【正文】 浙江大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院《人工智能》講座徐從富 (Congfu Xu) PhD, Associate Professor Email: Institute of Artificial Intelligence, College of Computer Science, Zhejiang University, Hangzhou 310027, . ChinaDecember 4, 2023第二講 人工智能原理及應(yīng)用(Lecture 2 Principles Applications of AI)提綱n 知識(shí)表示n 專家系統(tǒng)n 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)n 不確定性推理 n 機(jī)器學(xué)習(xí)n 數(shù)據(jù)挖掘n AI的若干研究前沿2 知識(shí)表示 ? 知識(shí)是智能的基礎(chǔ)n 獲得知識(shí)n 運(yùn)用知識(shí) ? 符合計(jì)算機(jī)要求的知識(shí)模式n 計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)、處理的知識(shí)表示模式n 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（ List, Table, Tree, Graph, etc.） 知識(shí)表示的重要性3? 數(shù)據(jù) (Data)n 信息的載體和表示n 用一組符號(hào)及其組合表示信息? 信息 (Information)n 數(shù)據(jù)的語義n 數(shù)據(jù)在特定場(chǎng)合下的具體含義? 知識(shí) (Knowledge)n 信息關(guān)聯(lián)后所形成的信息結(jié)構(gòu)：事實(shí) 規(guī)則n 經(jīng)加工、整理、解釋、挑選、改造后的信息 數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)4 知識(shí)的特性n 相對(duì)正確性n 一定條件下n 某種環(huán)境中n ......n 不確定性n 存在 “中間狀態(tài) ”n “真 ”（ “假 ”）程度n 隨機(jī)性n 模糊性n 經(jīng)驗(yàn)性n 不完全性n ......n 可表示性 可利用性n 語言n 文字n 圖形n 圖像n 視頻n 音頻n 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)n 概率圖模型n ......5 知識(shí)的分類n 常識(shí)性知識(shí)、領(lǐng)域性知識(shí) （ 作用范圍）n 事實(shí)性知識(shí)、過程性知識(shí)、控制知識(shí) （作用及表示）n 確定性知識(shí)、不確定性知識(shí) （確定性）n 邏輯性知識(shí)、形象性知識(shí) （結(jié)構(gòu)及表現(xiàn)形式）n 零級(jí)知識(shí)、一級(jí)知識(shí)、二級(jí)知識(shí) （抽象程度）6 常用的知識(shí)表示方法n 一階謂詞 （ First Order Predicate）n 產(chǎn)生式 （ Production）n 框架 （ Framework）n 語義網(wǎng)絡(luò) （ Semantic Network）n 劇本 （ Script）n 過程 （ Procedure）n 面向?qū)ο?（ ObjectOriented）n Petri網(wǎng) （ Petri Network）n 信念網(wǎng) （ Belief Network）n 本體論 （ Ontology）n …… 7 如何選擇合適的知識(shí)表示方法？n 充分表示 領(lǐng)域知識(shí)n 有利于 對(duì)知識(shí)的利用n 便于 理解和實(shí)現(xiàn)n 便于 對(duì)知識(shí)的組織、管理與維護(hù)8 一階謂詞表示法1. 何謂一階謂詞？n 定義n 謂詞：就是帶參數(shù)的命題。n 謂詞公式：用連詞 （ ?, ?, ?等） 把原子謂詞公式組成的合適公式。n 舉例n CITY(X), ~HUMAN(X), INROOM(ROBOT, R1), etc.n HUMAN(X) ? LAWED(X)，表示：人人都受法律管制n {[HUMAN(X) ? LAWED(X)] ? [COMMIT(X) ? PUNISHED(X)]}，表示： 如果由于某個(gè) X是人而受到法律管制，則這個(gè)人犯了罪就一定要受到懲罰。 9Syntax item Usually used Others取反 ： Negation (not) ~P, ?P P（加上劃線）合取 ： Conjunction(and) P ? Q PQ PQ PQ P,Q析取 ： Disjunction(or) P ? Q P|Q P。Q P+Q蘊(yùn)涵 ： Implication(if) P?Q P?Q P ? Q等價(jià) ： