第八章人工智能基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件.ppt

第八章人工智能基礎(chǔ)知識(shí),2,本章主要內(nèi)容,8.1知識(shí)表示8.2確定性推理8.3不確定性推理,3,8.1知識(shí)表示,知識(shí)與知識(shí)表示的概念一階謂詞邏輯表示法產(chǎn)生式表示法框架表示法語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法,4,知識(shí)的概念,知識(shí)：在長(zhǎng)期的生活及社會(huì)實(shí)踐中、在科學(xué)研究及實(shí)驗(yàn)中積累起來的對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。知識(shí)：把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)。知識(shí)反映了客觀世界中事物之間的關(guān)系，不同事物或者相同事物間的不同關(guān)系形成了不同的知識(shí)。,信息關(guān)聯(lián)形式：“如果，則”如果大雁向南飛，則冬天就要來臨了。,規(guī)則,事實(shí),例如：“雪是白色的”。“如果頭痛且流涕，則有可能患了感冒”。,5,知識(shí)的特性,相對(duì)正確性任何知識(shí)都是在一定的條件及環(huán)境下產(chǎn)生的，在這種條件及環(huán)境下才是正確的。,1+1=2（十進(jìn)制）1+1=10(二進(jìn)制）,不確定性,隨機(jī)性引起的不確定性模糊性引起的不確定性經(jīng)驗(yàn)引起的不確定性不完全性引起的不確定性,知識(shí)狀態(tài)：“真”“假”“真”與“假”之間的中間狀態(tài),“如果頭痛且流涕，則有可能患了感冒”,小李很高,6,知識(shí)的特性,可表示性與可利用性知識(shí)的可表示性:知識(shí)可以用適當(dāng)形式表示出來，如用語(yǔ)言、文字、圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。知識(shí)的可利用性:知識(shí)可以被利用。,7,知識(shí)的分類,事實(shí)性知識(shí)：有關(guān)概念、事實(shí)、事物的屬性及狀態(tài)等。過程性知識(shí)：有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)變化、問題求解過程的操作、演算和行動(dòng)的知識(shí)。控制性知識(shí)（深層知識(shí)或元知識(shí)）：關(guān)于如何運(yùn)用已有的知識(shí)進(jìn)行問題求解的知識(shí)。,糖是甜的。西安是一個(gè)古老的城市。一年有春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)。,按知識(shí)的作用范圍,按知識(shí)的作用及表示,常識(shí)性知識(shí)：通用性知識(shí)。領(lǐng)域性知識(shí)：專業(yè)性的知識(shí)。,1個(gè)字節(jié)由8個(gè)“位”構(gòu)成。一個(gè)扇區(qū)有512個(gè)“字節(jié)”的數(shù)據(jù)。,8,知識(shí)的分類,例如：從北京到上海是乘飛機(jī)還是火車的問題表示如下：事實(shí)性知識(shí)：北京、上海、飛機(jī)、時(shí)間、費(fèi)用。過程性知識(shí)：乘飛機(jī)、坐火車。控制性知識(shí)：乘坐飛機(jī)較快、較貴；坐火車較慢、較便宜。,按知識(shí)的作用及表示,9,知識(shí)的分類,確定性知識(shí)：可指出其真值為“真”或“假”的知識(shí)，是精確性的知識(shí)。不確定性知識(shí)：具有不精確、不完全及模糊性等特性的知識(shí)。,3.按知識(shí)的結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)形式,4.按知識(shí)的確定性,邏輯性知識(shí)：反映人類邏輯思維過程的知識(shí)。形象性知識(shí)：通過事物的形象建立起來的知識(shí)。,例：什么是樹?,10,知識(shí)的表示,知識(shí)表示（knowledgerepresentation）：將人類知識(shí)形式化或者模型化。知識(shí)表示是對(duì)知識(shí)的一種描述，或者說是一組約定，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)。選擇知識(shí)表示方法的原則：,（1）充分表示領(lǐng)域知識(shí)。（2）有利于對(duì)知識(shí)的利用。（3）便于對(duì)知識(shí)的組織、維護(hù)與管理。（4）便于理解與實(shí)現(xiàn)。