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1第9章智能应用简介9.1自然语言理解简介9.1.1自然语言理解的基本概念9.1.2词法分析9.1.3句法分析9.1.4语义分析9.2专家系统简介2自然语言：是指人类日常交流所使用的语言。自然语言理解：主要研究如何使计算机能够理解和生成自然语言。自然语言组成：是音义结合的词汇和语法体系。词汇是语言的基本单位，它在语法的支配下可构成有意义和可理解的句子，句子再按一定的形式构成篇章等。其结构如下图所示：语言造句法词汇是语言的基本单位。熟语是指一些词的固定组合，如汉语中的成语。词又由词素构成，词素是构成词的最小有意义的单位。如“学生”是由“学”和“生”这两个词素构成的。语法是语言的组织规律。词法是用词素或熟语构成词的规则，可分为构形法和构词法。构形法是指单数复数等。造句法是用词和词组构造句子的规则。词汇语法句法构形法构词法词熟语词法词素词组构造法9.1.1自然语言理解的基本概念自然语言与自然语言理解3自然语言理解分声音语言和文字语言，声音语言理解分5个阶段，而文字语言的理解为声音语言的后4个阶段。语音分析要让计算机能够听懂人类的语言声音语言的最小单位是因素，先根据音位规则，从语音流中分解出独立的因素，再根据音位形态规则找出一个个音节及其对应的词或词素。词法分析按照词法，将句子切成一个个词句法分析句法分析：按照句法，把词组成句子语义分析上下文无关，分析句子的语义语用分析上下文有关，分析句子在段落中的意思9.1.1自然语言理解的基本概念自然语言理解的层次4其主要任务是要找出词汇的各个词素，从中获得语言学信息，并确定单词的词义。以英语为例，其词法分析的基本算法如下：repeatlookforwordindictionaryifnotfoundthenmodifytheworduntilwordisfoundornofurthermodificationpossible其中，word是一个变量，其初始值就是当前词。例9.1用上述算法分析catches。解：其分析过程如下：catches词典中查不到catche修改1：去掉scatch修改2：去掉e可以看出，在修改2时就查到了catch。当然，这只是一个很简单的例子，完整的词法分析还应该包括复合词的切分等。9.1.2词法分析59.1.3句法分析句法规则的表示方法（句子结构的表示）常用方法主要有上下文无关文法、变换文法等。句子结构的表示一个句子由各种不同的句子成分组成。这些成分可以是单词、词组或从句。也还可以按其作用分为主语、谓语、宾语、宾语补语、定语、状语、表语等。这种关系可用一棵树来表示，如：Hewroteabook可用图9.2所示的树形结构来表示一个句子又由若干个词类构成，如名词、动词、代词、形容词等。若从句子的词类考虑，一个句子也可用一棵分析树表示。如图9.3所示。句子主语谓语动词宾语Hewroteabook句子代词动词短语动词名词短语Hewroteabook图9.2按句子成分构成的分析树图9.3按词类构成的分析树6上下文无关文法(Context-freeGrammars)是乔姆斯基提出的一种对自然语言语法知识进行形式化描述的方法。在这种文法中，语法知识是用重写规则表示的。作为例子，下面给出了一个英语的很小的子集，图9-4。语句→句子终标符句子→名词短语动词短语动词短语→动词名词短语名词短语→冠词名词名词短语→专用名词冠词→the名词→professor动词→wrote名词→book动词→trains专用名词→Jack终标符→..这就是一个英语子集的上下文无关文法在该文法中，“语句”是一个特殊的非终极符，称为起始符。9.1.3句法分析句法规则的表示方法（上下文无关文法）1/27例9.2利用上述上下文无关文法，给出如下语句的分析树。TheprofessortrainsJack.Theprofessor.trainsJack解：如下图9.1.3句法分析句法规则的表示方法（上下文无关文法）2/2句子语句终标符动词短语名词短语冠词名词动词名词短语专用名词8上下文无关文法反映的仅是一个句子本身的层次结构和生成过程，而自然语言是上下文有关的。为此，乔姆斯基又提出了变换文法(TransformationalGrammar)。该文法认为，句子的结构有深层和表层两个层次。例如：Shereadmeastory和Shereadastorytome的表层结构不一样，但它们的深层结构则是一样的。再如，主动句和被动句也只是表层结构不同，其深层结构则是相同的。在变换文法中，句子深层结构和表层结构之间的变换是通过变换规则实现的，如图9.6给出了一条把主动句变换为被动句的变换规则。动词介词动词的过去分词名词短语1句子介词短语句子名词短语1动词短语动词名词短语2名词短语2动词被动语态9.1.3句法分析句法规则的表示方法(变换文法)1/29助动词介词动词的过去分词名词短语1句子介词短语句子名词短语1动词短语动词名词短语2名词短语2动词被动语态冠词名词专用名词上下文无关文法变换规则冠词名词TheprofessorJacktrainsJack专用名词istrainedbytheprofessorprofessor先用上下文无关文法得句子的深层结构，再用变换文法得表层结构。例9.3利用变换文法，将前述主动句变为被动句。解：其变换过程是：先从非终极符“句子”开始产生一个主动句：TheprofessortrainsJack然后再应用图9.7所示的变换规则把它变为被动句：Jackistrainedbytheprofessor动词冠词名词Theprofessor名词短语2专用名词trains动词冠词名词TheprofessorJack名词短语2专用名词trains动词冠词名词Theprofessor9.1.3句法分析句法规则的表示方法(变换文法)2/210自顶向下分析，是指从起始符开始应用文法规则，一层一层地向下产生分析树的各个分支，直至生成与输入语句相匹配的完整的句子结构为止。