人工智能基礎(chǔ)知識

1、人工智能基礎(chǔ)知識第1頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日2本章主要內(nèi)容8.1 知識表示 8.2 確定性推理8.3 不確定性推理 第2頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日8.1 知識表示知識與知識表示的概念 一階謂詞邏輯表示法 產(chǎn)生式表示法 框架表示法 語義網(wǎng)絡(luò)表示法 3第3頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日4知識的概念知識：在長期的生活及社會實踐中、在科學(xué)研究及實驗中積累起來的對客觀世界的認識與經(jīng)驗。知識：把有關(guān)信息關(guān)聯(lián)在一起所形成的信息結(jié)構(gòu)。 知識反映了客觀世界中事物之間的關(guān)系，不同事物或者相同事物間的不同關(guān)系形成了不同的知

2、識。 信息關(guān)聯(lián)形式：“如果，則” 如果大雁向南飛，則冬天就要來臨了。 規(guī)則 事實例如： “雪是白色的” 。 “如果頭痛且流涕，則有可能患了感冒” 。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日5知識的特性 相對正確性 任何知識都是在一定的條件及環(huán)境下產(chǎn)生的，在這種條件及環(huán)境下才是正確的。1+1=2 （十進制）1+1=10 (二進制） 不確定性 隨機性引起的不確定性 模糊性引起的不確定性 經(jīng)驗引起的不確定性 不完全性引起的不確定性知識狀態(tài)：“真” “假” “真”與“假”之間的中間狀態(tài) “如果頭痛且流涕，則有可能患了感冒” 小李很高第5頁，共58頁，2022年，5月20日，10點

3、56分，星期日6知識的特性 可表示性與可利用性 知識的可表示性: 知識可以用適當(dāng)形式表示出來，如用語言、文字、圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 知識的可利用性: 知識可以被利用。 第6頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日7知識的分類 事實性知識：有關(guān)概念、事實、事物的屬性及狀態(tài)等。 過程性知識：有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)變化、問題求解過程的操作、演算和行動的知識。 控制性知識（深層知識或元知識）：關(guān)于如何運用已有的知識進行問題求解的知識。 糖是甜的。西安是一個古老的城市。一年有春、夏、秋、冬四個季節(jié)。 按知識的作用范圍 按知識的作用及表示 常識性知識：通用性知識。 領(lǐng)域性知識：專業(yè)性的知識。 1個字

4、節(jié)由8個“位”構(gòu)成。一個扇區(qū)有512個“字節(jié)”的數(shù)據(jù)。第7頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日8知識的分類 例如： 從北京到上海是乘飛機還是火車的問題表示如下： 事實性知識：北京、上海、飛機、時間、費用。 過程性知識：乘飛機、坐火車。 控制性知識：乘坐飛機較快、較貴；坐火車較慢、較 便宜。 按知識的作用及表示第8頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日9知識的分類 確定性知識：可指出其真值為“真”或“假”的知識，是精確性的知識。 不確定性知識：具有不精確、不完全及模糊性等特性的知識。3. 按知識的結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)形式4. 按知識的確定性 邏輯性知識：反映人類邏

5、輯思維過程的知識。 形象性知識：通過事物的形象建立起來的知識。例：什么是樹?第9頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日10知識的表示 知識表示（knowledge representation）：將人類知識形式化或者模型化。 知識表示是對知識的一種描述，或者說是一組約定，一種計算機可以接受的用于描述知識的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 選擇知識表示方法的原則： （1）充分表示領(lǐng)域知識。 （2）有利于對知識的利用。（3）便于對知識的組織、維護與管理。 （4）便于理解與實現(xiàn)。第10頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日11一階謂詞邏輯知識表示方法謂詞公式表示知識的步驟：（1）定

6、義謂詞及個體。（2）變元賦值。（3）用連接詞連接各個謂詞，形成謂詞公式。 例如： 用一階謂詞邏輯表示下列關(guān)系數(shù)據(jù)庫。住戶 房間 電話號碼 房間Zhang 201 491 201Li 201 492 201Wang 202 451 202Zhao 203 451 203OccupantTelephone第11頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日用一階謂詞表示： Occupant（Zhang ， 201） Occupant（Li，201） Occupant（Wang， 202） Occupant（Zhao， 203） Telephone（491，201） Telephone（

