第二章知识表示.ppt

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第2章知识表示2l知识是一切智能行为的基础，是人工智能的重知识是一切智能行为的基础，是人工智能的重要研究对象。

一个智能系统的智能性很大程度要研究对象。

一个智能系统的智能性很大程度上取决于知识的数量及其可利用程度。

上取决于知识的数量及其可利用程度。

l使计算机具有知识，首先必须解决知识的表示使计算机具有知识，首先必须解决知识的表示问题。

问题。

l两个问题两个问题1.概念概念2.表示方法表示方法32.1什么是知什么是知识？

l知识是人们在改造客观世界的实践中知识是人们在改造客观世界的实践中积累起来的认识和经验。

积累起来的认识和经验。

数据数据：

符号或符号的组合符号或符号的组合信息信息：

不同数据组成的一种结构不同数据组成的一种结构知识知识：

对信息进行智能性加工所形成的对客对信息进行智能性加工所形成的对客观世界规律性的认识观世界规律性的认识把把有关信息关联在一起所形成的信息结有关信息关联在一起所形成的信息结构构称为称为知识知识。

对客观世界对客观世界的描述的描述4l真假性及其相对性真假性及其相对性可以通过实践或推理来证明知识为真或为假可以通过实践或推理来证明知识为真或为假知识的真与假是相对于一定条件而言的知识的真与假是相对于一定条件而言的l不确定性不确定性不完备，不确定，模糊不完备，不确定，模糊l矛盾性或相容性矛盾性或相容性不同知识之间相互对立或不一致，或反之不同知识之间相互对立或不一致，或反之l可表示性与可利用性可表示性与可利用性知识可以用适当的形式表示，并用来解决问题知识可以用适当的形式表示，并用来解决问题知知识的属性的属性5l按知识的性质按知识的性质概念、命题、公理、定理、规则和方法等概念、命题、公理、定理、规则和方法等l按知识的作用范围按知识的作用范围常识性知识和领域性知识常识性知识和领域性知识l按知识的作用按知识的作用事实性知识、过程性知识和控制性知识事实性知识、过程性知识和控制性知识l按知识的层次按知识的层次表层知识和深层知识表层知识和深层知识l按知识的确定性按知识的确定性l按知识的结构及表现形式按知识的结构及表现形式逻辑性知识和形象性知识逻辑性知识和形象性知识知知识的的类型型62.2知识表示l知识表示是指用一些约定的符号把知识编码成一知识表示是指用一些约定的符号把知识编码成一组计算机可以接受的数据结构。

组计算机可以接受的数据结构。

l对知识表示方法的要求对知识表示方法的要求1.表示能力表示能力知识表示范围的广泛性；领域知识表示的高效知识表示范围的广泛性；领域知识表示的高效性；对非确定性知识表示的支持程度性；对非确定性知识表示的支持程度2.可利用性可利用性对推理的适应性和对高效算法的支持性对推理的适应性和对高效算法的支持性73.可组织性与可维护性可组织性与可维护性知识的组织是指把有关知识按照某种方式组成一种知识的组织是指把有关知识按照某种方式组成一种知识结构。

知识维护是指在保证知识的一致性与完整知识结构。

知识维护是指在保证知识的一致性与完整性的前提下对知识所进行的增加删除修改等操作。

性的前提下对知识所进行的增加删除修改等操作。

4.可实现性可实现性便于在计算机上实现便于在计算机上实现5.自然性与可理解性自然性与可理解性符合人们的日常习惯和思维方式，易读，易懂符合人们的日常习惯和思维方式，易读，易懂知知识表示表示8知知识表示表示观点点l陈述性观点陈述性观点以陈述方式把知识用一定的数据结构表示出来，把知以陈述方式把知识用一定的数据结构表示出来，把知识看作一种特殊的数据，知识表示仅说明描述的对象识看作一种特殊的数据，知识表示仅说明描述的对象是什么，不涉及如何运用知识的问题。

是什么，不涉及如何运用知识的问题。

l过程性观点过程性观点程序（亦称为过程）的方式把知识表示出来，把知识程序（亦称为过程）的方式把知识表示出来，把知识寓于程序之中，把知识表示和运用知识结合起来。

寓于程序之中，把知识表示和运用知识结合起来。

9状态空间法状态空间法问题归约法问题归约法谓词逻辑法谓词逻辑法语义网络法语义网络法框架表示法框架表示法知知识表示方法表示方法102.3状状态空空间法法l对人工智能研究中运用的问题求解方法进行对人工智能研究中运用的问题求解方法进行综合分析，可以发现许多问题求解方法是采用综合分析，可以发现许多问题求解方法是采用试探搜索方法的。

