人工智能及其应用 教学课件 ppt 作者 李长河 第3章知识与知识表示

1、2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,1,第3章 人工智能知识与知识表示,学海无涯,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,2,第3章 知识与知识表示,3.1 知识表示概述 3.2 谓词逻辑的知识表示 3.3 产生式表示法 3.4 语义网络表示法 3.5 框架知识表示法 3.6 过程知识表示法 3.7 Petri网模型表示法 3.8 面向对象的知识表示 3.9 其它知识表示法,学海无涯,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,3,3.1 知识表示概述,知识表示(Knowledge Representation)，即把知识用计算机可接受的符号并以某种形式描述出来。诸如图表结构、语法树、规则匹配模式、树形或网状表达等。简言之，知识表示就是知识的符号化过程。即把相关问题的知识加以形式化描述，表示成为便于机器（计算机）存储、管理和调用的某种数据结构模式。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,4,3.1 知识表示概述,目前，人工智能的知识表示方法已有几十种之多。主要有：谓词逻辑表示法、语义网络表示法、框架表示法、过程表示法、P

2、etri网表示法、与/或图表示、状态空间表示法和人工神经元网络（ANN）表示法等。我们将结合智能技术具体应用，在后面各章予以具体介绍和分析。 总之，人们可以根据领域知识的特点选择一种最合适的方法将知识充分表达出来，也可以依据领域的复杂程度，把若干技术结合起来，以形成一种功能强大的系统，高效率地求解智能问题。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,5,3.1 知识表示概述,3.1.1 什么是知识 3.1.2 知识的特性 3.1.3 知识的分类 3.1.4 知识映射原理,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,6,3.1 知识表示概述,3.1.1 什么是知识 知识是人类世界特有的概念。它是人类对客观世界一种较为准确、全面的认识和理解的结晶。 知识只有相对正确的特性。例如直到1543年哥白尼学说问世之前，人们一直认为地球是宇宙的核心；再有：人们都知道一个关于“瞎子摸象”的故事，它通俗地说明了正确完整的知识形成是一个复杂的智能过程。 通常人们获取知识的重要手段是：利用信息，把各种信息提炼、概括并关联在一起，就形成了知识。而利用信息关联构成知识的形式有多种多样。

3、,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,7,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,8,3.1 知识表示概述,六个瞎子来到国王的宫殿，第一次遇见一头大象。 第一个瞎子摸到象肚子：多么光滑啊，象就像一座墙！第二个瞎子摸到象鼻子：圆圆的，像一条蛇！ 第三个瞎子伸出手摸到象牙：尖尖的，象像矛！ 第四个瞎子伸手摸到象腿：好高啊，象像一棵树！ 第五个瞎子伸手摸到象的耳朵：好宽！象像一把扇子！第六个瞎子摸到象的尾巴：好细，象像一根绳子！,“瞎子摸象”的故事,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,9,3.1 知识表示概述,3.1.1 什么是知识 最常用的且便于计算机利用的一种表达形式为： “如果，那么”或“如果，则” 例如，如果教会机器人一些知识，那么它就能替人干更多的事情； 如果发现太阳黑子增多，那么就预示地球气候会发生反常； 如果敌进，则我退；如果敌疲，则我打； 如果大雁南飞，那么就预示着冬天临近。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,10,3.1 知识表示概述,3.1.2 知识的特性 1. 知识的相对正确性 常言道：实践出

