知識與知識表示

關于知識與知識表示2內(nèi)容提要知識的概念知識的分類知識的表示過程知識的表示方法第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3知識的概念知識（Knowledge）是人們在改造客觀世界的實踐中形成的對客觀事物（包括自然的和人造的）及其規(guī)律的認識，包括對事物的現(xiàn)象、本質(zhì)、狀態(tài)、關系、聯(lián)系和運動等的認識。經(jīng)過人的思維整理過的信息、數(shù)據(jù)、形象、意象、價值標準以及社會的其他符號產(chǎn)物，不僅包括科學技術知識----知識中最重要的部分，還包括人文社會科學的知識、商業(yè)活動、日常生活和工作中的經(jīng)驗和知識，人們獲取、運用和創(chuàng)造知識的知識，以及面臨問題做出判斷和提出解決方法的知識。第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4知識的概念知識是把有關的信息關聯(lián)在一起，形成的關于客觀世界某種規(guī)律性認識的動態(tài)信息結構。知識=事實+規(guī)則+概念

事實就是指人類對客觀世界、客觀事物的狀態(tài)、屬性、特征的描述，以及對事物之間關系的描述。規(guī)則是指能表達在前提和結論之間的因果關系的一種形式；概念主要指事實的含義、規(guī)則、語義、說明等。第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天5知識的分類

一按知識的作用范圍分：

（1）常識性知識：通用性知識，適用于所有領域；如一年有四個季節(jié)。（2）領域性知識：面向某個具體領域的知識，是專業(yè)性知識，如疾病診斷的知識。第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天6知識的分類

2按知識的作用及表示劃分：（1）事實性知識：用于描述領域內(nèi)的有關概念、事實、事物的屬性及狀態(tài)；

如：太陽從東方升起（2）過程性知識：與領域相關的、用于指出如何處理與問題相關的信息以及求得問題的解；

如：如果信道暢通，請發(fā)綠色信號（3）控制性知識：又稱為深層知識及元知識，是關于如何運用已有的知識進行問題求解的知識，也稱為關于知識的知識。

如：問題求解過程中的處理方法、搜索策略、控制結構第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天7知識的分類

3按知識的確定性來分：（1）確定性知識：指其邏輯值為真或假的知識，是精確性知識；

如：他是男的（2）不確定性知識：是不精確、不完全、模糊性知識的總稱。

如：今天陰天，可能要下雨第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天8知識的分類

4按人類的思維及認識方法來分：（1）邏輯性知識：是反映人類邏輯思維過程的知識，一般具有因果關系或難以精確描述的特點，是人類的經(jīng)驗性知識和直觀感覺；

如：人的為人處事的經(jīng)驗與風格（2）形象性知識：通過事物的形象建立起來的知識。

如:什么是牛？第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天9知識的分類5知識的獲取方式來分：（1）顯性知識：指可通過文字、語言、圖形、聲音等形式編碼記錄和傳播的知識；如：教材、音視頻光盤。（2）隱性知識：指人們長期實踐中積累獲得的知識，不易用顯性知識表達的知識。

如：每個人都有不同的審美觀。第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天10知識的分類不管從什么角度去劃分知識，要用機器對知識進行處理，都必須以適當?shù)男问綄χR進行表示，這就是知識表示技術。在選擇知識表示的方法時應考慮幾個因素：（1）能否充分表示相關領域的知識；（2）是否有利于對知識的利用；（3）是否便于知識的組織和管理；（4）是否便于理解和實現(xiàn)。第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天11人工智能研究學派人工智能研究者根據(jù)研究的基礎理論和方法不同，分為符號主義（又叫心理學派）、聯(lián)結主義（又叫生理學派）、行為主義（又叫控制論學派）。（1）符號主義認為人的認知基元是符號，而且認知過程即符號操作過程，人通過自已的眼睛觀察客觀事物，用符號的形式表示出來，而計算機也是一個對邏輯符號表示的知識進行演繹的物理符號系統(tǒng)。因此可以用計算機自身所具有的符號處理推算能力來模擬人的智能行為。它的主要特征是知識可用符號表示，立足于邏輯運算和符號操作，適合于模擬人的邏輯思維過程，解決需要進行邏輯推理的復雜問題。

