人工智能-第二章课件

知识与知识表示的概念 一阶谓词逻辑表示法 产生式表示法 语义网络表示法 框架表示法 其它表示法,第二章 知识表示,知识 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。 数据：是指人们为了描述客观世界中的具体事物而引入的一些数字、字符、文字等符号或符号的组合。 信息：是指用不同数据组成的一种结构。 数据是信息的载体和表示。 信息是数据在特定场合下的含义，或者说信息是数据的语义。,第二章 知识表示,知识 知识是对信息进行智能性加工所形成的对客观世界规律性的认识。 三个有代表性的定义 知识是经过消减、塑造、解释、选择和转换的信息。 知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。 知识事实信念启发式。,第二章 知识表示,知识 知识的属性 真假性与相对性 真假性是指可以通过实践或推理来证明知识为真或为假。 相对性是指知识的真与假是相对于某些条件、环境及时间而言。 不确定性 不确定性包括不完备性、不精确性与模糊性。,第二章 知识表示,知识 不完备性是指在解决问题时不具备解决该问题所需要的全部知识。 不精确性是指知识所具有的既不能完全被确定为真，又不能完全被确定为假的特性。 模糊性是指知识的“边界”不明确的特性。,第二章 知识表示,知识 矛盾性和相容性 矛盾性是指同一个知识集中的不同知识之间相互对立或不一致，即从这些知识出发，会推出不一致的结论。 相容性是指同一个知识集中的所有知识之间互相不矛盾。,第二章 知识表示,知识 可表示性和可利用性 可表示性是指知识可以用适当的形式表示出来。 可利用性是指知识可以被用来解决各种各样的问题。 知识的类型 按知识的性质：概念、命题、公理、定理、规则和方法等。,第二章 知识表示,知识 按知识的作用范围：常识性知识和领域性知识。 按知识的作用：事实性知识、过程性知识和控制性知识。 事实性知识是用来描述问题或事物的概念、属性、状态、环境及条件等情况的知识。 过程性知识是用来描述问题求解过程所需要的操作、演算或行为等规律性知识。,第二章 知识表示,知识 控制性知识是关于如何运用已有知识进行问题求解的知识。 按知识的层次：表层知识和深层知识。 表层知识是指客观事物的现象以及这些现象与结论之间关系的知识。 深层知识是指事物本质、因果关系内涵、基本原理之类的知识。,第二章 知识表示,知识 按知识的确定性：确定性知识和不确定性知识。 确定性知识是可以给出其真值为“真”或“假”的知识。 不确定性知识是指具有“不确定”特性的知识。 按知识的等级：零级知识、一级知识和二级知识等。,第二章 知识表示,知识 零级知识是指问题领域内的事实、定理、方法、实验对象和操作等常识性和原理性知识。 一级知识是指具有经验性、启发性的知识。 二级知识是指如何运用上述两级知识的知识。 按知识的结构及表现形式：逻辑性知识和形象性知识。 逻辑性知识是反映人类逻辑思维过程的知识。 形象性知识是通过事物的形象建立起来的知识,第二章 知识表示,知识表示 知识表示：就是对知识的一种描述，即用一些约定的符号把知识编码成一组计算机可以接受的数据结构。 知识表示的要求 表示能力：是指能否正确、有效地将问题求解所需要地各种知识表示出来。（范围的广泛性；高效性；支持程度）。 可利用性：是指使用知识进行推理，以求得问题的解。,第二章 知识表示,知识表示 可组织性与可维护性 知识的组织是指把有关知识按照某种方式组成一种知识结构。 知识维护是指在保证知识的一致性与完整性的前提下对知识所进行的增加、删除、修改等操作。 可实现性：是指知识表示要便于在计算机上实现，便于直接由计算机对其进行处理。,第二章 知识表示,知识表示 自然性与可理解性 自然性是指知识表示形式要符合人们的日常习惯和思维方式。 可理解性是指所表示的知识应易读、易懂、易获取、易维护。 知识表示方法 目前使用较多的有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、语义网络表示法、框架表示法等。,第二章 知识表示,一阶谓词逻辑表示法 一阶谓词逻辑表示法是一种基于数理逻辑的知识表示方式。 它是人工智能中使用较多的知识表示法，主要用于自动定理证明、问题解答、机器人等领域。,一阶谓词逻辑表示的逻辑基础 命题与真值 命题：能够判断真假的陈述句。 真值：命题的意义，有真假两种情况。 论域和谓词 论域：由所讨论对象的全体构成的非空集合。 论域中的元素称为个体，论域也称为个体域。 在谓词逻辑中，命题是用谓词来表示的。一个谓词可分为谓词名和个体两部分。,一阶谓词逻辑表示的逻辑基础 论域和谓词 个体是命题的主语，用来表示某个独立存在的事物或者某个抽象的概念。 谓词名是命题的谓语，用来表示个体的性质、状态或个体之间的关系等。 如命题“王宏是学生”可表示为： STUDENT(wanghong) 小李比小赵高：HIGH(li,zhao),一阶谓词逻辑表示的逻辑基础 连接词和量词 共有5个连接词： (非)、(析取)、(合取)、(蕴含)、 （等价）。 共有2个量词：,全称量词 x； 存在量词 x。,谓词逻辑表示方法 谓词逻辑不仅可以用来表示事物的状态、属性、概念等事实性知识，也可以用来表示事物的因果关系。 例1 用谓词逻辑表示知识“每个人都有一个父亲”。 定义谓词：PERSON(x)：表示x是人。 HASFATHER(x,y)：表示x有父亲y。 谓词表示为：,（ x)( y)(PERSON(x) HASFATHER(x,y),谓词逻辑表示方法 例4 用谓词逻辑表示如下知识： 王宏是计算机系的一名学生。 李明是王宏的同班同学。 凡是计算机系的学生都喜欢编程序。 定义谓词：COMPUTER(x)：表示x是计算机系的学生。 CLASSMATE(x,y)：表示x是y的同班同学。 LIKE(x,y)：表示x喜欢y。 谓词表示为： COMPUTER(wanghong) CLASSMATE(liming,wanghong),( x)(COMPUTER(x) LIKE(x,programing),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,定义谓词如下： TABLE(x)：x是桌子。 