4、真知。知识源于人们生活、学习与工作的实践，知识是人们在信息社会中各种实践经验的汇集、智慧的概括与积累。 知识来自于人们对客观世界运动规律的正确认识，是从感性认识上升成为理性认识的高级思维劳动过程的结晶，故相应于一定的客观环境与条件下，知识无疑是正确的。然而当客观环境与条件发生改变时，知识的正确性就要接受检验，必要时就要对原来的认识加以修正或补充，以至全部更新而取而代之。 例如，计算式1+1=10是正确的吗？ 再如，在一般的工程计算中，使用牛顿力学运动定律，足以满足一般精度要求而且很方便；但在接近光速的运行检测或进行核加速器中的粒子计算时，就必须以量子力学和相对论为依据来考察了。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,11,3.1 知识表示概述,3.1.2 知识的特性 2. 知识的确定与不确定特征：如前所述，知识由若干信息关联的结构组成。但是，其中有的信息是精确的，有的信息却是不精确的。这样，则由该信息结构形成的知识也有了确定或不确定的特征。 例如，在我国中南地区，根据天上出现彩虹的方向及其位置，可以预示天气的变化。有谚语曰：“东边日(晴天)，西边雨。”但是，这只是一种

5、常识性的经验，并不能完全肯定或否定。 再如：甲有一头秀发，乙是两鬓如霜。您认为甲一定是青年人，乙就是老年人吗？不能完全肯定，因为相反的事例是很多的。比如，当年的白毛女并不是老人，而现在六十多岁的演员有一头黑发并不足奇。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,12,3.1 知识表示概述,3.1.2 知识的特性 造成知识具有不确定性的因素是多方面的。诸如：证据不足、地域时区不同、各种变化因素及现实世界的复杂性，造成客观后果及其知识的不确定性； 生活中，模糊性概念及模糊关系比比皆是，形成了知识的不确定性；概率事件发生常常不可避免，一般都具有随机不确定性的规律；经验性及各种不完备的积累过程，导致相关知识的不确定性等。 尽管不确定性知识给人们带来了一些迷惑，但它反映了客观世界的多样性、丰富性和复杂性。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,13,3.1 知识表示概述,3.1.2 知识的特性 3. 知识的可利用性和可发展性 为了使知识便于传播、学习，使有用的知识得以延续、继承与发展，人们不断地创造了各种生动活泼的形式来记录、描述、表示和利用知识。诸如采用语言、文

6、字，使用书籍，结合文学、戏剧、绘画、摄影等艺术以及电影、电视、多媒体等手段，进行知识的演播、学习与欣赏等。事实上，人类的历史，就是不断地积累知识和利用知识创造文明的历史。在人类的发展史中，知识的可利用性与可发展性是不言而喻的。知识的可利用性使得计算机或智能机器能利用知识成为现实；而知识的机器可学习、可表示性使得人工智能不断得以进步与发展成为必然。 伴随着人类社会迈入信息时代，人类知识也进入了大发展时期。一方面在淘汰旧的、老的、无用的知识，另一方面新观念、新思想、新知识不断地被大量地挖掘涌现出来。目前，知识的更新和知识的总量，正以前所未有的速率迅速地增长。大力发展智能科学技术，努力开发人类知识宝库，发展新一代智力工具，这正是作为新时代智能科学工作者的光荣历史使命。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,14,3.1 知识表示概述,3.1.3 知识的分类 按照机器定理证明过程，可把先后要使用到的知识划分为三类。即事实性知识；过程性知识；控制性知识。 1. 事实性知识：关于问题领域的性质及求解目标、求解环境及其已知条件、相关特性等方面的静态知识。事实性知识一般采用直接表示形

7、式，用以记叙及描述有关的概念、事实、事物的状态及属性等。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,15,3.1 知识表示概述,3.1.3 知识的分类 2. 过程性知识：指那些能依据一定的规则，推导出相关的结论与目标的规律性知识和能够实施匹配的序列操作性知识。 一般来说，过程性知识用以描述做某事的过程，是由问题领域内的相关规则、定律、定理及经验等要素构成的知识。例如，若信道畅通，请发绿色信号；如果异常时，请按红色信号开关。“松花蛋制作法”。 3. 控制性知识：一种用于取舍问题的求解策略，控制信息实施方法，决定推理路线的选取原则等方面知识。 一般来说，控制性知识是关于如何运用相关知识的知识，又称为元知识。例如，为了使一组机器人能协同完成某项任务，既要有监控他们相互配合情况的有关知识，还要有协调他们分工合作的决策性知识等。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,16,3.1 知识表示概述,3.1.3 知识的分类 知识还有其它的分类方法： 按照知识结构和表现特点来划分，可分为逻辑性知识，和形象性知识； 根据知识的确定性与不确定性来分，知识可分为确定性知识和不确