7、492，201） Telephone（451，202） Telephone（451，203）12一階謂詞邏輯知識表示方法第12頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日13一階謂詞邏輯表示法的特點優(yōu)點： 自然性 精確性 嚴密性 容易實現(xiàn) 應(yīng)用：（1）自動問答系統(tǒng)（Green等人研制的QA3系統(tǒng)）（2）機器人行動規(guī)劃系統(tǒng)（Fikes等人研制的STRIPS系統(tǒng)）（3）機器博弈系統(tǒng)（Filman等人研制的FOL系統(tǒng)）（4）問題求解系統(tǒng)（Kowalski等設(shè)計的PS系統(tǒng)） 局限性： 不能表示不確定的知識 組合爆炸 效率低第13頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日產(chǎn)

8、生式表示法“產(chǎn)生式”：1943年，美國數(shù)學(xué)家波斯特（E. Post）首先提出。 1972年，紐厄爾和西蒙在研究人類的認知模型中開發(fā)了基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)。產(chǎn)生式通常用于表示事實、規(guī)則以及它們的不確定性度量，適合于表示事實性知識和規(guī)則性知識。14第14頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日15產(chǎn)生式表示法 確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示2. 不確定性規(guī)則知識的產(chǎn)生式表示 基本形式： IF P THEN Q 或者： 例如： r4：IF 動物會飛 AND 會下蛋 THEN 該動物是鳥 基本形式： IF P THEN Q （置信度） 或者： （置信度） 例如： IF 發(fā)燒 THEN 感

9、冒 （0.6）第15頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日16產(chǎn)生式表示法3. 確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示4. 不確定性事實性知識的產(chǎn)生式表示 三元組表示：（對象，屬性，值） 或者：（關(guān)系，對象1，對象2） 例： 老李年齡是40歲： （Li，age，40） 老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang） 四元組表示：（對象，屬性，值，置信度） 或者： （關(guān)系，對象1，對象2，置信度）例：老李年齡很可能是40歲：（Li，age，40，0.8） 老李和老王不大可能是朋友：（friend，Li，Wang，0.1）第16頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期

10、日17產(chǎn)生式表示法產(chǎn)生式的形式描述及語義巴科斯范式BNF（backus normal form）:= :=|:=|:=ANDAND |OROR:=(，)符號“:=”表示“定義為”；符號“|”表示“或者是”；符號“ ”表示“可缺省”。 第17頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日18產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動物識別系統(tǒng)例如：動物識別系統(tǒng)識別虎、金錢豹、斑馬、長頸鹿、鴕鳥、企鵝、信天翁等七種動物的產(chǎn)生式系統(tǒng)。第18頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日192.3.3 產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動物識別系統(tǒng)規(guī)則庫：r1： IF 該動物有毛發(fā) THEN 該動物是哺乳動物r2： I

11、F 該動物有奶 THEN 該動物是哺乳動物r3： IF 該動物有羽毛 THEN 該動物是鳥r4： IF 該動物會飛 AND 會下蛋 THEN 該動物是鳥r5： IF 該動物吃肉 THEN 該動物是食肉動物r6： IF 該動物有犬齒 AND 有爪 AND 眼盯前方 THEN 該動物是食肉動物r7： IF 該動物是哺乳動物 AND 有蹄 THEN 該動物是有蹄類動物r 8： IF 該動物是哺乳動物 AND 是反芻動物 THEN 該動物是有蹄類動物第19頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日20產(chǎn)生式系統(tǒng)的例子動物識別系統(tǒng)r9： IF 該動物是哺乳動物 AND 是食肉動物 AND