,11,一階謂詞邏輯知識(shí)表示方法,謂詞公式表示知識(shí)的步驟：（1）定義謂詞及個(gè)體。（2）變?cè)x值。（3）用連接詞連接各個(gè)謂詞，形成謂詞公式。,例如：用一階謂詞邏輯表示下列關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。住戶房間電話號(hào)碼房間Zhang201491201Li201492201Wang202451202Zhao203451203,Occupant,Telephone,12,用一階謂詞表示：Occupant（Zhang，201）Occupant（Li，201）Occupant（Wang，202）Occupant（Zhao，203）Telephone（491，201）Telephone（492，201）Telephone（451，202）Telephone（451，203）,一階謂詞邏輯知識(shí)表示方法,13,一階謂詞邏輯表示法的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：自然性精確性嚴(yán)密性容易實(shí)現(xiàn),應(yīng)用：（1）自動(dòng)問答系統(tǒng)（Green等人研制的QA3系統(tǒng)）（2）機(jī)器人行動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)（Fikes等人研制的STRIPS系統(tǒng)）（3）機(jī)器博弈系統(tǒng)（Filman等人研制的FOL系統(tǒng)）（4）問題求解系統(tǒng)（Kowalski等設(shè)計(jì)的PS系統(tǒng)）,局限性：不能表示不確定的知識(shí)組合爆炸效率低,14,產(chǎn)生式表示法,“產(chǎn)生式”：1943年，美國(guó)數(shù)學(xué)家波斯特（E.Post）首先提出。1972年，紐厄爾和西蒙在研究人類的認(rèn)知模型中開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。產(chǎn)生式通常用于表示事實(shí)、規(guī)則以及它們的不確定性度量，適合于表示事實(shí)性知識(shí)和規(guī)則性知識(shí)。,15,產(chǎn)生式表示法,確定性規(guī)則知識(shí)的產(chǎn)生式表示,2.不確定性規(guī)則知識(shí)的產(chǎn)生式表示,基本形式：IFPTHENQ或者：例如：r4：IF動(dòng)物會(huì)飛AND會(huì)下蛋THEN該動(dòng)物是鳥,基本形式：IFPTHENQ（置信度）或者：（置信度）例如：IF發(fā)燒THEN感冒（0.6）,16,產(chǎn)生式表示法,3.確定性事實(shí)性知識(shí)的產(chǎn)生式表示,4.不確定性事實(shí)性知識(shí)的產(chǎn)生式表示,三元組表示：（對(duì)象，屬性，值）或者：（關(guān)系，對(duì)象1，對(duì)象2）例：老李年齡是40歲：（Li，age，40）老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang）,四元組表示：（對(duì)象，屬性，值，置信度）或者：（關(guān)系，對(duì)象1，對(duì)象2，置信度）例：老李年齡很可能是40歲：（Li，age，40，0.8）老李和老王不大可能是朋友：（friend，Li，Wang，0.1）,17,產(chǎn)生式表示法,產(chǎn)生式的形式描述及語(yǔ)義巴科斯范式BNF（backusnormalform）,:=:=|:=|:=ANDAND|OROR:=(，),符號(hào)“:=”表示“定義為”；符號(hào)“|”表示“或者是”；符號(hào)“”表示“可缺省”。,18,產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng),例如：動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別虎、金錢豹、斑馬、長(zhǎng)頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁等七種動(dòng)物的產(chǎn)生式系統(tǒng)。