8、定性知识； 依据知识的作用范围划分，知识可分为常识性知识，专业知识或领域性知识等。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,17,3.1.4 知识表示及其映射原理,一个智能机器系统如同智能生物一样，在运用知识进行信息交流或智能问题求解时，都需要预先进行知识表示。进而实现知识调用，达到利用知识求解问题目的。因而知识表示是知识信息处理系统中必不可少的关键环节。 对智能机器系统而言，知识表示，实际上就是对知识的一种描述或约定。其本质，就是采用某种技术模式，把所要求解问题的相关知识，映射为一种便于找到该问题解的数据结构。 对知识进行表示的过程，实质上就是把相关知识映射 (或称为变换：Transformation；或称为映像：Mapping；或称为编码：Coded.)为该数据结构的过程。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,18,3.1.4 知识表示及其映射原理,知识表示及其映射原理，如图3-1加以示意说明。,原始解答,原始问题,同态问题,同态解答,T,T-1,困难,容易,同构问题,同构映射,如图：其目标是要对复杂的智能型问题实现机器求解。但机器直接对原始问题

9、求解，难度很大；可采用知识表示的映射原理，把原始问题映射为它的一种同构或同态问题，然后再对同构或同态问题求出它的解答，则相对容易而方便。 顺便指出：同构解答与原始问题有相同的形式解；而对于同态问题，如要得到原始解，只需对同态解答再施行反运算(T-1)即可。在自然科学实际应用研究中，利用映射（称为变换）原理迂回求解的思想，是一种非常有效而广为使用的重要手段。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,19,3.2 谓词逻辑的知识表示,知识的谓词逻辑表示符合人的思维习惯，可读性好，逻辑关系表达简便。使用谓词逻辑既便于表达概念、状态、属性等事实性知识，又能方便地采用谓词公式的表达形式，进行各种智能行为的过程性描述与演绎推理。下面我们结合实例的描述，以便逐渐掌握谓词逻辑的知识表示技术。,3.2.1 用谓词逻辑和公式表达各种意境,使用谓词逻辑和公式表达各种意境，首先应抓住一般自然语言主语、谓语结构特点，再依据谓词逻辑公式关于意境描述及连接词、量词这些关联信息进行综合分析，逐步形成关于意境描述的真实生动完整表达。,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,20,3.2.1 用谓词逻辑和公式表达各种意境,例3-1 请分析下面的命题和谓词逻辑，并尽可能正确地表述它的含义： 在草原上歌唱(美貌姑娘)蓝的(天)飘(白云)吃草(牛羊)飞翔(百鸟)； (彐x)好姑娘(x) 居住的地方(z，x) 遥远的(z)(y)人(y)行走经过(y, z)回头留恋地张望(y).,3.2 谓词逻辑的知识表示,2019/5/20,第3章 知识与知识表示 李长河主编,21,3.2.1 用谓词逻辑和公式表达各种意境,例3-1 请分析下面的命题和谓词逻辑，并尽可能正确地表述它的含义： 在草原上歌唱(美貌姑娘)蓝的(天)飘(白云)吃草(牛羊)飞翔(百鸟)； 解：这是由“合取”符连接起来并已命题化的一元谓词逻辑公式。从字面上来看，它表达了一种美丽的自然景观：草原上，蓝蓝的天，白云飘飘，鸟儿在飞翔。有一位美貌的姑娘，一边在放牧牛羊，一边在放声歌唱,3.2 谓词逻辑的知识表示,2019/5/20,第3

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