人工智能导论(2)——知识表示(Knowledge Representation)
文章目录
- 一、 概述
- 二、 知识重点
- 三、 思维导图
- 四、重点知识笔记
- 1. 知识的概念
- 1.1 知识的定义
- 1.2 知识的特点
- 1.3 知识表示
- 2. 一阶谓词表示法
- 2.1 谓词及谓词公式
- 2.1 谓词逻辑表示
- 3. 产生式表示法
- 3. 语义网络表示法
- 4. 框架表示法
- 5. 面向对象方法简介
一、 概述
知识表示是智能系统的重要基础,人工智能中十分重要的研究课题。
为方便记忆和回顾,根据个人学习,总结人工智能基础知识和思维导图形成系列。
二、 知识重点
- 知识是什么,有什么特点
- 知识表示的概念及分类
- 典型知识表示方法
- 一阶谓词表示法基本概念,谓词公式语法
- 产生式表示方法
- 语义网络表示方法
- 框架表示方法
- 面向对象表示法的主要观点
三、 思维导图
四、重点知识笔记
1. 知识的概念
1.1 知识的定义
知识是人类对客观世界的认识和经验。
知识是经过加工的信息。是把有关信息关联在一起所形成的信息结构。
1.2 知识的特点
- 相对正确性:任何知识都是在一定条件和环境下产生的,在特定的条件和环境下才是正确的。
- 不确定性:随机性引起的、模糊性引起的、经验引起的、不完全性引起的
- 可表示性与可利用性:知识可以用适当的形式表示出来,如语言、文字、图形、神经网络等。
1.3 知识表示
机器表示知识的一般方法。 将人类知识形式化或者模型化。
知识表示=数据结构+处理机制
知识表示的原则
- 正确有效的表示知识
- 便于理解和实现
- 便于知识组织、维护、管理
- 便于利用
- 便于知识获取
知识表示的分类
- 陈述性知识表示:以数据的形式表示(将知识表示与知识运用分开处理)简洁、严谨;工作效率低
- 过程性知识表示:知识表示形式是一个过程(将知识表示和知识运用相结合)不够严格,不易修改;易于推理
主要知识表示方法
- 谓词逻辑表示法
- 语义网络表示法
- 框架表示法
- 过程表示法
- Petri网表示法
- 面向对象表示法
- 人工神经元网络(ANN)表示法
2. 一阶谓词表示法
谓词逻辑是能够表示人类思维活动规律的一种精确的形式语言。 谓词逻辑是知识的形式化表示、定理的自动证明等研究的基础。
2.1 谓词及谓词公式
用来描述或判定对象性质、特征或者对象之间关系的词项,具有真假语义题。
示例:“武汉是个美丽的城市” 用谓词表示为
美丽的城市(武汉)
或者BCity(Wuhan)
。
谓词类似于一个布尔类型函数。
语法元素
- 常量符号:表示常量的符号,常量可以是现实世界中的对象
- 变量符号:变量,未指定对象的符号,类似于函数变量
- 函数符号:函数f包含个体数目为n,称f为n元函数符号(函数为定义域到值域的映射)
- 谓词符号:谓词P包含个体数目为n,称P为n元谓词符号(谓词为定义域到{真,假}的映射
- 连接词:用于谓词之间的运算
- ¬:否定(Negation):复合公式¬Q 表示“非Q”
- ∧:合取(Conjunction):复合公式P∧Q 表示“P 与Q”
- ∨:析取(Disjunction):复合公式P∨Q 表示“P 或Q”
- →:条件(Condition):复合公式P→Q 表示“如果P那么Q”
- ↔:双条件(Bicondition):复合公式P↔Q 表示“如果P,那么Q;如果Q,那么P”
- 量词
- ∀x:全称量词,x 称为量词的指导变量
- ∃x:存在量词
谓词的阶
- 如果谓词中的所有个体都是常量、变量或函数,那么谓词为一阶谓词
- 如果谓词P中的某个个体本身又是一个一阶谓词,那么P为二阶谓词,以此类推。
谓词公式的定义
- 单个谓词是谓词公式
- 每一个谓词公式都可求出一个真值(T或F)
- 常量、变量、函数都可以是一阶谓词的个体
- 若P、Q 是合式公式,则¬P、P∧Q、P∨Q、P→Q、P↔Q 也是谓词公式
- 连接词优先级从高到低排列:¬、∧、∨、→、↔
- 若P 是合式公式,则(∀x)P、(∃x)P 也是谓词公式
- 有限步应用以上动作生成的公式也是谓词公式
2.1 谓词逻辑表示
谓词逻辑表示的步骤
- 定义谓词和个体
- 为变量赋值(个体作为值)
- 连接词连接谓词,形成谓词公式
示例:
#武汉是个美丽的城市,但不是沿海城市。谓词逻辑表示为:
是个美丽的城市(武汉) ∧ ¬是个沿海城市(武汉) #机器人站在墙边,手里没有拿东西,桌子上放着积木。谓词逻辑表示为:
在旁边站着(机器人,墙) ∧ 手空着(机器人) ∧ 在上面(积木,桌子)#机器人拿起积木,谓词表示方法为:
#删除"手空着(机器人)∧在上面(积木,桌子)",增加"拿着(机器人,积木)",如下:
在旁边站着(机器人,墙) ∧ 拿着(机器人,积木)
3. 产生式表示法
在研究人类的认知模型中开发了基于规则的产生式系统。
通常用于表示事实、规则以及他们的不确定性度量。
产生式通常用于表示具有因果关系的知识,其基本形式为IF P THEN Q
产生式表示方法
- 确定性规则知识的产生式表示P→Q:IF P THEN Q
- P是产生式的前提,Q是一组结论或操作
- 比如:IF 动物会飞 AND 会下蛋 该动物是鸟 IF 温度高于30度 THEN 关门
- 产生式可以提供操作,谓词公式不能提供操作
- 不确定性规则知识的产生式表示 P→Q(可信度):IF P THEN Q(可信度)
- 比如:IF 发烧 THEN 感冒(0.6)
- 确定性事实知识的产生式表示
- 三元组表示:(对象,属性,值) 或者:(关系,对象1,对象2)
- 比如:(老李,年龄,40)
- 比如:(朋友,老王,老李)
- 不确定性事实知识的产生式表示
- “四元组表示:(对象,属性,值,置信度)” 或者:(关系,对象1,对象2,置信度)
- 比如:(老李,年龄,40,0.8) (朋友,老王,老李,0.1)
形式描述及语义
产生式可以用巴克斯BNF范式描述:
<产生式>::=<前提> <结论>::=表示定义为 空格分开表示顺序执行 |表示或者是 []表示可选 <前提>::=<简单条件>|<复合条件> <复合条件>::=<简单条件>AND<简单条件>[AND...]|<简单条件>OR<简单条件>[OR...] <结论>::=<事实>|<操作><操作>:=<操作名>[(<变量>,...)]
