1、第二章 知識(shí)表示,知識(shí)就是力量,1,2,第2章 知識(shí)表示,2.1 知識(shí)表示與知識(shí)表示的概念 2.2 一階謂詞邏輯表示法 2.3 產(chǎn)生式表示法 2.4 語義網(wǎng)絡(luò)表示法 2.5 框架表示法 2.6 狀態(tài)空間表示法 2.7 問題規(guī)約表示法 2.8 劇本表示法 2.9 面向?qū)ο蟊硎痉?3,2.1.1 知識(shí)的概念-何謂知識(shí)（一）,知識(shí)的一般概念 知識(shí)是人們?cè)诟脑炜陀^世界的實(shí)踐中積累起來的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn) 認(rèn)識(shí)：包括對(duì)事物現(xiàn)象、本質(zhì)、屬性、狀態(tài)、關(guān)系、聯(lián)系和運(yùn)動(dòng)等的認(rèn)識(shí) 經(jīng)驗(yàn)：包括解決問題的微觀方法，如步驟、操作、規(guī)則、過程、技巧等 宏觀方法，如戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)、計(jì)謀、策略等 知識(shí)、信息、數(shù)據(jù)及其關(guān)系 原因：認(rèn)識(shí)客觀

2、世界的前提是能對(duì)其描述，而描述由數(shù)據(jù)和信息來實(shí)現(xiàn)的 解釋：數(shù)據(jù)是為描述客觀事物而引入的一些數(shù)字、符號(hào)、文字等 信息是對(duì)客觀事物的一般性描述，它還不是知識(shí)。數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)。 關(guān)系：數(shù)據(jù)是信息的載體，本身無確切含義，其關(guān)聯(lián)構(gòu)成信息 信息是數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，賦予數(shù)據(jù)特定的含義，僅可理解為描述性知識(shí) 知識(shí)可以是對(duì)信息的關(guān)聯(lián)，也可以是對(duì)已有知識(shí)的再認(rèn)識(shí) 例如：(1) if 計(jì)算機(jī)能聽懂人類語言 then 可直接與計(jì)算機(jī)對(duì)話 (2) if 計(jì)算機(jī)能聽懂人類語言就可直接與計(jì)算機(jī)對(duì)話 then 人類將努力研究自然語言理解問題,4,2.1.1 知識(shí)的概念-何謂知識(shí)（二）,“知識(shí)”有代表性的定義 （1）知識(shí)是經(jīng)過剪裁、塑

3、造、解釋、選擇和轉(zhuǎn)換了的信息 （2）知識(shí)由特定領(lǐng)域的描述、關(guān)系和過程組成 （3）知識(shí)=事實(shí)+信念+啟發(fā)式 “信息”與“關(guān)聯(lián)”是構(gòu)成知識(shí)的兩個(gè)要素。信息之間關(guān)聯(lián)的形式可以多種多樣，最常見的一種形式是： “如果。，則?！?5,2.1.1 知識(shí)的概念-知識(shí)的屬性,真假性與相對(duì)性 真假性：可以通過實(shí)踐和推理來證明知識(shí)是真的還是假的 相對(duì)性：非絕對(duì)性。知識(shí)的真與假是相對(duì)于條件、環(huán)境、事件而言的 不確定性 不完備性：解決問題時(shí)不具備解決該問題的全部知識(shí) 不精確性：知識(shí)本身有真假之分，但由于認(rèn)識(shí)水平限制說不清其真假 這時(shí)可由可信度、概率等進(jìn)行描述。 模糊性：知識(shí)的邊界本身就是不清楚的(人的相貌) 用可能性、

4、隸屬度來描述（模糊搜索） 矛盾性和相容性 矛盾性：同一知識(shí)集中的知識(shí)之間相互對(duì)立或不一致（保健專家系統(tǒng)） 相容性：一個(gè)知識(shí)集中的所有知識(shí)之間相互不矛盾 可表示性與可利用性 可表示性：知識(shí)可用適當(dāng)?shù)男问奖硎境鰜怼Ｈ缯Z言、文字、圖形等 可利用性：知識(shí)可用來解決各種各樣的問題,6,2.1.1 知識(shí)的概念-知識(shí)的類型（一）,按知識(shí)的性質(zhì) 概念、命題、公理、定理、規(guī)則和方法 按知識(shí)的作用域 常識(shí)性知識(shí)：通用通識(shí)的知識(shí)。人們普遍知道的、適應(yīng)所有領(lǐng)域的 領(lǐng)域性知識(shí)：面向某個(gè)具體專業(yè)領(lǐng)域的。該領(lǐng)域?qū)＜也胖赖?如：專家經(jīng)驗(yàn)。專家系統(tǒng)擁有的是此類知識(shí) 按知識(shí)的作用效果 事實(shí)性知識(shí)：（敘述性知識(shí)）描述事物的概念、

