知识与知识表示

——知识与知识表示李鸣华浙江师范大学教育学院全国高中人工智能课程研修班讲稿2内容提要知识的概念知识的分类知识的表示过程知识的表示方法3知识的概念知识（Knowledge）是人们在改造客观世界的实践中形成的对客观事物（包括自然的和人造的）及其规律的认识，包括对事物的现象、本质、状态、关系、联系和运动等的认识。经过人的思维整理过的信息、数据、形象、意象、价值标准以及社会的其他符号产物，不仅包括科学技术知识----知识中最重要的部分，还包括人文社会科学的知识、商业活动、日常生活和工作中的经验和知识，人们获取、运用和创造知识的知识，以及面临问题做出判断和提出解决方法的知识。4知识的概念知识是把有关的信息关联在一起，形成的关于客观世界某种规律性认识的动态信息结构。知识=事实+规则+概念事实就是指人类对客观世界、客观事物的状态、属性、特征的描述，以及对事物之间关系的描述。规则是指能表达在前提和结论之间的因果关系的一种形式；概念主要指事实的含义、规则、语义、说明等。5知识的分类一按知识的作用范围分：（1）常识性知识：通用性知识，适用于所有领域；如一年有四个季节。（2）领域性知识：面向某个具体领域的知识，是专业性知识，如疾病诊断的知识。6知识的分类2按知识的作用及表示划分：（1）事实性知识：用于描述领域内的有关概念、事实、事物的属性及状态；如：太阳从东方升起（2）过程性知识：与领域相关的、用于指出如何处理与问题相关的信息以及求得问题的解；如：如果信道畅通，请发绿色信号（3）控制性知识：又称为深层知识及元知识，是关于如何运用已有的知识进行问题求解的知识，也称为关于知识的知识。如：问题求解过程中的处理方法、搜索策略、控制结构7知识的分类3按知识的确定性来分：（1）确定性知识：指其逻辑值为真或假的知识，是精确性知识；如：他是男的（2）不确定性知识：是不精确、不完全、模糊性知识的总称。如：今天阴天，可能要下雨8知识的分类4按人类的思维及认识方法来分：（1）逻辑性知识：是反映人类逻辑思维过程的知识，一般具有因果关系或难以精确描述的特点，是人类的经验性知识和直观感觉；如：人的为人处事的经验与风格（2）形象性知识：通过事物的形象建立起来的知识。如:什么是牛？9知识的分类5知识的获取方式来分：（1）显性知识：指可通过文字、语言、图形、声音等形式编码记录和传播的知识；如：教材、音视频光盘。（2）隐性知识：指人们长期实践中积累获得的知识，不易用显性知识表达的知识。如：每个人都有不同的审美观。10知识的分类不管从什么角度去划分知识，要用机器对知识进行处理，都必须以适当的形式对知识进行表示，这就是知识表示技术。在选择知识表示的方法时应考虑几个因素：（1）能否充分表示相关领域的知识；（2）是否有利于对知识的利用；（3）是否便于知识的组织和管理；（4）是否便于理解和实现。11人工智能研究学派人工智能研究者根据研究的基础理论和方法不同，分为符号主义（又叫心理学派）、联结主义（又叫生理学派）、行为主义（又叫控制论学派）。（1）符号主义认为人的认知基元是符号，而且认知过程即符号操作过程，人通过自已的眼睛观察客观事物，用符号的形式表示出来，而计算机也是一个对逻辑符号表示的知识进行演绎的物理符号系统。因此可以用计算机自身所具有的符号处理推算能力来模拟人的智能行为。它的主要特征是知识可用符号表示，立足于逻辑运算和符号操作，适合于模拟人的逻辑思维过程，解决需要进行逻辑推理的复杂问题。12人工智能研究学派（2）联结主义又称仿生学，人脑是由大约1011个神经细胞组成，所以认为人的思维基元是神经元，而不是符号处理过程，主张采用模拟人的生理神经网络结构的研究方法。这种方法的特征是实现联想功能，对于带有噪声、缺损、变形的信息进行有效的处理，适合于模拟人类的形象思维过程，求解问题时，可以比较快地求得一个近似解。13人工智能研究学派（3）行为主义认为智能取决于感知和行动，不需要知识、不需要表示、不需要推理。认为人的智能行为是在与现实世界的环境交互作用下表现出来的，这种观点的核心是用控制取代知识表示，从而获得概念、模型以及显式表示的知识。