人工智能原理教学课件第2章知识表示

《人工智能原理教学课件第2章知识表示》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人工智能原理教学课件第2章知识表示（104页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第2章 知识表示,2.1 知识与知识表示的概念 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 过程表示法,按照符号主义的观点，知识是一切智能行为的基础，要使计算机具有智能，首先必须使它拥有知识。,2,2.1 知识与知识表示的概念,2.1.1 知识的概念 2.1.2 知识表示的概念,3,2.1.1 知识的概念 什么是知识,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、

2、战术、计谋、策略等 知识的有代表性的定义 （1）Feigenbaum: 知识是经过剪裁、塑造、解释、选择和转换了的信息 （2）Bernstein：知识由特定领域的描述、关系和过程组成 （3）Heyes-Roth：知识=事实+信念+启发式 知识、信息、数据及其关系 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 常用的关联方式： if then ,4,2.1.1 知识的概念 知识的类型(1/2),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

3、知识。人们普遍知道的、适应所有领域的知识。 领域性知识：面向某个具体专业领域的知识。例如：专家经验。 按知识的作用效果 事实性知识：用于描述事物的概念、定义、属性等； 或用于描述问题的状态、环境、条件等。 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； 表示方式：产生式、谓词、语义网络等。 控制性知识：(元知识或超知识) 是关于如何使用过程性知识的知识； 例如：推理策略、搜索策略、不确定性的传播策略。,5,2.1.1 知识的概念 知识的类型(2/2),按知识的层次 表层知识：描述客观事物的现象的知识。例如：感性、事实性知识 深层知识：

4、描述客观事物本质、内涵等的知识。例如：理论知识 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：包括不精确、模糊、不完备知识 不精确：知识本身有真假，但由于认识水平限制却不能肯定其真假 表示：用可信度、概率等描述 模糊：知识本身的边界就是不清楚的。例如：大，小等 表示：用可能性、隶属度来描述 不完备：解决问题时不具备解决该问题的全部知识。例如：医生看病 按知识的等级 零级知识：叙述性知识 一级知识：过程性知识 二级知识：控制性知识（元知识或超知识）,6,2.1.2 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

5、接受的某种结构。其表示方法不唯一。 知识表示的要求 表示能力：能否正确、有效地表示问题。包括： 表范围的广泛性 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：可利用这些知识进行有效推理。包括： 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 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,7,2.1.2 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

6、的存储与知识的使用相分离 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 过程性观点：知识寓于使用知识的过程中 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 过程表示法：,8,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 过程表示法,9,2.2 一阶谓词逻辑表示法,主要讨论 一阶谓词逻辑表示的逻辑学基础 命题和真值；论域和谓词；连词和量词； 项

7、与合式公式；自由变元与约束变元 谓词逻辑表示方法 谓词逻辑表示的应用 谓词逻辑表示的特性,一阶谓词逻辑表示法是一种基于数理逻辑的表示方法。 数理逻辑是一门研究推理的学科。可分为： 一阶经典逻辑：一阶经典命题逻辑，一阶经典谓词逻辑 非一阶经典逻辑：指除经典逻辑以外的那些逻辑，例如：二阶逻辑，多值逻辑，模糊逻辑等。,10,2.2.1一阶谓词逻辑表示的逻辑学基础 命题与真值,命题的定义： 断言：定义2.1 一个陈述句称为一个断言. 命题：具有真假意义的断言称为命题. 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 命题真值的说明 一个命题不能同时既为真又为假 一个命题可在一定条件下为真

8、，而在另一条件下为假,11,2.2.1一阶谓词逻辑表示的逻辑学基础 论域和谓词(1/2),论域：由所讨论对象的全体构成的集合。亦称为个体域 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：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 TEACHER(father(Wang Hong) 王宏