5、定義、屬性等 （神5實(shí)現(xiàn)了中華民族的飛天夢(mèng)想） 問題的狀態(tài)、環(huán)境、條件等（氣溫逐漸下降） 過程性知識(shí)：用于問題求解過程的操作、演算和行為的知識(shí) 用來指出如何使用那些與問題有關(guān)的事實(shí)性知識(shí)的知識(shí) 由與求解問題有關(guān)的規(guī)則、定律、定理及經(jīng)驗(yàn)所構(gòu)成 例如：AX2+BX+C=0 控制性知識(shí)：即元知識(shí)或超知識(shí) 如何使用知識(shí)的知識(shí)，也稱為關(guān)于知識(shí)的知識(shí)。 例如：推理策略、搜索策略(深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先、啟發(fā)式) 不確定性的傳播策略,7,2.1.1 知識(shí)的概念-知識(shí)的類型（二）,按知識(shí)的層次 表層知識(shí)：客觀事物的現(xiàn)象及這些現(xiàn)象與結(jié)論之間關(guān)系的知識(shí) 他描述簡單，但不反映事物的本質(zhì)。 如：經(jīng)驗(yàn)、感性、事實(shí)性知識(shí)（專

6、家系統(tǒng)） 深層知識(shí)：客觀事物本質(zhì)、因果關(guān)系內(nèi)涵、基本原理之類的知識(shí) 如：理論知識(shí)、理性知識(shí)(數(shù)據(jù)挖掘) 按知識(shí)的確定性 確定性知識(shí)：可以說明其真值為真或?yàn)榧俚闹R(shí) 不確定性知識(shí)：不能確切說明其真假或不能完全知道的知識(shí) 包括：不精確、模糊、不完備 按知識(shí)的等級(jí) 零級(jí)知識(shí)：敘述性知識(shí)。描述事物的屬性，問題的狀態(tài)等 一級(jí)知識(shí)：過程性知識(shí)。經(jīng)驗(yàn)型、啟發(fā)性的知識(shí) 二級(jí)知識(shí)（元知識(shí)、超知識(shí)）：如何使用一級(jí)知識(shí) 三級(jí)知識(shí)（元元知識(shí)）,8,2.1.2 知識(shí)表示的概念-知識(shí)表示的含義及要求,什么是知識(shí)表示 是對(duì)知識(shí)的描述，即用一組符號(hào)把知識(shí)編碼成計(jì)算機(jī)可以接受的某種結(jié)構(gòu)。其表示方法不唯一。(請(qǐng)對(duì)比計(jì)算機(jī)如何了解

7、5V電壓信號(hào)？) 知識(shí)表示的要求（難度很大） 表示能力：能否正確、有效地將問題求解所需的各種知識(shí)表示出來 表示范圍的廣泛性 領(lǐng)域知識(shí)表示的高效性 對(duì)非確定性知識(shí)表示的支持程度 可利用性：利用這些知識(shí)進(jìn)行推理，可以求得待解決問題的解 對(duì)推理的適應(yīng)性：推理是根據(jù)已知事實(shí)利用知識(shí)導(dǎo)出結(jié)果的過程 對(duì)高效算法的支持程度：知識(shí)表示要有較高的處理效率 可實(shí)現(xiàn)性：要便于計(jì)算機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行處理 可組織性：可以按某種方式把知識(shí)組織成某種知識(shí)結(jié)構(gòu) 可維護(hù)性：便于對(duì)知識(shí)的增、刪、改等操作（知識(shí)的一致性） 自然性：符合人們的日常習(xí)慣 可理解性：知識(shí)應(yīng)易讀、易懂、易獲取等,9,2.1.2 知識(shí)表示的概念-知識(shí)表示的觀點(diǎn)及

8、方法,知識(shí)表示的觀點(diǎn) 陳述性觀點(diǎn)：知識(shí)按某種結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，知識(shí)的使用由過程來實(shí)現(xiàn) 優(yōu)點(diǎn)：靈活、簡潔，演繹過程完整、確定，知識(shí)維護(hù)方便 缺點(diǎn)：推理效率低、推理過程不透明（1965歸結(jié)定理） 過程性觀點(diǎn)：知識(shí)寓于使用知識(shí)的過程中，表示與運(yùn)用相結(jié)合（P38） 。 優(yōu)點(diǎn)：推理效率高、過程清晰 缺點(diǎn)：靈活性差、知識(shí)維護(hù)不便 知識(shí)表示的方法 邏輯表示法：一階謂詞邏輯 產(chǎn)生式表示法：產(chǎn)生式規(guī)則 結(jié)構(gòu)表示法：語義網(wǎng)絡(luò)，框架，腳本 過程表示法： 面向?qū)ο蟊硎痉ǎ?10,2.2 一階謂詞邏輯表示法,本節(jié)主要討論： 一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ) 僅與知識(shí)表示有關(guān)的，推理有關(guān)的在下一章 命題和真值；論域和謂詞；連詞和量詞；