,19,2.3.3產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng),規(guī)則庫(kù)：,r1：IF該動(dòng)物有毛發(fā)THEN該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物r2：IF該動(dòng)物有奶THEN該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物r3：IF該動(dòng)物有羽毛THEN該動(dòng)物是鳥r4：IF該動(dòng)物會(huì)飛AND會(huì)下蛋THEN該動(dòng)物是鳥r5：IF該動(dòng)物吃肉THEN該動(dòng)物是食肉動(dòng)物r6：IF該動(dòng)物有犬齒AND有爪AND眼盯前方THEN該動(dòng)物是食肉動(dòng)物r7：IF該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物AND有蹄THEN該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物r8：IF該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物AND是反芻動(dòng)物THEN該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物,20,產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng),r9：IF該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物AND是食肉動(dòng)物AND是黃褐色AND身上有暗斑點(diǎn)THEN該動(dòng)物是金錢豹r10：IF該動(dòng)物是哺乳動(dòng)物AND是食肉動(dòng)物AND是黃褐色AND身上有黑色條紋THEN該動(dòng)物是虎r11：IF該動(dòng)物是有蹄類動(dòng)物AND有長(zhǎng)脖子AND有長(zhǎng)腿AND身上有暗斑點(diǎn)THEN該動(dòng)物是長(zhǎng)頸鹿r12：IF該動(dòng)物有蹄類動(dòng)物AND身上有黑色條紋THEN該動(dòng)物是斑馬r13：IF該動(dòng)物是鳥AND有長(zhǎng)脖子AND有長(zhǎng)腿AND不會(huì)飛AND有黑白二色THEN該動(dòng)物是鴕鳥r14：IF該動(dòng)物是鳥AND會(huì)游泳AND不會(huì)飛AND有黑白二色THEN該動(dòng)物是企鵝r15：IF該動(dòng)物是鳥AND善飛THEN該動(dòng)物是信天翁,21,產(chǎn)生式表示法的特點(diǎn),1.產(chǎn)生式表示法的優(yōu)點(diǎn),（1）自然性（2）模塊性（3）有效性（4）清晰性,2.產(chǎn)生式表示法的缺點(diǎn),（1）效率不高（2）不能表達(dá)結(jié)構(gòu)性知識(shí),3.適合產(chǎn)生式表示的知識(shí),（1）領(lǐng)域知識(shí)間關(guān)系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關(guān)系。（2）經(jīng)驗(yàn)性及不確定性的知識(shí)，且相關(guān)領(lǐng)域中對(duì)這些知識(shí)沒有嚴(yán)格、統(tǒng)一的理論。（3）領(lǐng)域問題的求解過程可被表示為一系列相對(duì)獨(dú)立的操作，且每個(gè)操作可被表示為一條或多條產(chǎn)生式規(guī)則。,22,框架表示法,1975年，美國(guó)明斯基提出了框架理論：人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中的?？蚣鼙硎痉ǎ阂环N結(jié)構(gòu)化的知識(shí)表示方法，已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用。,23,用框架表示知識(shí)的例子,框架名：教師姓名：?jiǎn)挝唬ㄐ铡⒚┠挲g：?jiǎn)挝唬q）性別：范圍（男、女）缺省：男職稱：范圍（教授，副教授，講師，助教）缺省：講師部門：?jiǎn)挝唬ㄏ?，教研室）住址：住址框架工資：工資框架開始工作時(shí)間：?jiǎn)挝唬辍⒃拢┙刂箷r(shí)間：?jiǎn)挝唬?、月）缺省：現(xiàn)在,例1教師框架,24,用框架表示知識(shí)的例子,框架名：教師-1姓名：夏冰年齡：36性別：女職稱：副教授部門：計(jì)算機(jī)系軟件教研室住址：adr-1工資：sal-1開始工作時(shí)間：1988，9截止時(shí)間：1996，7,例2教師框架,當(dāng)把具體的信息填入槽或側(cè)面后，就得到了相應(yīng)框架的一個(gè)事例框架。,25,用框架表示知識(shí)的例子,框架名：教室墻數(shù)：窗數(shù)：門數(shù)：座位數(shù)：前墻：墻框架后墻：墻框架左墻：墻框架右墻：墻框架門：門框架窗：窗框架黑板：黑板框架天花板：天花板框架講臺(tái)：講臺(tái)框架,例3教室框架,26,用框架表示知識(shí)的例子,例4將下列一則地震消息用框架表示：“某年某月某日，某地發(fā)生6.0級(jí)地震，若以膨脹注水孕震模式為標(biāo)準(zhǔn)，則三項(xiàng)地震前兆中的波速比為0.45，水氡含量為0.43，地形改變?yōu)?.60?！