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1、人工智能原理人工智能原理( (符号计算科学符号计算科学) )Principles ofArtificial Intelligence第三章：第三章：知识表达知识表达与知识库与知识库Chapter 03Knowledge epresentationAnd Knowledge Base0101关于机器中的知关于机器中的知识识Section 01On the Knowledgein Machines0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.1 符号主义眼中的：符号主义眼中的： 知识与思维知识与思维符号主义认为：符号主义认为：知知识识的的表表现现形形式式是是符符号号，或或者者更更为为直直截截了了当当
2、地地，知识就是符号。知识就是符号。思思维维是是运运用用知知识识的的过过程程，因因而而，思思维维的的表表现现形形式式是是符符号号计计算算，或或者者更更为为直直截截了了当当地地，思思维维就就是是符符号计算。号计算。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.2 符号表达符号表达 PSS 中的符号中的符号人人脑脑是是物物理理符符号号系系统统，计计算算机机也也是是物物理理符符号号系系统统。然而，人脑和计算机处理的符号是不同的。然而，人脑和计算机处理的符号是不同的。人脑处理的符号：人脑处理的符号：自然语言符号自然语言符号计算机处理的符号：计算机处理的符号：数字数字 0 和和 1两两类类不不同同的的物物理
3、理符符号号系系统统一一般般具具有有不不同同的的符符号号体体系，除此之外，其符号的存储和操作方式也会不同。系，除此之外，其符号的存储和操作方式也会不同。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.2 符号表达符号表达 PSS 间的符号变换间的符号变换设设有有两两类类物物理理符符号号系系统统：PSS01 和和 PSS02。如如果果我我们们希希望望用用 PSS02 模模拟拟 PSS01，则则首首先先需需要要将将 PSS01 处理的符号变换为处理的符号变换为 PSS02 处理的符号。处理的符号。将将 PSS01 符符号号变变换换为为 PSS02 符符号号，需需要要建建立立起起 PSS01 符符号号与与
4、 PSS02 符符号号的对应的关系。的对应的关系。这种符号间对应的关系就是：这种符号间对应的关系就是：符号表达符号表达。物理符号系统物理符号系统PSS01物理符号系统物理符号系统PSS02符号表达符号表达0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.3 知识表达知识表达 人脑人脑机器的符号变换机器的符号变换知知识识表表达达也也是是符符号号表表达达，其其中中，PSS01 是是人人脑脑，而而 PSS02 则是机器或计算机。则是机器或计算机。知识表达知识表达PSS01PSS02换换句句话话说说，知知识识表表达达是是将将人人脑脑中中的的符符号号变变换换为为机机器器或或计计算算机机中中的的符符号号的的过过
5、程程，是是建建立立人人脑脑符符号号与与机机器器符符号号之之间间对对应应关关系系的过程。的过程。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.4 知识表达的目的知识表达的目的 让机器拥有知识让机器拥有知识实实际际上上，所所谓谓知知识识表表达达，就就是是知知识识的的形形式式化化。只只有形式化的知识才是机器可以存储和利用的知识。有形式化的知识才是机器可以存储和利用的知识。人人工工智智能能的的任任务务之之一一，就就是是让让机机器器或或计计算算机机拥拥有有知识，记忆或存储知识，记忆或存储 知识。知识。知知识识表表达达的的目目标标：对对人人脑脑处处理理的的符符号号，即即知知识识，进进行行新新的的描描述述，建
6、建立立人人脑脑中中的的知知识识与与符符号号计计算算机机中中的的符符号号之之间间的的对对应应关关系系，便便于于计计算算机机对对知知识识进进行行记记忆忆或或存储，操作或运算，推理或思维。存储，操作或运算，推理或思维。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.5 符号计算科学中的知识表达符号计算科学中的知识表达 from 人脑人脑 to 符号计算机符号计算机符符号号计计算算科科学学中中的的知知识识表表达达，并并非非面面向向数数字字计计算算机机的的知知识识表表达达，因因此此，知知识识并并不不直直接接变变换换为为数数字字 0 和和 1 的编码形式。的编码形式。符符号号计计算算科科学学中中的的知知识识表
7、表达达，是是面面向向符符号号计计算算机机的的知知识识表表达达，知知识识被被变变换换为为符符号号计计算算机机中中符符号号的的编编码码形式。形式。因此，符号计算科学中知识表达的目标是：因此，符号计算科学中知识表达的目标是：“建建立立人人脑脑中中的的知知识识与与符符号号计计算算机机中中的的符符号号之之间间的对应的关系。的对应的关系。”0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.6 从知识表达的角度从知识表达的角度 划分知识划分知识描描述述性性知知识识 (Declarative Knowledge)：关关于于事物概念和性质，以及关系的知识。事物概念和性质，以及关系的知识。过过程程性性知知识识 (Pro
8、cedural Knowledge)：关关于于事事物运动和发展，以及操作的知识。物运动和发展，以及操作的知识。元元知知识识 (Meta-Knowledge)：关关于于知知识识的的知知识识，控制和操作知识的知识。控制和操作知识的知识。符符号号计计算算中中的的知知识识表表达达将将涉涉及及描描述述性性知知识识和和过过程程性性知知识识。而而元元知知识识的的问问题题，留留待待符符号号计计算算中中的的问问题题求求解方法解方法去解决去解决。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.7 从谓词逻辑看知识表达从谓词逻辑看知识表达知识知识表达表达推理推理1. 知识知识(1) 人总是要死的人总是要死的(2) Jo