9、 項(xiàng)與合式公式；自由變?cè)c約束變?cè)?謂詞邏輯表示的方法 謂詞邏輯表示的應(yīng)用 謂詞邏輯表示的特性,11,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-命題與真值,命題的定義： 斷言：一個(gè)陳述句稱為一個(gè)斷言 命題：具有真假意義的斷言成為命題 可以用大寫字母表示命題，如： A: 天在下雨。 B: 天晴 C: 人是會(huì)死的 D: 他在哭 命題的真值： T：表示命題的意義為真 F：表示命題的意義為假 表達(dá)單一意義的命題稱為“原子命題”。 命題邏輯就是研究命題和命題之間關(guān)系的符號(hào)邏輯系統(tǒng)。,12,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-論域和謂詞（一）,論域：由所討論對(duì)象的全體構(gòu)成的集合。也稱為個(gè)體域 個(gè)體：論域中的元素。 謂詞：在謂詞

10、邏輯中命題是用形如P(x1,x2,xn)的謂詞來表示的 謂詞名：是命題的謂語，表示個(gè)體的性質(zhì)、狀態(tài)或個(gè)體之間的關(guān)系 個(gè)體：是命題的主語，表示獨(dú)立存在的事物或概念 定義2.2 設(shè)D是個(gè)體域，P：DnT，F(xiàn)是一個(gè)映射，其中 則稱P是一個(gè)n元謂詞，記為 P(x1,x2,xn) 其中，x1,x2,xn為個(gè)體，可以是個(gè)體常量、變?cè)秃瘮?shù)。 例如：GREATER(x,6) x大于6 STUDENT(wanghong ) 王紅是一名學(xué)生 TEACHER(father(zhang) 張的父親是一位教師,13,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-連詞,連詞： ：稱為“非”或者“否定”。它表示對(duì)其后面的命題的否定 ：稱為

11、“析取”。它表示所連結(jié)的兩個(gè)命題之間具有“或” ：稱為“合取”。 它表示所連結(jié)的兩個(gè)命題之間具有“與”的關(guān)系。 ：稱為“條件”或“蘊(yùn)含”。表示“若則”的語義。讀作“如果P，則Q”。 其中，P稱為條件的前件，Q稱為條件的后件。 ：稱為“雙條件”。它表示“當(dāng)且僅當(dāng)”的語義。即讀作“P當(dāng)且僅當(dāng)Q”。 例如，對(duì)命題P和Q，PQ表示“P當(dāng)且僅當(dāng)Q”，,14,蘊(yùn)含關(guān)系的困惑 ?-例子,蘊(yùn)含詞“若P則Q”與自然語言中的“若P則Q(同屬)”既有相似之處，也有本質(zhì)上的區(qū)別。 如果P是真的，Q是假的，那么復(fù)合命題“若P則Q”是假的。 如果P是假的，那么不管Q是真是假，復(fù)合命題“若P則Q”都是真的。 “如果今天下雨

12、，那么我們就呆在家里” （1）如果今天下雨了，我們呆在家里了，那么復(fù)合命題顯然是真的。 （2）如果今天下雨了，我們卻沒有呆在家里，那么這顯然違背了原命題，即復(fù)合命題是假的。 （3）如果今天沒有下雨，那么不管我們是否呆在家里都不能認(rèn)為我們違背了復(fù)合命題的要求，即復(fù)合命題是真的。,15,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-量詞,量詞： ：全稱量詞，意思是“所有的”、“任一個(gè)” 命題( x)P(x)為真，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)論域中的所有x，都有P(x)為真 命題( x)P(x)為假，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)論域中的所有x，都有P(x)為假 ：存在量詞，意思是“至少有一個(gè)”、“存在有” 命題( x)P(x)為真，當(dāng)且僅當(dāng)至少存在一個(gè)

13、xi D，使得P(xi)為真 命題( x)P(x)為假，當(dāng)且僅當(dāng)至少存在一個(gè)xi D，使得P(xi)為假,16,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-項(xiàng)與合式公式,合法的謂詞表達(dá)式稱為合式公式（即謂詞公式） 。由“項(xiàng)” 來定義。 個(gè)體常量、個(gè)體變量和函數(shù)稱為項(xiàng)。 定義2-5 原子謂詞公式的含義為： 若t1，t2，tn是項(xiàng)，P是謂詞符號(hào)，則稱P(t1，t2， ，tn ) 為原子謂詞公式。 定義2-6 滿足如下規(guī)則的謂詞演算可得到合式公式： 單個(gè)原子謂詞公式是合式公式； 若A是合式公式，則A也是合式公式； 若A，B是合式公式，則AVB，AB，AB，AB也都是合式公式； 若A是合式公式，x是項(xiàng)，則( x)A和