9、的父亲是一位教师,12,2.2.1一阶谓词逻辑表示的逻辑学基础 论域和谓词(2/2),函数： 定义2-3 设D是个体域，f：DnD是一个映射，其中 则称f是D上的一个n元函数，记作 f(x1,x2,xn) 谓词与函数的区别： 谓词是D到T，F的映射，函数是D到D的映射 谓词的真值是T和F，函数的值（无真值）是D中的元素 谓词可独立存在，函数只能作为谓词的个体,13,2.2.1一阶谓词逻辑表示的逻辑基础 连词,连词： ： “非”或者“否定”。表示对其后面的命题的否定 ：“析取”。表示所连结的两个命题之间具有“或”的关系 ：“合取”。 表示所连结的两个命题之间具有“与”的关系。 ： “条件”或“蕴

10、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”，,14,2.2.1一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，当且仅当至少存在一个xi D，使得P(xi)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xi D，使得P(xi)为真 命题( x)P(x)为

11、假，当且仅当对论域中的所有x，都有P(x)为假,15,2.2.1一阶谓词逻辑表示的逻辑基础 项与合式公式,项 定义2-4 项满足如下规则： (1) 单独一个个体词是项； (2) 若t1,t2,tn是项，f是n元函数，则f(t1,t2,tn)是项； (3) 由(1)、(2)生成的表达式是项。 项是把个体常量、个体变量和函数统一起来的一念。 原子谓词公式 定义2-5 原子谓词公式的含义为： 若t1,t2,tn是项，P是谓词，则称P(t1,t2,tn)为原子谓词公式。 合式公式 定义2-6 满足如下规则的谓词演算可得到合式公式： (1) 单个原子谓词公式是合式公式； (2) 若A是合式公式，则A也是

12、合式公式； (3) 若A,B是合式公式，则AB，AB，AB，AB也都是合式公式； (4) 若A是合式公式，x是项，则( x)A(x)和( x)A(x)都是合式公式。 例如，P(x,y)Q(y)，( x)(A(x)B(x)，都是合式公式。 连词的优先级 ,16,2.2.1一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)R(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

13、元 R(x，y)中的x和所有的y都是自由变元 变元的换名： 谓词公式中的变元可以换名。但需注意： 第一：对约束变元，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，对( x)P(x，y)，可把约束变元x换成z，得到公式( z)P(z，y)。 第二：对辖域内的自由变元，不能改成与约束变元相同的名字。 例，对( x)P(x，y)，可把y换成t，得到( x)P(x，t) ，但不能换成x 。,17,2.2.2 谓词逻辑表示方法(1/2),表示步骤： (1)先根据要表示的知识定义谓词 (2) 再用连词、量词把这些谓词连接起来 例2.1 表示知识“所有教师都有自己的学

14、生”。 定义谓词：T (x)：表示x 是教师。 S (y)：表示y是学生。 TS(x, y)：表示x是y的老师。 表示知识： ( 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。,18,2.2.2 谓词逻辑表示方法(2/2),例2.2 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 表示知识：( x)(I(x) E(x)O(x) 例2.3 表示如下知识： 王宏是计算机系的一名学生。 王宏和李明是同班同学。 凡是计算机系的学生都喜欢编

15、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和y是同班同学。 LIKE(x,y)：表示x喜欢y。 表示知识： COMPUTER(Wang Hong) CLASSMATE(Wang Hong, Li Ming) ( x)(COMPUTER(x) LIKE(x, programming),19,2.2.3 谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题(1/6),分别定义描述状态和动作的谓词 描述状态的谓词： TABLE(x)：x是桌子 EMPTY(y)：y手中是空的 AT(y, z)：y在z处 HOLDS(y, w)：y拿着w ON(w, x)

16、：w在x桌面上 变元的个体域： x的个体域是a, b y的个体域是robot z的个体域是a, b, c w的个体域是box,20,2.2.3 谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题(2/6),问题的初始状态： AT(robot, c) EMPTY(robot) ON(box, a) TABLE(a) TABLE(b) 问题的目标状态： AT(robot, c) EMPTY(robot) ON(box, b) TABLE(a) TABLE(b) 机器人行动的目标把问题的初始状态转换为目标状态，而要实现问题状态的转换需要完成一系列的操作,21,2.2.3 谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题(3/6),描述操作的谓词 条件部分：用来说明执行该操作必须具备的先决条件 可用谓词公式来表示 动作部分：给出了该操作对问题状态的改变