也就是说P和Q可以包含多个语句,用AND或OR连接。
产生式系统
一组产生式可以放在一起,相互配合,一个产生式生成的结论供另一个产生式
作为已知事实,获得问题的解决,这样的系统称为产生式系统。
产生式系统由3部分组成:
- 规则库:用于描述某领域内的知识(规则)的产生式集合
- 综合数据库:(事实库、上下文)一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构
- 控制系统(推理机):由一组程序组成, 负责系统的运行, 实现对问题的求解
控制系统从综合数据库中提取事实前提,应用规则库的规则进行推理,解决问题。
3. 语义网络表示法
语义网络表示法是研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型。
语义网络是一种通过概念及其语义联系(关系)来表示知识的有向图。
表示方法
用框图表示,框图包括节点和有向弧组成。
- 节点用来表示事物的名称、概念、属性、状态、事件及动作等
- 弧有方向、有标注。表示事物之间的关系,即语义关系
典型的示例如下:
图中AKO,Have等表示语义关系。基本语义关系如下:
- 从属关系
- AKO(A-Kind-Of):属于…类型。例如: 苹果树 AKO 树 AKO 植物
- AMO(A-Member-Of):是…的成员。例如:小明 AMO x班学生
- ISA(Is-A):是一个…。例如:参观者 ISA 人
- 包含关系
- APO(A-Part-Of):是…的一部分。例如: 轮胎 APO 汽车
- CO(Composed-Of):由…构成。例如:整数 CO 正整数 零 负整数
- 属性关系
- Have:有…属性。例如:树 Have 叶
- Can:能够做…事情。例如:鸟 Can 飞
- 时间关系
- Before:在…时间之前。例如:小明毕业 Before 小王毕业
- After:在…时间之后
- 位置关系
- On:在…上
- At:在…位置。例如:积木 At 桌面
- Under:在…之下
- Inside:在…之内
- Outside:在…之外
- 相近关系
- Similar-to
- Near-to
- 推论关系
- BO(because-Of):由于…
- FOR:为了…
- THEN:则…
- GET:得到…
- 复合逻辑
- NOR(非)
- AND(与)。例如: 时间→与←地点
- OR(或)
语义网络还可以表示情况、动作和 事件的表示等。示例如下:
语义网络表示知识的步骤
- 确定对象和对象的属性
- 确定对象间的关系
- 根据语义网络涉及的关系,整理结点(对象结点、动作结点、情况结点)和弧
任何复杂的语义关系,都可以通过许多基本的语义关系予以关联来实现
语义网络的推理过程
用语义网络表示知识的问题求解系统主要由两部分组成,一部分是由语义网络构成
的知识库,另一部分是用于问题求解的推理机。
语义网络的推理过程主要有两种:继承和匹配。
- 继承推理:上层结点的属性传递到下层结点。比如动物的特征会传递到鸟、鱼等
- 匹配推理:从知识库的语义网络中寻找与目标问题相符的语义网络模式
4. 框架表示法
框架是一种描述对象属性的数据结构。是表示某类情景的结构化数据结构。
框架的组成
- 框架由若干个称为“槽"的结构组成
- 槽描述对象某一方面的属性
- 每个槽划分为若干个”侧面“
- 侧面描述相应属性的一个方面
槽和侧面的属性值分别被称为槽值和侧面值
框架一般结构
<框架名> 槽名1: 侧面名 侧面值,侧面值...侧面名 侧面值,侧面值.......... 槽名n: 侧面名 侧面值,侧面值...侧面名 侧面值,侧面值......约束:约束条件
示例:
框架名:<教师>姓名:姓、名年龄:xxx岁性别:范围(男、女) 缺省:男住址:<住址框架>...
框架的特点
- 继承性
- 比如:地震框架、洪水框架、台风框架都可以继承自自然灾害事件框架
- 结构化
- 自然性
5. 面向对象方法简介
面向对象方法的主要观点
- 世界由”对象“组成,任何事物都是对象
- 复杂的对象由简单的对象组成
- 对象被分成各种对象类
- 对象间出了互递消息外,不再有其他联系
- 对象按类、子类、父类等概念形成一种层次或树形关系
面向对象方法与面向对象的编程语言思想基本一致,用类抽象世界,用对象表示
世界,用封装、继承、消息来表示推理规则。
个人总结,部分内容进行了简单的处理和归纳,如有谬误,希望大家指出,持续修订更新中。
修订历史版本见:https://github.com/hustlei/AI_Learning_MindMap
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