12、 是黃褐色 AND 身上有暗斑點 THEN 該動物是金錢豹 r10：IF 該動物是哺乳動物 AND 是食肉動物 AND 是黃褐色 AND 身上有黑色條紋 THEN 該動物是虎 r11： IF 該動物是有蹄類動物 AND 有長脖子 AND 有長腿 AND 身上有暗斑點 THEN 該動物是長頸鹿 r 12：IF 該動物有蹄類動物 AND 身上有黑色條紋 THEN 該動物是斑馬r13：IF 該動物是鳥 AND 有長脖子 AND 有長腿 AND 不會飛 AND 有黑白二色 THEN 該動物是鴕鳥r14： IF 該動物是鳥 AND 會游泳 AND 不會飛 AND 有黑白二色 THEN 該動物是企鵝 r1

13、5： IF 該動物是鳥 AND 善飛 THEN 該動物是信天翁第20頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日21產(chǎn)生式表示法的特點1. 產(chǎn)生式表示法的優(yōu)點（1）自然性 （2）模塊性 （3）有效性 （4）清晰性 2. 產(chǎn)生式表示法的缺點（1）效率不高 （2）不能表達結(jié)構(gòu)性知識 3. 適合產(chǎn)生式表示的知識（1）領(lǐng)域知識間關(guān)系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關(guān)系。（2）經(jīng)驗性及不確定性的知識，且相關(guān)領(lǐng)域中對這些知識沒有嚴格、統(tǒng)一的理論。（3）領(lǐng)域問題的求解過程可被表示為一系列相對獨立的操作，且每個操作可被表示為一條或多條產(chǎn)生式規(guī)則。第21頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日

14、22框架表示法1975年，美國明斯基提出了框架理論：人們對現(xiàn)實世界中各種事物的認識都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲在記憶中的。框架表示法：一種結(jié)構(gòu)化的知識表示方法，已在多種系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 第22頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日23用框架表示知識的例子 框架名：教師 姓名：單位（姓、名） 年齡：單位（歲） 性別：范圍（男、女） 缺?。耗?職稱：范圍（教授，副教授，講師，助教） 缺?。褐v師 部門：單位（系，教研室） 住址：住址框架 工資：工資框架 開始工作時間：單位（年、月） 截止時間：單位（年、月） 缺省：現(xiàn)在 例1 教師框架第23頁，共58頁，2022年，5月20日，

15、10點56分，星期日24用框架表示知識的例子 框架名：教師-1 姓名：夏冰 年齡：36 性別：女 職稱：副教授 部門：計算機系軟件教研室 住址：adr-1 工資：sal-1 開始工作時間：1988，9 截止時間：1996，7 例2 教師框架當(dāng)把具體的信息填入槽或側(cè)面后，就得到了相應(yīng)框架的一個事例框架。第24頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日25用框架表示知識的例子框架名：教室 墻數(shù)： 窗數(shù)： 門數(shù)： 座位數(shù)： 前墻：墻框架 后墻：墻框架 左墻：墻框架 右墻：墻框架 門：門框架 窗：窗框架 黑板：黑板框架 天花板：天花板框架 講臺：講臺框架 例3 教室框架第25頁，共58

16、頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日26用框架表示知識的例子例4 將下列一則地震消息用框架表示：“某年某月某日，某地發(fā)生6.0級地震，若以膨脹注水孕震模式為標準，則三項地震前兆中的波速比為0.45，水氡含量為0.43，地形改變?yōu)?.60?！苯猓旱卣鹣⒂每蚣苋缦聢D所示。 框架名：地震 地 點：某地 日 期：某年某月某日 震 級：6.0 波 速 比：0.45 水氡含量：0.43 地形改變：0.60 第26頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日27用框架表示知識的例子第27頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日28框架表示法的特點（1） 結(jié)構(gòu)性

17、便于表達結(jié)構(gòu)性知識，能夠?qū)⒅R的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系及知識間的聯(lián)系表示出來。 （2）繼承性 框架網(wǎng)絡(luò)中，下層框架可以繼承上層框架的槽值，也可以進行補充和修改。 （3）自然性 框架表示法與人在觀察事物時的思維活動是一致的。第28頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日語義網(wǎng)絡(luò)表示法語義網(wǎng)絡(luò)最早是1968年Quillian在他的博士論文中作為人類聯(lián)想記憶的一個顯式心理學(xué)模型提出的。語義網(wǎng)絡(luò)是一種采用網(wǎng)絡(luò)形式表示人類知識的方法。一個語義網(wǎng)絡(luò)是一個帶標識的有向圖。其中，帶有標識的結(jié)點表示問題領(lǐng)域中的物體、概念、事件、動作或者態(tài)勢。在語義網(wǎng)絡(luò)知識表示中，結(jié)點一般劃分為實例結(jié)點和類結(jié)點兩種類型。