EMPTY(y)：y手中是空的。 AT(y,z)：y在z的附近。 HOLDS(y,w)：y拿着w。 ON(w,x)：w在x桌面上。,xa,b；yrobot；za,b,c；wbox。,谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,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),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,机器人需要执行以下三个操作： Goto(x,y)：从x处走到y处。 Pickup(x)：在x处拿起盒子。 Setdown(x)：在x处放下盒子。 每个操作对应的条件与动作如下： Goto(x,y)：条件：AT(robot,x) 动作：删除 AT(robot,x) 添加 AT(robot,y),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,Pickup(x)： 条件：ON(box,x),TABLE(x),AT(robot,x), EMPTY(robot) 动作：删除 EMPTY(robot),ON(box,x) 添加 HOLDS(robot,box),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,Setdown(x)： 条件：AT(robot,x),TABLE(x),HOLDS(robot,box) 动作：删除 HOLDS(robot,box) 添加 EMPTY(robot),ON(box,x),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,状态1(初始状态) AT(robot,c) EMPTY(robot) ON(box,a) TABLE(a) TABLE(b),开始 ,谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,状态2 AT(robot,a) EMPTY(robot) ON(box,a) TABLE(a) TABLE(b),Goto(x,y) 用c代换x,a代换y,谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,Pickup(x) 用a代换x,状态3 AT(robot,a) HOLDS(robot,box) TABLE(a) TABLE(b),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,Goto(x,y) 用a代换x,b代换y,状态4 AT(robot,b) HOLDS(robot,box) TABLE(a) TABLE(b),谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,状态5 AT(robot,b) EMPTY(robot) ON(box,b) TABLE(a) TABLE(b),Setdown(x) 用b代换x,谓词逻辑表示的应用 机器人移盒子问题,求解过程如下：,状态6 AT(robot,c) EMPTY(robot) ON(box,b) TABLE(a) TABLE(b),Goto(x,y) 用b代换x,c代换y,谓词逻辑表示的应用 Hanoi塔问题,定义谓词如下： DISK(x)：x是一个圆盘。 PEG(z)：z是柱子。 SMALLER(x,y)：x比y小。,谓词逻辑表示的应用 Hanoi塔问题,ON(x,y,z)：在柱子z上，x在y上。 FREE(x,z)：在柱子z上，x为顶上圆盘。 x、yA,B,C；z1,2,3。,初始状态（a） 目标状态（b） DISK(A) DISK(A) DISK(B) DISK(B) DISK(C) DISK(C) PEG(1) PEG(1) PEG(2) PEG(2),谓词逻辑表示的应用 Hanoi塔问题,初始状态（a） 目标状态（b） PEG(3) PEG(3) SMALLER(A,B) SMALLER(A,B) SMALLER(B,C) MALLER(B,C) ON(A,B,1) ON(A,B,3) ON(B,C,1) ON(B,C,3) FREE(A,1) FREE(A,3),谓词逻辑表示的应用 Hanoi塔问题,定义圆盘操作函数为：MOVE(x1,y1;x2,y2) 条件：FREE(x1,y1) 盘x1在柱y1顶上 FREE(x2,y2) 盘x2在柱y2顶上 DISK(x1) x1为圆盘 DISK(x2) x2为圆盘 PEG(y1) y1为柱子 PEG(y2) y2为柱子 SMALLER(x1,x2) x1比x2小 动作：删除 FREE(x1,y1),FREE(x2,y2) 添加 ON(x1,x2,y2) 在柱子y2上，x1在x2的上方。,谓词逻辑表示的应用 Hanoi塔问题,执行如下操作系列，可得到目标状态： MOVE(A,1;,3); MOVE(B,1;,2); MOVE(A,3;B,2); MOVE(C,1;,3); MOVE(A,2;,1); MOVE(B,2;C,3); MOVE(A,1;B,3);,谓词逻辑表示的特性 主要优点： 自然：接近于自然语言，易于被人们接受。 明确：方法本身有明确规定，易于理解。 精确：谓词逻辑是一种二值逻辑，可表示精确知识。 灵活：知识和处理知识的程序分开，无需考虑处理知识细节。 模块化：各条知识相对独立，不直接发生联系。,谓词逻辑表示的特性 主要缺点： 知识表示能力差：只能表示确定性知识，不能表示非确定性知识。 知识库管理困难：缺乏知识的组织原则。 存在组合爆炸：难以表示启发性知识，盲目推理，容易发生组合爆炸。 系统效率低：根据形式逻辑进行推理，使推理过程冗长，降低了系统效率。,产生式表示法 产生式表示法是人工智能中