表示法本节主要讨论：一阶谓词逻辑表示的逻辑基础仅与知识表示有关的，推理有关的在下一章命题和真值；论域和谓词；连词和量词；项与合式公式；自由变元与约束变元谓词逻辑表示的方法谓词逻辑表示的应用谓词逻辑表示的特性11一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----命题与真值命题的定义：断言：一个陈述句称为一个断言命题：具有真假意义的断言成为命题可以用大写字母表示命题，如：A:天在下雨。B:天晴C:人是会死的D:他在哭命题的真值：T：表示命题的意义为真F：表示命题的意义为假表达单一意义的命题称为“原子命题”。命题逻辑就是研究命题和命题之间关系的符号逻辑系统。12一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----论域和谓词（一）论域：由所讨论对象的全体构成的集合。也称为个体域个体：论域中的元素。谓词：在谓词逻辑中命题是用形如P(x1,x2,…,xn)的谓词来表示的谓词名：是命题的谓语，表示个体的性质、状态或个体之间的关系个体：是命题的主语，表示独立存在的事物或概念定义2.2设D是个体域，P：Dn→{T，F｝是一个映射，其中则称P是一个n元谓词，记为P(x1,x2,…,xn)其中，x1,x2,…,xn为个体，可以是个体常量、变元和函数。例如：GREATER(x,6)x大于6STUDENT(wanghong)王红是一名学生TEACHER(father(zhang))张的父亲是一位教师},,,|),,,{(2121DxxxxxxDnnn13一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----连词连词：：称为“非”或者“否定”。它表示对其后面的命题的否定：称为“析取”。它表示所连结的两个命题之间具有“或”：称为“合取”。它表示所连结的两个命题之间具有“与”的关系。：称为“条件”或“蕴含”。表示“若…则…”的语义。读作“如果P，则Q”。其中，P称为条件的前件，Q称为条件的后件。：称为“双条件”。它表示“当且仅当”的语义。即读作“P当且仅当Q”。例如，对命题P和Q，P↔Q表示“P当且仅当Q”，PQ¬PPVQPΛQP→QP↔QTTFTTTTTFFTFFFFTTTFTFFFTFFTT14蕴含关系的困惑?----例子蕴含词“若P则Q”与自然语言中的“若P则Q(同属)”既有相似之处，也有本质上的区别。如果P是真的，Q是假的，那么复合命题“若P则Q”是假的。如果P是假的，那么不管Q是真是假，复合命题“若P则Q”都是真的。“如果今天下雨，那么我们就呆在家里”（1）如果今天下雨了，我们呆在家里了，那么复合命题显然是真的。（2）如果今天下雨了，我们却没有呆在家里，那么这显然违背了原命题，即复合命题是假的。（3）如果今天没有下雨，那么不管我们是否呆在家里都不能认为我们违背了复合命题的要求，即复合命题是真的。15一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----量词量词：：全称量词，意思是“所有的”、“任一个”命题(x)P(x)为真，当且仅当对论域中的所有x，都有P(x)为真命题(x)P(x)为假，当且仅当对论域中的所有x，都有P(x)为假：存在量词，意思是“至少有一个”、“存在有”命题(x)P(x)为真，当且仅当至少存在一个xiD，使得P(xi)为真命题(x)P(x)为假，当且仅当至少存在一个xiD，使得P(xi)为假16一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----项与合式公式合法的谓词表达式称为合式公式（即谓词公式）。由“项”来定义。个体常量、个体变量和函数称为项。定义2-5原子谓词公式的含义为：若t1，t2，……，tn是项，P是谓词符号，则称P(t1，t2，……，tn)为原子谓词公式。定义2-6满足如下规则的谓词演算可得到合式公式：单个原子谓词公式是合式公式；若A是合式公式，则¬A也是合式公式；若A，B是合式公式，则AVB，AΛB，A→B，A↔B也都是合式公式；若A是合式公式，x是项，则(x)A和(x)A也都是合式公式。根据以上是合式公式的形成规则，可以形成任意复杂的合式公式。例如，¬P(x，y)VQ(y)，(x)(A(x)B(x))，都是合式公式。连词的优先级：¬，，V，→，↔17一阶谓词逻辑表示的逻辑基础----自由变元与约束变元辖域：指位于量词后面的单个谓词或者用括弧括起来的合式公式约束变元：辖域内与量词中同名的变元称为约束变元自由变元：不受约束的变元称为自由变元例子：(x)(P(x，y)→Q(x，y))VR(x，y)其中，(P(x，y)→Q(x，y))是(x)的辖域辖域内的变元x是受(x)约束的变元R(x，y)中的x和所有的y都是自由变元变元的换名：谓词公式中的变元的名字是无关紧要的，可以换名。但需注意两点第一，当对量词辖域内的变元更名时，必须把同名的约束变元都统一换成另外一个相同的名字，且不能与辖域内的自由变元同名。例如，对公式(x(P(x，y))，可把约束变元x换成z，得到公式(z)(P(z，y)。第二，当对辖域内的自由变元更名时，不能改成与约束变元相同的名字。例如，对公式(x)(P(x，y)，可把自由变元y换成t（但不能换成x），得到公式(z)(P(z，t)。18谓词逻辑表示方法（一）表示步骤：先根据表示的知识定义谓词再用连词、量词把这些谓词连接起来（事实、因果）例2.1表示“每个人都有父亲”定义谓词：P(x)表示x是人HF(x,y)表示x有父亲y表示知识：(x)(y)(P(x)→HF(x,y)∧P(y))例2.2表示知识“所有教师都有自己的学生”。定义谓词：T(x)：表示x是教师。S(x)：表示x是学生。TS(x,y)：表示x是y的老师。此时，该知识可用谓词表示为：(x)(y)(T(x)→TS(x,y)∧S(y))可读作：对所有x，如果x是一个教师，那么一定存在一个个体y，y的老师是x，且y是一个学生。19谓词逻辑表示方法（二）例2.3表示知识“所有的整数不是偶数就是奇数”。定义谓词：I(x)：x是整数，E(x)：x是偶数，O(x)：x是奇数知识的谓词表示为：(x)(I(x)→E(x)O(x))例2.4表示如下知识：王宏是计算机系的一名学生。李明是王宏的同班同学。凡是计算机系的学生都喜欢编程序。定义谓词：COMPUTER(x)：表示x是计算机系的学生。CLASSMATE(x,y)：表示x是y的同班同学。LIKE(x,y)：表示x喜欢y。上述知识表示为：COMPUTER(Wanghong)CLASSMATE(Liming,Wanghong)(x)(COMPUTER(x)→LIKE(