第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天12人工智能研究學派（2）聯(lián)結主義又稱仿生學，人腦是由大約1011個神經(jīng)細胞組成，所以認為人的思維基元是神經(jīng)元，而不是符號處理過程，主張采用模擬人的生理神經(jīng)網(wǎng)絡結構的研究方法。這種方法的特征是實現(xiàn)聯(lián)想功能，對于帶有噪聲、缺損、變形的信息進行有效的處理，適合于模擬人類的形象思維過程，求解問題時，可以比較快地求得一個近似解。

第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天13人工智能研究學派（3）行為主義認為智能取決于感知和行動，不需要知識、不需要表示、不需要推理。認為人的智能行為是在與現(xiàn)實世界的環(huán)境交互作用下表現(xiàn)出來的，這種觀點的核心是用控制取代知識表示，從而獲得概念、模型以及顯式表示的知識。這一觀點還沒有形成完善的理論體系。第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天14知識表示入門—用實例說明知識表示的過程

一個老農(nóng)攜帶一只狐貍、一頭羊羔和一筐白菜，要從南岸過河到北岸。岸邊有一條小船，只有老農(nóng)自己能劃船，而且除了老農(nóng)以外，每次只能再帶一樣東西過河。在整個渡河過程中，無論什么情況，若老農(nóng)不在場時，則不允許狐貍和羊羔單獨相處，否則羊羔會遭殃；羊羔也不得與白菜放在一起，否則羊羔會吃白菜。請問，老農(nóng)如何才能把它們?nèi)堪踩珨[渡到北岸？第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天15知識表示入門—自然語言描述1）老農(nóng)攜帶羊羔過河，把狐貍和白菜留在南岸；2）老農(nóng)到達北岸，把羊羔留在北岸，并獨自回到南岸；3）老農(nóng)攜帶狐貍過河，把白菜留在南岸；4）老農(nóng)到達北岸，把狐貍留下，并帶上羊羔回到南岸；5）老農(nóng)把羊羔留在南岸，攜帶白菜過河；6）老農(nóng)到達北岸，把白菜和狐貍留在北岸，獨自回到南岸；7）老農(nóng)最后攜帶羊羔過河，到達北岸。問題就此解決。第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天16知識表示入門—狀態(tài)和操作用符號表示：M：代表老農(nóng)(farmer)F：代表狐貍(fox)L：代表羊羔(lamb)C：代表白菜(cabbage)S：表示在南岸N：表示在北岸S-N：表示從南到北N-S：表示從北到南第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天17知識表示入門—狀態(tài)和操作用（M，F(xiàn)，L，C）表示四個對象的一個狀態(tài),可有S和N兩個值；改變狀態(tài)的操作，可分別用1，0表示。表示對象“在船上”和“不在船上”兩個值。如：初始狀態(tài)：（S，S，S，S），終止狀態(tài)：（N，N，N，N），中間狀態(tài)：S-N（1，1，0，0）第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天18知識表示入門—狀態(tài)約束分析老農(nóng)和其他三個對象不在同一岸（狐貍要吃羊羔，羊羔要吃白菜）

(S,N,N,N)：老農(nóng)在南岸，其他三個對象在北岸

(N,S,S,S)：老農(nóng)在北岸，其他三個對象在南岸

羊羔和白菜在同一岸（羊羔要吃白菜）

(S,S,N,N)：老農(nóng)和狐貍在南岸，羊羔和白菜在北岸

(N,N,S,S)：老農(nóng)和狐貍在北岸，羊羔和白菜在南岸

狐貍和羊羔在同一岸（狐貍要吃羊羔）

(S,N,N,S)：老農(nóng)和白菜在南岸，狐貍和羊羔在北岸

(N,S,S,N)：老農(nóng)和白菜在北岸，狐貍和羊羔在南岸

因老農(nóng)、狐貍、羊羔和白菜都有2種狀態(tài)，即在南岸和北岸，所以4個對象的總狀態(tài)數(shù)為2*2*2*2=16種，按條件要求，有幾種狀態(tài)不能存在，如表所示。所以只有10種可能狀態(tài)。第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天19知識表示入門—操作約束根據(jù)題意，在10種可能的安全狀態(tài)里，只有4種是有可能的操作：1）老農(nóng)獨自過河（包括從南岸到北岸和從北岸到南岸，下同）2）老農(nóng)攜帶狐貍過河3）老農(nóng)攜帶羊羔過河4）老農(nóng)攜帶白菜過河第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天20知識表示入門—問題求解過程的表示