9、hn 是人是人2. 表达表达(1) xHuman(x)Mortal(x)(2) Human(John)3. 推理推理(1) 方法：归结原理方法：归结原理(2) 结论：结论：Mortal(John)即：即：John 是要死的是要死的0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.7 从谓词逻辑看知识表达从谓词逻辑看知识表达两个重要特性两个重要特性从从谓谓词词逻逻辑辑示示例例可可以以发发现现，知知识识表表达达方方法法应应具具备备两个重要特性：两个重要特性：(1)充充分分的的知知识识表表达达能能力力：有有能能力力表表达相关领域中的全部知识。达相关领域中的全部知识。(2)有有效效的的逻逻辑辑推推理理结结构
10、构：其其表表达达的的知识具有可利用性。知识具有可利用性。评评价价两两种种不不同同的的知知识识表表达达方方法法，其其重重要要依依据据便便在在于于它它们们的的知知识识表表达达的的能能力力，和和它它们们表表达达的的知知识所具有的可利用性。识所具有的可利用性。0101关于机器中的知识关于机器中的知识1.8 练习与思考练习与思考3-1 符号计算学派眼中的思维是什么？符号计算学派眼中的思维是什么？3-2 计计算算机机处处理理的的符符号号是是什什么么？依依你你的的观观点点，人人脑脑系系统统处理的符号是什么？处理的符号是什么？3-3 什么是符号表达？什么是知识表达？什么是符号表达？什么是知识表达？3-4 知识
11、表达方法应具备的主要特性是什么？知识表达方法应具备的主要特性是什么？3-5 阐阐述述 “知知识识表表达达是是人人脑脑系系统统处处理理的的符符号号与与符符号号计计算算机机处处理理的的符符号号之之间间的的对对应应的的关关系系。” 这这一一表表述述的的合合理性或不合理性。理性或不合理性。0202产生式规则产生式规则Section 02Production Rules0202产生式规则产生式规则2.1 产生式概念产生式概念 ProductionWinston 认认为为，知知识识可可以以被被包包装装在在一一种种称称为为产产生式的基本形式中。生式的基本形式中。所谓所谓产生式产生式，即：，即：Product
12、ion或称或称产生式规则产生式规则，即：，即：Production Rule产产生生式式或或产产生生式式规规则则具具有有很很强强的的描描述述或或表表达达描描述性知识和过程性知识的能力述性知识和过程性知识的能力。0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构产产生生式式 (规规则则) 的的基基本本形形式式是是 ifthen 结构，即：结构，即：如果：如果：前提前提 那么：那么：结论结论if conditions then conclusions 或或简单地写作：简单地写作：前提前提结论结论conditionsconclusions0202产生式规则产生式规
13、则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构Stimulus Response(由由 “刺激刺激” 到到 “响响应应”)Perception Actions(由由 “感知感知” 到到 “行动行动”)Patterns Options (由由 “模式模式” 到到 “选选择择”)States Operations (由由 “状态状态” 到到 “操操作作”)产产生生式式系系统统是是一一种种智智能能机机器器，一一种种所所谓谓的的 “感感知知行行动动” 机机构构 (PerceptionAction Agent)，而而每每一一条条产产生生式式或或产产生生式式规规则则就就是是一一个个微微小小的
14、的 “感感知知行行动动” 子机构，其中，子机构，其中，ifthen 结构可表达：结构可表达：0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构一个一般的产生式规则可表述为一个一般的产生式规则可表述为：if 结论结论 1 结论结论 2 结论结论 m 前提前提 1 前提前提 2 前提前提 n then0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构一一个个具具有有 “或或” 的的前前提提关关系系的的产产生生式式规规则则是是可分解的，如产生式可分解的，如产生式：if 前提前提 1 or 前提前提 2 then 结论结论 可分解
15、为：可分解为：if 前提前提 1 then 结论结论 if 前提前提 2 then 结论结论 因因此此，我我们们规规定定产产生生式式中中的的前前提提关关系系只只包包含含 “and” 的的关系。关系。0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构一一个个具具有有多多个个结结论论的的产产生生式式规规则则是是可可分分解解的的，如产生式如产生式：if 前提前提 then 结论结论 1 and 结论结论 2 可分解为：可分解为：if 前提前提 then 结论结论 1if 前提前提 then 结论结论 2因因此此，我我们们规规定定产产生生式式中中的的结结论论只只包包
16、含含一一种种不不可分解的结论可分解的结论。0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构因因此此，我我们们将将一一个个标标准准的的产产生生式式规规则则规规定定为为如如下下形形式式，其其中中，前前提提之之间间的的关关系系为为 “and” 关系关系：if结论结论 前提前提 1 前提前提 2 前提前提 n then0202产生式规则产生式规则2.2 产生式的形式产生式的形式 if-then 结构结构更进一步，每一条产生式规则都可标准更进一步，每一条产生式规则都可标准化为具有两个前提和一个结论的形式，化为具有两个前提和一个结论的形式，其中，两个前提具有其中，两个前提具有 “and” 关系：关系：if 结论结论 前提前提 1 前提前提 2 then问题：问题：为什么？怎么标准化？为什么？怎么标准化？0202产生式规则产生式规则2.3 产生式的产生式的 Lisp 实现实现表达动物学知识表达动物学知识我我们们有有一一个个很很小小的的关关于于动动物物的的描描述述性性知知识识集集，共共 16 条知识，其中，每一条知识都由自然语言描述。条知识，其中，每一条知识都由自