苯猓旱卣鹣⒂每蚣苋缦聢D所示。,框架名：地震地點(diǎn)：某地日期：某年某月某日震級(jí)：6.0波速比：0.45水氡含量：0.43地形改變：0.60,27,用框架表示知識(shí)的例子,28,框架表示法的特點(diǎn),（1）結(jié)構(gòu)性便于表達(dá)結(jié)構(gòu)性知識(shí)，能夠?qū)⒅R(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系及知識(shí)間的聯(lián)系表示出來。（2）繼承性框架網(wǎng)絡(luò)中，下層框架可以繼承上層框架的槽值，也可以進(jìn)行補(bǔ)充和修改。（3）自然性框架表示法與人在觀察事物時(shí)的思維活動(dòng)是一致的。,29,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)最早是1968年Quillian在他的博士論文中作為人類聯(lián)想記憶的一個(gè)顯式心理學(xué)模型提出的。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是一種采用網(wǎng)絡(luò)形式表示人類知識(shí)的方法。一個(gè)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)帶標(biāo)識(shí)的有向圖。其中，帶有標(biāo)識(shí)的結(jié)點(diǎn)表示問題領(lǐng)域中的物體、概念、事件、動(dòng)作或者態(tài)勢(shì)。在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)知識(shí)表示中，結(jié)點(diǎn)一般劃分為實(shí)例結(jié)點(diǎn)和類結(jié)點(diǎn)兩種類型。結(jié)點(diǎn)之間帶有標(biāo)識(shí)的有向弧表示結(jié)點(diǎn)之間的語(yǔ)義聯(lián)系，是語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)組織知識(shí)的關(guān)鍵。,30,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法示例,例5描述桌子的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。,31,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法示例,例6設(shè)有下圖所示動(dòng)物分類網(wǎng)絡(luò)片斷，現(xiàn)在要求證明小貝貝是灰色的。,32,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)性：能把事物的屬性及事物間的各種語(yǔ)義聯(lián)系顯式地表示出來。（2）聯(lián)想性：便于以聯(lián)想的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的檢索，使之具有記憶心理學(xué)中的聯(lián)想特性。（3）自然性：便于理解，自然語(yǔ)言與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)間的轉(zhuǎn)換易實(shí)現(xiàn)。,33,語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點(diǎn),缺點(diǎn)：（1）非嚴(yán)格性：沒有公認(rèn)的形式表示體系，所表達(dá)的含義依賴于處理程序如何對(duì)它進(jìn)行解釋。（2）處理上的復(fù)雜性：表示形式的不一致性導(dǎo)致處理復(fù)雜。,34,第3章確定性推理方法,8.2確定性推理方法,35,推理的基本概念,推理的定義推理方式及其分類推理的方向沖突消解策略,36,推理的定義,推理：,37,（1）演繹推理(deductivereasoning):一般個(gè)別三段論式（三段論法）足球運(yùn)動(dòng)員的身體都是強(qiáng)壯的；高波是一名足球運(yùn)動(dòng)員；所以，高波的身體是強(qiáng)壯的。,推理方式及其分類,演繹推理、歸納推理、默認(rèn)推理,（大前提）（小前提）（結(jié)論）,38,推理方式及其分類,演繹推理、歸納推理、默認(rèn)推理,檢查全部產(chǎn)品合格,該廠產(chǎn)品合格,完全歸納推理,檢查全部樣品合格,該廠產(chǎn)品合格,不完全歸納推理,39,推理方式及其分類,演繹推理、歸納推理、默認(rèn)推理,（3）默認(rèn)推理（defaultreasoning，缺省推理）知識(shí)不完全的情況下假設(shè)某些條件已經(jīng)具備所進(jìn)行的推理。