N-S（1,1,0,0）第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天21知識表示法所謂知識表示（KnowledgeRepresentation）,就是把知識用計算機可接受的符號并以某種形式描述出來。常見的知識表示方式有一階謂詞邏輯、產(chǎn)生式表示、狀態(tài)空間圖表示、與或圖表示、語義網(wǎng)絡、框架結構表示，還有問題歸納法、面向?qū)ο蠓ǖ取?/p>

第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天22知識表示法—一階謂詞邏輯（1）命題邏輯“命題邏輯”是“謂詞邏輯”的基礎。在現(xiàn)實世界中，有些陳述語句在特定情況下都具有“真”或“假”的含義，在邏輯上稱這些語句為“命題”。如：A。天在下雨。B。天晴C。人是會死的D。他在哭表達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系的符號邏輯系統(tǒng)。第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天23知識表示法—一階謂詞邏輯（2）命題邏輯的聯(lián)結詞原子命題可通過“聯(lián)結詞”構成“復合命題”，聯(lián)結詞有5種，定義為：1）?表示否定，復合命題“?Q”即“非Q”2）∧表示合取，復合命題“P∧Q”表示“P與Q”3）∨表示析取，復合命題“P∨Q”表示“P或Q”4）→表示條件，復合命題“P→Q”表示“如果P，那么Q”5）表示雙條件，復合命題“PQ”即表示“P當且僅當Q”第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天24知識表示法—一階謂詞邏輯（3）命題邏輯的蘊含式表示蘊含，如果P→Q恒為真，則稱“PQ”為“P永真蘊含Q”如：如果天下大雨，則停止足球賽；（P→Q）天正在下大雨；（P）所以停止足球賽。（Q）可以表示為：P，P→QQ

例：如果是鳥，那么就會飛。（P→Q）駝鳥是鳥（P）所以駝鳥就會飛（Q）這個推理就不正確，原因是P→Q不是永真的。第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天25知識表示法—一階謂詞邏輯謂詞邏輯是命題邏輯的擴充和發(fā)展，它將一個原子命題分解成客體和謂詞兩個組成部分。在謂詞公式P（x）中，P稱為謂詞，x稱為個體變元，若x是一元的，稱為一元謂詞，P（x,y）稱為二元謂詞。在謂詞中，個體可以為常量，變量，函數(shù)。若謂詞中的個體都為常量，變量或函數(shù)，則稱它為一階謂詞，如果個體本身是謂詞，稱為二階謂詞，依次類推。謂詞公式也有原子謂詞公式、復合謂詞公式等概念，利用命題邏輯的聯(lián)結詞將原子邏輯化式組合為復合謂詞公式。第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天26知識表示法—一階謂詞邏輯（4）謂詞邏輯的量詞(Quantifiers)量詞表示了個體與個體域之間的包含關系，謂詞邏輯中有兩個量詞：1）全稱量詞（UniversalQuantifiers）用字符“”表示。表示了該量詞作用的轄域為個體域中“所有的個體x”或“每一個個體都”要遵從所約定的謂詞關系。例：（x）(現(xiàn)代理工科大學生)（x）→學習計算機應用基礎（x）),其含義是所有現(xiàn)代理工科大學生x，都必須學習計算機應用基礎。2）存在量詞（ExistentialQuantifier）用符號“”表示。表示了該量詞要求“存在于個體域中的某些個體x”或“某個個體x”要服從所約定的謂詞關系。第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天27知識表示法—一階謂詞邏輯（5）一階謂詞邏輯表達方法如：諸葛亮是人。表示為：Human(Zhugeliang)馬科斯是男人。表示為：Man(Marcs)張三是李四的老師表示為：Teacher(張三，李四)所有龐貝人都是羅馬人。表示為：x(Pompeian(x)→Roman(x))愷撒是一位統(tǒng)治者。表示為：ruler(Caesar)第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天28知識表示法—一階謂詞邏輯例：機器人世界示例。設機器人處在凹室（alcove），A，B為兩張桌子，桌子A上放一個盒子box，讓機器人把盒子從A放到B上，然后回到原處。試描述問題的初始狀態(tài)和目標狀態(tài)。首先定義下列謂詞：TABLE(x):x是桌子；EMPTY(y):y手中是空的；AT(y,z):y在z旁邊；HOLD(y，w)：y手中拿著w;ON(w,x):w放在x上。其中變量的取值范圍是：x{A,B},z{A,B,alcove},w{box},y={robot}boxAB∈∈∈第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天29知識表示法—一階謂詞邏輯初始狀態(tài)的謂詞邏輯的合取表示為：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,A)TABLE(A)TABLE(B)目標狀態(tài)的謂詞邏輯的合取表示為：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,B)TABLE(A)TABLE(B)第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天30知識表示法—產(chǎn)生式規(guī)則表示產(chǎn)生式規(guī)則表示通常用于描述事物之間的一種因果關系。其基本形式為：IF<P>THEN<Q>或直接表達為P→Q其中，P是產(chǎn)生式的前提，用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件，也可稱為前件；Q是產(chǎn)生式的結論或操作，用于指出當前提P被滿足時，應該得出的結論或應該執(zhí)行的操作，也可稱為后件。第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天31知識表示法—產(chǎn)生式規(guī)則表示在自然語言表達中，人們廣泛使用的各種“原因→結果”，“條件→結論”，“前提→操作”，“事實→進展”，“情況→行為”等結構，都可歸結為產(chǎn)生式的知識表達形式。例如，天下雨，地上濕；“原因→結果”如果把水加熱到00以上，冰就會溶化為水；“條件→結論”夜來風雨聲，花落知多少；“事實→進展”若能找到一根合適的杠桿，就能撬起那座大山；“前提→操作”才飲長沙水，又食武昌魚；“事實→進展”剛才開機了，意味著發(fā)出了捕獲目標圖像的信號?！扒闆r→行為”