14、( x)A也都是合式公式。 根據(jù)以上是合式公式的形成規(guī)則，可以形成任意復(fù)雜的合式公式。 例如，P(x，y)VQ(y)，( x)(A(x)B(x)，都是合式公式。 連詞的優(yōu)先級(jí)： ， ， V，,17,一階謂詞邏輯表示的邏輯基礎(chǔ)-自由變?cè)c約束變?cè)?轄域：指位于量詞后面的單個(gè)謂詞或者用括弧括起來的合式公式 約束變?cè)狠犛騼?nèi)與量詞中同名的變?cè)Q為約束變?cè)?自由變?cè)翰皇芗s束的變?cè)Q為自由變?cè)?例子：( x)(P(x，y)Q(x，y)VR(x，y) 其中，(P(x，y)Q(x，y)是(x)的轄域 轄域內(nèi)的變?cè)獂是受( x)約束的變?cè)?R(x，y)中的x和所有的y都是自由變?cè)?變?cè)膿Q名： 謂詞公式中的

15、變?cè)拿质菬o關(guān)緊要的，可以換名。但需注意兩點(diǎn) 第一，當(dāng)對(duì)量詞轄域內(nèi)的變?cè)麜r(shí)，必須把同名的約束變?cè)冀y(tǒng)一換成另外一個(gè)相同的名字，且不能與轄域內(nèi)的自由變?cè)＠?，?duì)公式( x(P(x，y)，可把約束變?cè)獂換成z，得到公式( z)(P(z，y)。 第二，當(dāng)對(duì)轄域內(nèi)的自由變?cè)麜r(shí)，不能改成與約束變?cè)嗤拿帧＠纾瑢?duì)公式( x)(P(x，y)，可把自由變?cè)獃換成t（但不能換成x），得到公式( z)(P(z，t)。,18,謂詞邏輯表示方法（一）,表示步驟：先根據(jù)表示的知識(shí)定義謂詞 再用連詞、量詞把這些謂詞連接起來（事實(shí)、因果） 例2.1 表示“每個(gè)人都有父親” 定義謂詞：P(x) 表示x是

16、人 HF(x,y) 表示x有父親y 表示知識(shí)：( x)( y)(P (x) HF (x, y) P (y) 例2.2 表示知識(shí)“所有教師都有自己的學(xué)生”。 定義謂詞：T (x)：表示x 是教師。 S (x)：表示x是學(xué)生。 TS(x, y)：表示x是y的老師。 此時(shí)，該知識(shí)可用謂詞表示為： ( x)( y)(T (x) TS(x, y) S (y) 可讀作：對(duì)所有x，如果x是一個(gè)教師，那么一定存在一個(gè)個(gè)體y，y的老師是x，且y是一個(gè)學(xué)生。,19,謂詞邏輯表示方法（二）,例2.3 表示知識(shí)“所有的整數(shù)不是偶數(shù)就是奇數(shù)”。 定義謂詞：I(x)：x是整數(shù)， E(x)：x是偶數(shù)， O(x)：x是奇數(shù)

17、知識(shí)的謂詞表示為： ( x)(I(x) E(x) O(x) 例2.4 表示如下知識(shí)： 王宏是計(jì)算機(jī)系的一名學(xué)生。 李明是王宏的同班同學(xué)。 凡是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生都喜歡編程序。 定義謂詞： COMPUTER(x)：表示x是計(jì)算機(jī)系的學(xué)生。 CLASSMATE(x,y)：表示x是y的同班同學(xué)。 LIKE(x,y)：表示x喜歡y。 上述知識(shí)表示為： COMPUTER(Wanghong) CLASSMATE(Liming, Wanghong) ( x)(COMPUTER(x) LIKE(x, programing),20,練習(xí),用一階謂詞邏輯表示下面的句子： 自然數(shù)都是大于零的整數(shù)。 所有整數(shù)不是偶數(shù)就是奇數(shù)。 并不是所有的學(xué)生都選修了歷史和生物。 歷史考試中只有一個(gè)學(xué)生不及格。 除了選修人工智能的學(xué)生外，都去舞會(huì)了。,21,謂詞邏輯表示的應(yīng)用-機(jī)器人移盒子問題（一）智能規(guī)劃NP旅行規(guī)劃、自動(dòng)武器等,謂詞可用來描述狀態(tài)、動(dòng)作:機(jī)器人從c點(diǎn)出發(fā)，將盒子從a桌拿到b桌，然后再回到c處。 研究的對(duì)象： 桌子x的個(gè)體域是a, b 機(jī)器人y的個(gè)體域是ro