18、結(jié)點之間帶有標識的有向弧表示結(jié)點之間的語義聯(lián)系，是語義網(wǎng)絡(luò)組織知識的關(guān)鍵。 29第29頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日30語義網(wǎng)絡(luò)表示法示例例5 描述桌子的語義網(wǎng)絡(luò)。第30頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日31語義網(wǎng)絡(luò)表示法示例例6 設(shè)有下圖所示動物分類網(wǎng)絡(luò)片斷，現(xiàn)在要求證明小貝貝是灰色的。 第31頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日32語義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點 優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)性：能把事物的屬性及事物間的各種語義聯(lián)系顯式地表示出來。 （2）聯(lián)想性：便于以聯(lián)想的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢索，使之具有記憶心理學(xué)中的聯(lián)想特性。（3）自然性

19、：便于理解，自然語言與語義網(wǎng)絡(luò)間的轉(zhuǎn)換易實現(xiàn)。第32頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日33語義網(wǎng)絡(luò)表示法的特點缺點：（1）非嚴格性：沒有公認的形式表示體系，所表達的含義依賴于處理程序如何對它進行解釋。（2）處理上的復(fù)雜性：表示形式的不一致性導(dǎo)致處理復(fù)雜。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日34第3章 確定性推理方法8.2 確定性推理方法第34頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日35推理的基本概念推理的定義推理方式及其分類推理的方向沖突消解策略第35頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日36醫(yī)療專家系統(tǒng)

20、推理的定義推理：知識專家的經(jīng)驗、醫(yī)學(xué)常識初始證據(jù)病人的癥狀、化驗結(jié)果證據(jù)中間結(jié)論第36頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日37（1）演繹推理 (deductive reasoning) : 一般 個別 三段論式（三段論法） 足球運動員的身體都是強壯的 ； 高波是一名足球運動員； 所以，高波的身體是強壯的。推理方式及其分類 演繹推理、歸納推理、默認推理（ 大前提 ）（ 小前提 ）（ 結(jié) 論 ）第37頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日38推理方式及其分類 演繹推理、歸納推理、默認推理（2）歸納推理 (inductive reasoning): 個別 一

21、般 完全歸納推理（必然性推理） 不完全歸納推理（非必然性推理）檢查全部產(chǎn)品合格該廠產(chǎn)品合格完全歸納推理檢查全部樣品合格該廠產(chǎn)品合格不完全歸納推理第38頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日39推理方式及其分類 演繹推理、歸納推理、默認推理（3）默認推理（default reasoning，缺省推理） 知識不完全的情況下假設(shè)某些條件已經(jīng)具備所進行的推理。 結(jié) 論 A 成立 B 成立？（默認B成立）鳥籠要有蓋子 制造鳥籠 鳥會飛？（默認成立）第39頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日40推理方式及其分類 2. 確定性推理、不確定性推理似然推理近似推理或模糊

22、推理不確定性推理（概率論）（模糊邏輯）（1）確定性推理：推理時所用的知識與證據(jù)都是確定的，推出的結(jié)論也是確定的，其真值或者為真或者為假。 （2）不確定性推理：推理時所用的知識與證據(jù)不都是確定的，推出的結(jié)論也是不確定的。第40頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日41X：鳥 X：會飛 X: 企鵝 推理方式及其分類 3. 單調(diào)推理、非單調(diào)推理 （1）單調(diào)推理：隨著推理向前推進及新知識的加入，推出的結(jié)論越來越接近最終目標。 （2）非單調(diào)推理：由于新知識的加入，不僅沒有加強已推出的結(jié)論，反而要否定它，使推理退回到前面的某一步，重新開始。 默認推理是非單調(diào)推理 基于經(jīng)典邏輯的演繹推理

