第八章 人工智能基礎知識

第八章人工智能基礎知識第1頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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)絡表示法3第3頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月4知識的概念知識：在長期的生活及社會實踐中、在科學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：把有關信息關聯(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系，不同事物或者相同事物間的不同關系形成了不同的知識。

信息關聯(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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月6知識的特性

可表示性與可利用性知識的可表示性:知識可以用適當形式表示出來，如用語言、文字、圖形、神經(jīng)網(wǎng)絡等。知識的可利用性:知識可以被利用。

第6頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月7知識的分類

事實性知識：有關概念、事實、事物的屬性及狀態(tài)等。

過程性知識：有關系統(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。

領域性知識：專業(yè)性的知識。

1個字節(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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月10知識的表示

知識表示（knowledgerepresentation）：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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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系數(shù)據(jù)庫。住戶

房間

電話號碼

房間Zhang201491201Li201492201Wang202451202Zhao203451203OccupantTelephone第11頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月用一階謂詞表示：

Occupant（Zhang，

201）

Occupant（Li，201）

Occupant（Wang，202）

Occupant（Zhao，203）

Telephone（491，201）

Telephone（492，201）

Telephone（451，202）

Telephone（451，203）12一階謂詞邏輯知識表示方法第12頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生式表示法“產(chǎn)生式”：1943年，美國數(shù)學家波斯特（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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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：IFPTHENQ

或者：例如：

r4：IF動物會飛

AND會下蛋

THEN該動物是鳥

基本形式：IFPTHENQ

（置信度）或者：（置信度）

例如：IF發(fā)燒THEN感冒（0.6）第15頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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（backusnormalform）<產(chǎn)生式>::=<前提><結(jié)論><前提>::=<簡單條件>|<復合條件><結(jié)論>::=<事實>|<操作><復合條件>::=<簡單條件>AND<簡單條件>[AND<簡單條件>…|<簡單條件>OR<簡單條件>[OR<簡單條件>…<操作>::=<操作名>[(<變元>，…)]符號“::=”表示“定義為”；符號“|”表示“或者是”；符號“[]”表示“可缺省”。

第17頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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：

IF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r8：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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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

r12：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

r15：IF該動物是鳥AND善飛THEN該動物是信天翁第20頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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）領域知識間關系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關系。（2）經(jīng)驗性及不確定性的知識，且相關領域中對這些知識沒有嚴格、統(tǒng)一的理論。（3）領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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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?？蚣鼙硎痉ǎ阂环N結(jié)構(gòu)化的知識表示方法，已在多種系統(tǒng)中得到應用。

第22頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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）缺省：男職稱：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?。含F(xiàn)在

例1

教師框架第23頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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

教師框架當把具體的信息填入槽或側(cè)面后，就得到了相應框架的一個事例框架。第24頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月27用框架表示知識的例子第27頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月28框架表示法的特點（1）結(jié)構(gòu)性便于表達結(jié)構(gòu)性知識，能夠?qū)⒅R的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關系及知識間的聯(lián)系表示出來。

（2）繼承性框架網(wǎng)絡中，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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月語義網(wǎng)絡表示法語義網(wǎng)絡最早是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模型提出的。語義網(wǎng)絡是一種采用網(wǎng)絡形式表示人類知識的方法。一個語義網(wǎng)絡是一個帶標識的有向圖。其中，帶有標識的結(jié)點表示問題領域中的物體、概念、事件、動作或者態(tài)勢。在語義網(wǎng)絡知識表示中，結(jié)點一般劃分為實例結(jié)點和類結(jié)點兩種類型。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)絡組織知識的關鍵。

29第29頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月30語義網(wǎng)絡表示法示例例5描述桌子的語義網(wǎng)絡。第30頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月31語義網(wǎng)絡表示法示例例6設有下圖所示動物分類網(wǎng)絡片斷，現(xiàn)在要求證明小貝貝是灰色的。

第31頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月32語義網(wǎng)絡表示法的特點

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中的聯(lián)想特性。（3）自然性：便于理解，自然語言與語義網(wǎng)絡間的轉(zhuǎn)換易實現(xiàn)。第32頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月33語義網(wǎng)絡表示法的特點缺點：（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）處理上的復雜性：表示形式的不一致性導致處理復雜。第33頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月34第3章確定性推理方法8.2確定性推理方法第34頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月36醫(yī)療專家系統(tǒng)推理的定義推理：知識專家的經(jīng)驗、醫(yī)學常識初始證據(jù)病人的癥狀、化驗結(jié)果證據(jù)中間結(jié)論第36頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月37（1）演繹推理

(deductivereasoning):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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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(inductivereasoning):個別→一般

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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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（defaultreasoning，缺省推理）知識不完全的情況下假設某些條件已經(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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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

X：不會飛X：企鵝第41頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月43推理的方向第43頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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（一對多、多對一、多對多）沖突消解第44頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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)領域問題的特點排序r1:IFA1ANDA2THENH1r2:IFA1ANDA2ANDA3ANDA4THENH2第45頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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)原理3.6歸結(jié)反演3.7應用歸結(jié)反演求解問題第46頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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,P→Q

Q

“如果x是金屬，則x能導電”,“銅是金屬”推出“銅能導電”

拒取式推理：P→Q,﹁Q

﹁P“如果下雨，則地下就濕”,“地上不濕”推出“沒有下雨”第47頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月48（1）如果下雨，則地上是濕的（P→Q

）；（2）沒有下雨（﹁P

）；（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：P→Q,﹁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（P→Q

）；（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：P→Q,Q

P第48頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月51確定性推理方法--自然演繹推理

應用推理規(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，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月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，推理過程靈活。便于嵌入領域啟發(fā)式知識。確定性推理方法--自然演繹推理

缺點：易產(chǎn)生組合爆炸，得到的中間結(jié)論一般呈指數(shù)形式遞增。第52頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月53確定性推理方法—歸結(jié)演繹推理反證法：，當且僅當，即Q為P

的邏輯結(jié)論，當且僅當是不可滿足的。

定理：Q為，，…，的邏輯結(jié)論，當且僅當

是不可滿足的。第53頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月54確定性推理方法—歸結(jié)演繹推理思路：定理不可滿足

子句集不可滿足海伯倫定理

魯賓遜歸結(jié)原理第54頁，課件共60頁，創(chuàng)作于2023年2月