这一观点还没有形成完善的理论体系。14知识表示入门—用实例说明知识表示的过程一个老农携带一只狐狸、一头羊羔和一筐白菜，要从南岸过河到北岸。岸边有一条小船，只有老农自己能划船，而且除了老农以外，每次只能再带一样东西过河。在整个渡河过程中，无论什么情况，若老农不在场时，则不允许狐狸和羊羔单独相处，否则羊羔会遭殃；羊羔也不得与白菜放在一起，否则羊羔会吃白菜。请问，老农如何才能把它们全部安全摆渡到北岸？15知识表示入门—自然语言描述1）老农携带羊羔过河，把狐狸和白菜留在南岸；2）老农到达北岸，把羊羔留在北岸，并独自回到南岸；3）老农携带狐狸过河，把白菜留在南岸；4）老农到达北岸，把狐狸留下，并带上羊羔回到南岸；5）老农把羊羔留在南岸，携带白菜过河；6）老农到达北岸，把白菜和狐狸留在北岸，独自回到南岸；7）老农最后携带羊羔过河，到达北岸。问题就此解决。16知识表示入门—状态和操作用符号表示：M：代表老农(farmer)F：代表狐狸(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：表示从南到北N-S：表示从北到南17知识表示入门—状态和操作用（M，F，L，C）表示四个对象的一个状态,可有S和N两个值；改变状态的操作，可分别用1，0表示。表示对象“在船上”和“不在船上”两个值。如：初始状态：（S，S，S，S），终止状态：（N，N，N，N），中间状态：S-N（1，1，0，0）18知识表示入门—状态约束分析老农和其他三个对象不在同一岸（狐狸要吃羊羔，羊羔要吃白菜）(S,N,N,N)：老农在南岸，其他三个对象在北岸(N,S,S,S)：老农在北岸，其他三个对象在南岸羊羔和白菜在同一岸（羊羔要吃白菜）(S,S,N,N)：老农和狐狸在南岸，羊羔和白菜在北岸(N,N,S,S)：老农和狐狸在北岸，羊羔和白菜在南岸狐狸和羊羔在同一岸（狐狸要吃羊羔）(S,N,N,S)：老农和白菜在南岸，狐狸和羊羔在北岸(N,S,S,N)：老农和白菜在北岸，狐狸和羊羔在南岸因老农、狐狸、羊羔和白菜都有2种状态，即在南岸和北岸，所以4个对象的总状态数为2*2*2*2=16种，按条件要求，有几种状态不能存在，如表所示。所以只有10种可能状态。19知识表示入门—操作约束根据题意，在10种可能的安全状态里，只有4种是有可能的操作：1）老农独自过河（包括从南岸到北岸和从北岸到南岸，下同）2）老农携带狐狸过河3）老农携带羊羔过河4）老农携带白菜过河20知识表示入门—问题求解过程的表示(S,S,S,S)S--N(1,0,1,0)(N,S,N,S)N--S(1,0,0,0)(S,S,N,S)S--N(1,1,0,0)(N,N,N,S)N--S(1,0,1,0)(S,N,S,S)S--N(1,O,0,1)(N,N,S,N)S--N(1,0,0,1)(N,S,N,N)N--S(1,0,1,0)(S,S,S,N)S--N(1,1,0,0)N--S(1,0,0,0)(S,N,S,N)S--N(1,0,1,0)(N,N,N,N)N-S（1,1,0,0）21知识表示法所谓知识表示（KnowledgeRepresentation）,就是把知识用计算机可接受的符号并以某种形式描述出来。常见的知识表示方式有一阶谓词逻辑、产生式表示、状态空间图表示、与或图表示、语义网络、框架结构表示，还有问题归纳法、面向对象法等。22知识表示法—一阶谓词逻辑（1）命题逻辑“命题逻辑”是“谓词逻辑”的基础。在现实世界中，有些陈述语句在特定情况下都具有“真”或“假”的含义，在逻辑上称这些语句为“命题”。如：A。天在下雨。B。天晴C。人是会死的D。他在哭表达单一意义的命题称为“原子命题”。命题逻辑就是研究命题和命题之间关系的符号逻辑系统。