例如，图9-4所示的上下文无关文法，采用自顶向下分析方法对语句：TheprofessortrainsJack.进行分析的过程是：首先，从起始符“语句”开始，正向运用规则：语句→句子终标符把分析树的根节点“语句”替换为它的两个子节点“句子”和“终标符”。如分析树一然后，再对新生成的节点“句子”使用规则：句子→名词短语动词短语将其替换为两个子节点“名词短语”与“动词短语”。如分析树二语句句子终标符语句句子终标符图：部分分析树一动词短语名词短语图：部分分析树二9.1.3句法分析自顶向下分析11接着，对于“名词短语”，有两条规则可用，若按规则的排列顺序，则选用名词短语→冠词名词将“名词短语”被替换为“冠词”和“名词”，生成两个新节点。如分析树三再接着，对“冠词”使用规则：冠词→The对名词使用规则：名词→professor将冠词替换为The，名词替换为professor。如分析树四语句句子终标符动词短语明词短语图：部分分析树三冠词名词句子终标符动词短语明词短语图：部分分析树四冠词名词语句Theprofessor依此进行…，最后可得到如图9.5所示的自顶向下的完整分析树。9.1.3句法分析自顶向下分析12它以输入语句的单词为基础，首先按重写规则的箭头指向，反方向使用那些最具体的重写规则，把单词归并成较大的结构成分，如短语等，然后对这些成分继续逆向使用规则，直到分析树的根节点为止。还是前面的语句TheprofessortrainsJack按自底向上，先逆向使用图8.4中的具体规则，可得到如下所示的部分分析树。Jack名词短语专用名词trains动词冠词名词Theprofessor终标符.然后，继续逆向使用规则，一步步归并，直到根节点“语句”为止，最后即可生成如图9.5所示的完整的分析树。自顶向下分析方法与自底向上分析方法虽然思路清晰，但分析效率不高。为了提高分析效率，可采用自顶向下与自底向上相结合的分析方法。9.1.3句法分析自底向上分析139.1.4语义分析概述语义分析就是要识别一句话所表达的实际意义。即弄清楚“干什么了”，“谁干的”，“这个行为的原因和结果是什么”以及“这个行为发生的时间、地点及其所用的工具或方法”等。由于句法分析仅是在句法范围内根据词性信息来分析自然语言中句子的文法结构，并没有考虑句子本身的含义，因此不能排除像Thepaperreceivedtheprofessor这种在语法结构上正确，但实际意义上错误的句子。目前，用于语义分析的技术比较多，本节仅简单介绍语义文法和格文法。14语义文法是在上下文无关文法的基础上，将“名词短语”、“动词短语”、“名词”等这些不含有语义信息的纯语法类别，用所讨论领域的专门信息，像“山”、“水”、“动物”、等这些具有很强语义约束的语义类别来代替。利用语义文法进行语义分析，就可以排除像“论文收到教授”这类无意义的句子。例如，下面是一个关于舰船信息的语义文法的例子：S→PRESENTtheATTRIBUTEofSHIP//介绍舰船的属性信息PRESENT→whatis|canyoutellme//是什么或能告诉什么ATTRIBUTE→length|class//长度或级别SHIP→theSHIPNAME|CLASSNAMEclassship//舰船名或类别名SHIPNAME→Huanghe|Changjiang//黄河或长江CLASSNAME→carrier|submarine//货船或潜艇在上述重写规则中，用大写英文字母的单词表示非终极符，小写英文字母表示终极符，竖线表示“或”的意思。利用上述语义文法进行语义分析，可以从语义上识别以下的输入：whatisthelengthoftheHuanghe?//黄河号的长度CanyoutellmetheclassoftheChangjiang?//长江号的级别？9.1.4语义分析语义文法15格文法是以句子的中心动词为主导，并用格来表示其它成分与此中心动词之间的语义关系的一种描述方法。格文法及其分析过程比较复杂，下面仅讨论格的简单概念、格框架的简化表示、格文法分析的大致过程。语义分析中的“格”与传统语法中的格有着本质不同。在传统语法中，格仅表示一个词或短语再句子中的功能，如主格、宾格、等，反映的也只是词尾的变化规则，故称为表层格。在格文法中，格表示的是语义方面的关系，反映的是句子中所包含的思想、观念等，故称为深层格。格文法中的“格”相对于中心动词的不同语义关系，格可分为许多种。例如，在句子JohngavethebooktoSally中，相对于中心动词gaveJohn是这个行为的发出者，称为动作格；thebook是行为作用的对象，称为受动格；Sally是行为作用对象所到达的目标，称为目标格。9.1.4语义分析格文法(格和格框架)16一套正确的深层格究竟应包括多少个格，以及这些格的明确含义是什么，目前尚无定论。下面给出一个描述行为的句子，它所涉及的深层格主要有：Agent（施事），动作主格，指行为的施动者；Object（受事），受动者格，指行为作用的对象；Co-Agent（共施事），帮助者格，指行为施动者的合作者；Instrument（工具），工具格，指施事者或共施事者实现行为中所使用的对象；Time（时间），时间格，指行为发生的时间；Source（来源），来源格，指行为作用对象移出的位置；Goal（目标），目标格，指行为作用对象到达的位置；Trajectory（轨迹），轨迹格，指从来源到目标所经过的路径。9.1.4语义分析格文法(格和格框架)17格框架是一种用来描述句子深层格的框架。在格文法中，每个句子都联系着一个格框架。其中，框架名可以是相应句子的中心动词，框架的槽可分别对应于相应句子的各个深层格，每个槽的槽值为该深层格在相应句子中所代表的语义成分。例如，前述句子分析结束时所得到的实际格框架为：[GAVEAgent:John//动作主格Object:thebook//受动者格Co-Agent：//帮助者格空Instrument：//工具格空Time：//时间格空Source