人工智能_知识表示PPT课件.ppt

1、第二章 知识表示,知识就是力量,1,2,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,3,2.1.1 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

2、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,4,2.1.1 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

3、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。”,5,2.1.1 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、

4、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,6,2.1.1 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、

5、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,7,2.1.1 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

6、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）,8,2.1.2 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

7、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,9,2.1.2 知识表示的概念-知识表示的观点及

8、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：,10,2.2 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；

9、 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

10、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：DnT，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6 STUDENT(wanghong ) 王红是一名学生 TEACHER(father(zhang) 张的父亲是一位教师,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

11、“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，PQ表示“P当且仅当Q”，,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

12、，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

13、xi D，使得P(xi)为真 命题( x)P(x)为假，当且仅当至少存在一个xi D，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，AB，AB，AB也都是合式公式； 若A是合式公式，x是项，则( x)A和

14、( 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

15、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

16、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

17、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(x, programing),20,练习,用一阶谓词逻辑表示下面的句子： 自然数都是大于零的整数。 所有整数不是偶数就是奇数。 并不是所有的学生都选修了历史和生物。 历史考试中只有一个学生不及格。 除了选修人工智能的学生外，都去舞会了。,21,谓词逻辑表示的应用-机器人移盒子问题（一）智能规划NP旅行规划、自动武器等,谓词可用来描述状态、动作:机器人从c点出发，将盒子从a桌拿到b桌，然后再回到c处。 研究的对象： 桌子x的个体域是a, b 机器人y的个体域是ro