,40,推理方式及其分類,2.確定性推理、不確定性推理,（1）確定性推理：推理時(shí)所用的知識(shí)與證據(jù)都是確定的，推出的結(jié)論也是確定的，其真值或者為真或者為假。（2）不確定性推理：推理時(shí)所用的知識(shí)與證據(jù)不都是確定的，推出的結(jié)論也是不確定的。,41,X：鳥X：會(huì)飛X:企鵝,推理方式及其分類,3.單調(diào)推理、非單調(diào)推理（1）單調(diào)推理：隨著推理向前推進(jìn)及新知識(shí)的加入，推出的結(jié)論越來越接近最終目標(biāo)。（2）非單調(diào)推理：由于新知識(shí)的加入，不僅沒有加強(qiáng)已推出的結(jié)論，反而要否定它，使推理退回到前面的某一步，重新開始。,默認(rèn)推理是非單調(diào)推理,基于經(jīng)典邏輯的演繹推理,42,推理方式及其分類,4啟發(fā)式推理、非啟發(fā)式推理啟發(fā)性知識(shí)：與問題有關(guān)且能加快推理過程、提高搜索效率的知識(shí)。,目標(biāo)：在腦膜炎、肺炎、流感中選擇一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則r1：腦膜炎r2：肺炎r3：流感啟發(fā)式知識(shí)：“腦膜炎危險(xiǎn)”、“目前正在盛行流感”。,43,推理的方向,44,沖突消解策略,已知事實(shí)與知識(shí)的三種匹配情況：（1）恰好匹配成功（一對(duì)一）；（2）不能匹配成功；（3）多種匹配成功（一對(duì)多、多對(duì)一、多對(duì)多）,沖突消解,45,沖突消解策略,多種沖突消解策略：（1）按針對(duì)性排序（2）按已知事實(shí)的新鮮性排序（3）按匹配度排序（4）按條件個(gè)數(shù)排序（5）按上下文限制排序（6）按冗余限制排序（7）根據(jù)領(lǐng)域問題的特點(diǎn)排序,r1:IFA1ANDA2THENH1r2:IFA1ANDA2ANDA3ANDA4THENH2,46,確定性推理方法,3.1推理的基本概念3.2自然演繹推理3.3謂詞公式化為子句集的方法3.4海伯倫定理3.5魯賓遜歸結(jié)原理3.6歸結(jié)反演3.7應(yīng)用歸結(jié)反演求解問題,47,自然演繹推理：從一組已知為真的事實(shí)出發(fā)，運(yùn)用經(jīng)典邏輯的推理規(guī)則推出結(jié)論的過程。推理規(guī)則：P規(guī)則、T規(guī)則、假言推理、拒取式推理,確定性推理方法-自然演繹推理,拒取式推理：PQ,QP“如果下雨，則地下就濕”,“地上不濕”推出“沒有下雨”,48,（1）如果下雨，則地上是濕的（PQ）；（2）沒有下雨（P）；（3）所以，地上不濕（Q）。,確定性推理方法-自然演繹推理,錯(cuò)誤1否定前件：PQ,PQ,（1）如果行星系統(tǒng)是以太陽(yáng)為中心的，則金星會(huì)顯示出位相變化（PQ）；（2）金星顯示出位相變化（Q）；（3）所以，行星系統(tǒng)是以太陽(yáng)為中心（P）。,錯(cuò)誤2肯定后件：PQ,QP,49,確定性推理方法-自然演繹推理,例1已知事實(shí)：（1）凡是容易的課程小王(Wang)都喜歡；（2）C班的課程都是容易的；（3）ds是C班的一門課程。求證：小王喜歡ds這門課程。,50,確定性推理方法-自然演繹推理,證明：定義謂詞：EASY(x)：x是容易的LIKE(x,y)：x喜歡yC(x)：x是C班的一門課程,已知事實(shí)和結(jié)論用謂詞公式表示：()(EASY(x)LIKE(Wang,x)()(C(x)EASY(x)C(ds)LIKE(Wang,ds),51,確定性推理方法-自然演繹推理,應(yīng)用推理規(guī)則進(jìn)行推理：,()(C(x)EASY(x)C(y)EASY(y)全稱固化,所以C(ds),C(y)EASY(y)EASY(ds)P規(guī)則及假言推理,所以EASY(ds),EASY(z)LIKE(Wang，z)LIKE(Wang,ds)T規(guī)則及假言推理,52,優(yōu)點(diǎn)：表達(dá)定理證明過程自然，易理解。擁有豐富的推理規(guī)則，推理過程靈活。便于嵌入領(lǐng)域啟發(fā)式知識(shí)。,確定性推理方法-自然演繹推理,53,確定性推理方法歸結(jié)演繹推理,反證法：，當(dāng)且僅當(dāng)，即Q為P的邏輯結(jié)論，當(dāng)且僅當(dāng)是不可滿足的。,定理：Q為，的邏輯結(jié)論，當(dāng)且僅當(dāng)是不可滿足的。,54,確定性推理方法歸結(jié)演繹推理,思路：定理不可滿足子句集不可滿足海伯倫定理魯賓遜歸結(jié)原理,55,3.6歸結(jié)反演,應(yīng)用歸結(jié)原理證明定理的過程稱為歸結(jié)反演。用歸結(jié)反演證明的步驟是：（1）