第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天32知識表示法—產(chǎn)生式規(guī)則表示例如：IF某動物吃肉THEN它是食肉動物IF動物有毛發(fā)，THEN動物為哺乳類IF爐溫超過上限THEN立即關閉風門有時為了解決問題的需要，前件和后件可以是由邏輯運算符AND（且）、OR（或）、NOT（非）組成的表達式。例如：IF某動物是哺乳動物AND有蹄THEN它是有蹄動物IF攜帶危險物品OR易燃易爆物品THEN不允許登上火車IFNOT下雨THEN外出郊游第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天33知識表示法—狀態(tài)空間圖狀態(tài)空間圖是知識表示中一種常用的方法，它就是由節(jié)點及節(jié)點間的連線所構成的圖。節(jié)點對應問題的具體狀態(tài)，如初始狀態(tài)、目標狀態(tài)和中間狀態(tài)。連線通常是有向線，稱為弧線，對應狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作?；【€具有方向性，箭頭表示其轉(zhuǎn)換方向，表示可從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)。問題的解就是從對應于初始狀態(tài)的節(jié)點連接到一個對應于目標狀態(tài)的節(jié)點間形成的路徑。第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天34知識表示法—狀態(tài)空間圖對某個問題或事實進行狀態(tài)空間描述，必須考慮三個問題：1）

該狀態(tài)描述方式，特別是初始狀態(tài)描述；2）

操作符集合及對狀態(tài)描述的作用；3）

目標狀態(tài)描述的特性。第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天35知識表示法—狀態(tài)空間圖二階漢諾塔問題的狀態(tài)空間圖

第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天36知識表示法—狀態(tài)空間圖S1S2S3S4S5S6S7S8S9SiS0迷宮圖：從Si到S0的路徑第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天37知識表示法—狀態(tài)空間圖猴子摘香蕉的狀態(tài)空間圖：a,0,b,0U,0,b,0b,1,b,0V,0,V,0U,0,V,0c,1,c,0c,1,c,1Goto(U)U=b,climbboxGoto(U)graspV=c,climbboxGoto(U)Pushbox(v)U=bGoto(U)U=V四元表列（W,x,y,z）W=猴子的水平位置X=猴子是否在臺上Y=箱子的水平位置Z=猴子是否摘到香蕉第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天38知識表示法—與或圖與或圖表示法就是一種把一個復雜問題通過分解為若干個簡單子問題來尋求問題的解的表示形式，同狀態(tài)空間圖一樣，它也是用來描述一類問題的求解過程。

第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天39知識表示法—與或圖“與”指的是當一個問題P可以分解為一組子問題P1，P2，P3，…Pn時，只有當所有的子問題都有解時，原問題P才有解，任何一個子問題無解都會導致原問題P無解，這樣原問題P與其所有的子問題P1，P2，P3，…Pn之間的關系可以用一棵“與樹”來表示，見圖所示。第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天40知識表示法—與或圖“或”指的是當一個問題P分解為一組子問題P1，P2，P3，…Pn時，只要任意一個子問題有解，則原問題就有解。只有當所有的子問題都無解時，原問題才無解。這樣原問題P與子問題P1，P2，P3，…Pn之間的關系可以用一棵“或樹”來表示，見圖所示。