23、 X：不會飛X：企鵝第41頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日42推理方式及其分類4啟發(fā)式推理、非啟發(fā)式推理 啟發(fā)性知識：與問題有關(guān)且能加快推理過程、提高搜索效率的知識。 目標：在腦膜炎、肺炎、流感中選擇一個 產(chǎn)生式規(guī)則 r1：腦膜炎 r2：肺 炎 r3：流 感 啟發(fā)式知識：“腦膜炎危險”、“目前正在盛行流感”。第42頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日43推理的方向第43頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日44沖突消解策略 已知事實與知識的三種匹配情況：（1）恰好匹配成功（一對一）；（2）不能匹配成功；（3）多種匹配成功（一對

24、多、多對一、多對多）沖突消解第44頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日45沖突消解策略多種沖突消解策略：（1）按針對性排序（2）按已知事實的新鮮性排序（3）按匹配度排序（4）按條件個數(shù)排序（5）按上下文限制排序（6）按冗余限制排序（7）根據(jù)領(lǐng)域問題的特點排序r1: IF A1 AND A2 THEN H1r2: IF A1 AND A2 AND A3 AND A4 THEN H2第45頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日46確定性推理方法3.1 推理的基本概念 3.2 自然演繹推理 3.3 謂詞公式化為子句集的方法3.4 海伯倫定理3.5 魯賓遜歸結(jié)

25、原理3.6 歸結(jié)反演3.7 應(yīng)用歸結(jié)反演求解問題 第46頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日47自然演繹推理：從一組已知為真的事實出發(fā)，運用經(jīng)典邏輯的推理規(guī)則推出結(jié)論的過程。推理規(guī)則：P規(guī)則、T規(guī)則、假言推理、拒取式推理 確定性推理方法-自然演繹推理 假言推理： P, PQ Q “如果x是金屬，則x能導(dǎo)電” , “銅是金屬” 推出 “銅能導(dǎo)電” 拒取式推理： PQ, Q P “如果下雨，則地下就濕” , “地上不濕” 推出 “沒有下雨”第47頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日48（1） 如果下雨，則地上是濕的（ PQ ）；（2）沒有下雨（P ）；

26、（3）所以，地上不濕（Q ）。 確定性推理方法-自然演繹推理錯誤1否定前件： PQ, P Q（1）如果行星系統(tǒng)是以太陽為中心的，則金星會顯示出位相變化（ PQ ）；（2）金星顯示出位相變化（ Q ）；（3） 所以，行星系統(tǒng)是以太陽為中心（ P ）。 錯誤2肯定后件： PQ, Q P第48頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日49確定性推理方法-自然演繹推理 例1 已知事實： （1）凡是容易的課程小王( Wang )都喜歡； （2）C 班的課程都是容易的； （3）ds 是 C 班的一門課程。 求證：小王喜歡 ds 這門課程。第49頁，共58頁，2022年，5月20日，10點5

27、6分，星期日50確定性推理方法-自然演繹推理證明：定義謂詞： EASY ( x )：x 是容易的 LIKE ( x, y )：x 喜歡 y C ( x )：x 是 C 班的一門課程 已知事實和結(jié)論用謂詞公式表示： ( ) ( EASY ( x ) LIKE ( Wang, x ) ) ( ) ( C ( x ) EASY ( x ) C ( ds ) LIKE ( Wang, ds ) 第50頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日51確定性推理方法-自然演繹推理 應(yīng)用推理規(guī)則進行推理： ( )（EASY ( x ) LIKE ( Wang, x ) EASY (z) LIKE ( Wang, z ) 全稱固化 ( ) (C ( x ) EASY ( x ) C ( y ) EASY ( y ) 全稱固化 所以 C (ds), C (y) EASY (y) EASY (ds) P規(guī)則及假言推理 所以 EASY (ds), EASY (z) LIKE (Wang，z) LIKE ( Wang, ds ) T規(guī)則及假言推理第51頁，共58頁，2022年，5月20日，10點56分，星期日52優(yōu)點：表達定理證明過程自然，易理解。擁有豐富的推理規(guī)則，