试探搜索方法的。

l也就是说，这种方法是通过在某个可能的解也就是说，这种方法是通过在某个可能的解空间内寻找一个解来求解问题的。

空间内寻找一个解来求解问题的。

l这种基于解答空间的问题表示和求解方法就这种基于解答空间的问题表示和求解方法就是状态空间法。

是状态空间法。

l状态空间法是以状态和算符为基础来表示和状态空间法是以状态和算符为基础来表示和求解问题的。

求解问题的。

11实例实例：

十五数码难题十五数码难题一一.问题的状态描述问题的状态描述如何把初始棋局变换为目标棋局？

如何把初始棋局变换为目标棋局？

12状状态态：

为为描描述述某某类类不不同同事事物物间间的的差差别别而而引引入入的的一一组组最最少少变变量量qq00，qq11，qqnn的有序集合，其矢量形式如下：

的有序集合，其矢量形式如下：

Q=qQ=q00，qq11，qqnn状态变量状态变量：

状态集合中的每个元素：

状态集合中的每个元素qqii（i=0,1,i=0,1,n,n）。

）。

具体状态具体状态：

给定每个分量的一组值。

如：

给定每个分量的一组值。

如QQkk=q=q0k0k，qq1k1k，qqnknk操操作作符符：

使使问问题题从从一一种种状状态态变变换换到到另另一一种种状状态态的的手手段段，也也叫叫算算符符。

算算符符可可以以是是走走步步、过过程程、规规则则、数数学学算算子子、运运算算符号或逻辑符号等。

符号或逻辑符号等。

问问题题的的状状态态空空间间：

表表示示该该问问题题全全部部可可能能状状态态及及其其关关系系的的图图。

它它包包含含三三种种说说明明的的集集合合，即即所所有有可可能能的的问问题题初初始始状状态态集集合合SS、操作符集合操作符集合FF以及以及目标状态集合目标状态集合GG。

因此，状态空间可记为三元组因此，状态空间可记为三元组（SS，FF，GG）。

一一.问题的状态描述问题的状态描述13二、状二、状态空空间法法l状态空间法状态空间法：

从某个初始状态开始，每次加一：

从某个初始状态开始，每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，个操作符，递增地建立起操作符的试验序列，直到达到目标状态为止。

直到达到目标状态为止。

l状态图状态图：

初始状态可达到的各状态所对应的节：

初始状态可达到的各状态所对应的节点组成的图。

点组成的图。

l当用一个图来表示某个状态空间时，图中各节当用一个图来表示某个状态空间时，图中各节点标上相应的状态描述，而有向弧线旁边标上点标上相应的状态描述，而有向弧线旁边标上算符。

算符。

l寻找从一种状态变换为另一种状态的某个算符寻找从一种状态变换为另一种状态的某个算符序列问题等价于寻找图的某一路径问题。

序列问题等价于寻找图的某一路径问题。

14图论中的几个术语：

图论中的几个术语：

图图；有有向向图图；后后继继节节点点（后后裔裔）；父父辈辈节节点（祖先）；点（祖先）；路路径径（长长度度为为kk的的路路径径）；节节点点nnjj是是从从节节点点nnii可达到的路径；可达到的路径；代价；两节点间路径的代价。