23知识表示法—一阶谓词逻辑（2）命题逻辑的联结词原子命题可通过“联结词”构成“复合命题”，联结词有5种，定义为：1）¬表示否定，复合命题“¬Q”即“非Q”2）∧表示合取，复合命题“P∧Q”表示“P与Q”3）∨表示析取，复合命题“P∨Q”表示“P或Q”4）→表示条件，复合命题“P→Q”表示“如果P，那么Q”5）表示双条件，复合命题“PQ”即表示“P当且仅当Q”24知识表示法—一阶谓词逻辑（3）命题逻辑的蕴含式表示蕴含，如果P→Q恒为真，则称“PQ”为“P永真蕴含Q”如：如果天下大雨，则停止足球赛；（P→Q）天正在下大雨；（P）所以停止足球赛。（Q）可以表示为：P，P→QQ例：如果是鸟，那么就会飞。（P→Q）驼鸟是鸟（P）所以驼鸟就会飞（Q）这个推理就不正确，原因是P→Q不是永真的。25知识表示法—一阶谓词逻辑谓词逻辑是命题逻辑的扩充和发展，它将一个原子命题分解成客体和谓词两个组成部分。在谓词公式P（x）中，P称为谓词，x称为个体变元，若x是一元的，称为一元谓词，P（x,y）称为二元谓词。在谓词中，个体可以为常量，变量，函数。若谓词中的个体都为常量，变量或函数，则称它为一阶谓词，如果个体本身是谓词，称为二阶谓词，依次类推。谓词公式也有原子谓词公式、复合谓词公式等概念，利用命题逻辑的联结词将原子逻辑化式组合为复合谓词公式。26知识表示法—一阶谓词逻辑（4）谓词逻辑的量词(Quantifiers)量词表示了个体与个体域之间的包含关系，谓词逻辑中有两个量词：1）全称量词（UniversalQuantifiers）用字符“”表示。表示了该量词作用的辖域为个体域中“所有的个体x”或“每一个个体都”要遵从所约定的谓词关系。例：（x）(现代理工科大学生)（x）→学习计算机应用基础（x）),其含义是所有现代理工科大学生x，都必须学习计算机应用基础。2）存在量词（ExistentialQuantifier）用符号“”表示。表示了该量词要求“存在于个体域中的某些个体x”或“某个个体x”要服从所约定的谓词关系。27知识表示法—一阶谓词逻辑（5）一阶谓词逻辑表达方法如：诸葛亮是人。表示为：Human(Zhugeliang)马科斯是男人。表示为：Man(Marcs)张三是李四的老师表示为：Teacher(张三，李四)所有庞贝人都是罗马人。表示为：x(Pompeian(x)→Roman(x))恺撒是一位统治者。表示为：ruler(Caesar)28知识表示法—一阶谓词逻辑例：机器人世界示例。设机器人处在凹室（alcove），A，B为两张桌子，桌子A上放一个盒子box，让机器人把盒子从A放到B上，然后回到原处。试描述问题的初始状态和目标状态。首先定义下列谓词：TABLE(x):x是桌子；EMPTY(y):y手中是空的；AT(y,z):y在z旁边；HOLD(y，w)：y手中拿着w;ON(w,x):w放在x上。其中变量的取值范围是：x{A,B},z{A,B,alcove},w{box},y={robot}boxAB∈∈∈29知识表示法—一阶谓词逻辑初始状态的谓词逻辑的合取表示为：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,A)TABLE(A)TABLE(B)目标状态的谓词逻辑的合取表示为：AT(robot,alcove)EMPTY(robot)ON(box,B)TABLE(A)TABLE(B)30知识表示法—产生式规则表示产生式规则表示通常用于描述事物之间的一种因果关系。其基本形式为：IFPTHENQ或直接表达为P→Q其中，P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件，也可称为前件；Q是产生式的结论或操作，用于指出当前提P被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作，也可称为后件。31知识表示法—产生式规则表示在自然语言表达中，人们广泛使用的各种“原因→结果”，“条件→结论”，“前提→操作”，“事实→进展”，“情况→行为”等结构，都可归结为产生式的知识表达形式。例如，天下雨，地上湿；“原因→结果”如果把水加热到00以上，冰就会溶化为水；“条件→