第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天41知識表示法—與或圖例子：猴子摘香蕉abc第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天42知識表示法—與或圖設系統(tǒng)的狀態(tài)用四元數(shù)組描述為S=（w,x,y,z）,其中，w表示猴子所處水平位置，x表示臺子所在水平位置，y表示猴子是否在臺上，z表示猴子是否拿到香蕉?？赡艹霈F(xiàn)的狀態(tài)是：S0=(a,b,0,0)S1=(b,b,0,0)S2=(c,c,0,0)S3=(c,c,1,0)S4=(c,c,1,1)第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天43知識表示法—與或圖允許的操作為：F={f1，f2，f3，f4},其中，f1猴子走到u處，（w,x,0,z）→(u,x,0,z)f2猴子推臺子到v處，(x,x,0,0)→(v,v,0,0)f3猴子爬上臺子，(x,x,0,z)→(x,x,1,z)f4猴子摘到香蕉，(c,c,1,0)→(c,c,1,1)第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天44知識表示法—與或圖S0→S4f1f2f3f4S0→S2S2→S3S3→S4S0→S1S1→S2f1f2f3f4f1,f2第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天45知識表示法—框架框架表示法是一種關于事物內(nèi)部結構化描述的表示法。每個框架都有框架名，代表某一類對象，一個框架由若干個槽（項目）組成，用于表示對象的某個方面的屬性，有時一個屬性還要從不同的側面來描述，每個側面可具有一個或多個值。一個框架的一般形式為：<框架名><槽名1>：<側面名11><側面值11>…<側面名12><側面值12>…

…<槽名2>：<側面名21><側面值21>…<側面名22><側面值22>……<項目n>：<子項n1><值n1>…<子項n2><值n2>…第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天46知識表示法—框架例1：描述“教師”的框架：框架名：<教師>類屬：<知識分子>/框架調(diào)用/工作：范圍：（教學，科研）默認：教學性別：（男，女）學歷：（中專，大學）類型：（<小學教師>，<中學教師>，<大學教師>）第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天47知識表示法—框架例2：大學教師的框架框架名：<大學教師>

類屬：<教師>

學位：(學士，碩士，博士)

專業(yè)：<學科專業(yè)>

職稱：（助教，講師，副教授，教授）外語語種：范圍：（英，法，日，俄，德）默認：英水平：（優(yōu)，良，中，差）默認：良第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天48知識表示法—框架例3：描述一個具體教師的框架框架名：<教師-1>

類屬：<大學教師>

姓名：張三性別：男年齡：25

職業(yè)：教師職稱：助教專業(yè)：計算機科學與技術部門：計算機系參加時間：1996年9月工資：<工資單>

工齡：3第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天49知識表示法—框架例4：一般來講，教師的工作態(tài)度是認真的，但行為舉止有些隨便，自動化系教師一般來講性格內(nèi)向，喜歡操作計算機。方園是自動化系教師，他性格內(nèi)向，但工作不刻苦。問他的興趣和舉止如何？框圖架表示為：框架名：<教師>類屬：<職業(yè)>態(tài)度：認真舉止：隨便

框架名：<自動化系教師>

類屬：<教師>

性格：內(nèi)向興趣：操作計算機框架名：<方園>

類屬：<自動化系教師>

性格：開朗態(tài)度：不刻苦興趣：舉止：第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天50知識表示法—語義網(wǎng)絡語義網(wǎng)絡是通過概念及其語義來表示知識的一種網(wǎng)絡圖，由結點及結點間帶標記的連接弧組成的有向圖。網(wǎng)絡的結點表示事物、對象、狀態(tài)、概念、屬性、情況、動作等；連接弧表示結點間的語義關系。節(jié)點和孤都必須帶有標識。

第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天51知識表示法—語義網(wǎng)絡（1）類屬關系

類屬關系通常指具有共同屬性的不同事物之間的實例關系、成員關系或分類關系。常有的類屬關系有：Is-a(是一個)、A-member-of（是一員）、A-kind-of（是一種）。如:張寧是一個學生。張寧學生Is-a第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天52知識表示法—語義網(wǎng)絡（2）聚集關系如果一個事物是另一事物的組成部分或某個方面，則它們之間的關系就是聚集關系。常用的聚集關系有：A-part-of（是一部分）。例如:手是人體的一部分。手人體A-part-of第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天53知識表示法—語義網(wǎng)絡（3）屬性關系屬性關系表示了對象和其屬性之間的聯(lián)系。常用的屬性關