代价；两节点间路径的代价。

15三三.状态空间表示举例状态空间表示举例实例实例：

猴子摘香蕉问题猴子摘香蕉问题acb箱子箱子16实例实例：

猴子摘香蕉问题猴子摘香蕉问题问题状态的表示：

问题状态的表示：

四元组（四元组（W，x，Y，z）W：

猴子的水平位置。

：

猴子的水平位置。

W=a，b，c。

x：

当猴子在箱子顶上时取：

当猴子在箱子顶上时取x=1；否则取；否则取x=0。

Y：

箱子的水平位置。

：

箱子的水平位置。

Y=a，b，c。

z：

当猴子摘到香蕉时取：

当猴子摘到香蕉时取z=1；否则取；否则取z=0。

初始状态：

初始状态：

（a，0，b，0）目标状态：

目标状态：

（c，1，c，1）17算符集合：

算符集合：

goto（U）：

猴子走到水平位置：

猴子走到水平位置U。

（W，0，Y，z）goto（U）（U，0，Y，z）pushbox（V）：

猴子把箱子推到水平位置：

猴子把箱子推到水平位置V。

（W，0，W，z）pushbox（V）（V，0，V，z）climbbox：

猴子爬上箱顶。

：

猴子爬上箱顶。

（W，0，W，z）climbbox（W，1，W，z）grasp：

猴子摘到香蕉。

：

猴子摘到香蕉。

（c，1，c，0）grasp（c，1，c，1）算符的适用性条件：

强加于操作的实用性条件。

算符的适用性条件：

强加于操作的实用性条件。

如：

应用算符如：

应用算符pushbox（V）时，要求猴子与箱子必须时，要求猴子与箱子必须在同一位置。

在同一位置。

18操作序列：

操作序列：

goto（b），pushbox（c），climbbox，grasp猴子摘香蕉问题的状态空间图如下图所示。

猴子摘香蕉问题的状态空间图如下图所示。

19练习题：

练习题：

设有设有3个传教士和个传教士和3个野人来到河边，个野人来到河边，打算乘一只船从右岸渡到左岸去。

该船的打算乘一只船从右岸渡到左岸去。

该船的负载能力为两人。

在任何时候，如果野人负载能力为两人。

在任何时候，如果野人人数超过传教士人数，那么野人就会把传人数超过传教士人数，那么野人就会把传教士吃掉。

他们怎样才能用这条船安全地教士吃掉。

他们怎样才能用这条船安全地把所有人都渡过河去？

把所有人都渡过河去？

202.4问题归约法问题归约法问题归约法：

在现实生活中，有许多问：

在现实生活中，有许多问题可以通过一系列变换而最终变为一个题可以通过一系列变换而最终变为一个子问题集合；这些子问题的解可以直接子问题集合；这些子问题的解可以直接得到，通过解决这些子问题，从而就解得到，通过解决这些子问题，从而就解决了初始问题。

这样一种解决问题的思决了初始问题。

这样一种解决问题的思路就称为是问题归约法。

路就称为是问题归约法。

21实例实例：

梵塔难题梵塔难题一一.问题的归约描述问题的归约描述如何由初始配置变换为目标配置？

如何由初始配置变换为目标配置？

ABC123ABC123初始配置初始配置目标配置目标配置22我们把原始问题归约为我们把原始问题归约为3个子问题：

个子问题：

（1）移动移动A、B-2双圆盘问题：

可进一步归约双圆盘问题：

可进一步归约

（2）移动移动C-3单圆盘问题：

可直接求解单圆盘问题：

可直接求解-本原问题本原问题（3）移动移动A、B-3双圆盘问题：

可进一步归约双圆盘问题：

可进一步归约与或图与或图：

可以有效说明问题归约法的求解过程。

：

可以有效说明问题归约法的求解过程。

梵塔问题归约图梵塔问题归约图23问题归约描述：

问题归约描述：

采用问题归约法采用问题归约法描述与求解问题时描述与求解问题时问题归约表示由问题归约表示由三部分组成：

三部分组成：

（1）一个一个初始问题描述初始问题描述如：

如：

（111），（），（333）

（2）一套把问题变换为子问题的操作符一套把问题变换为子问题的操作符问题归问题归约算符约算符如：

移动如：

移动A、B-2等等（3）一套一套本原问题描述本原问题描述如：

如：

（122），（），（322）本原问题：

本原问题：

是可直接求解或具有已知解答的问题，出现是可直接求解或具有已知解答的问题，出现本原问题即可停止搜索。

本原问题即可停止搜索。

问题归约法的实质问题归约法的实质：

从目标（要解决的问题）出发：

从目标（要解决的问题）出发逆向逆向推理推理，建立子问题以及子问题的子问题，直至最后把初，建立子问题以及子问题的子问题，直至最后把初始问题归约为一个本原问题集合。

始问题归约为一个本原问题集合。

问题归约的目的问题归约的目的：

最终产生具有明显解答的本原问题。

：

最终产生具有明显解答的本原问题。

24二二.与或图表示与或图表示用问题归约法描述和求解问题的过程可以用一个与或图用问题归约法描述和求解问题的过程可以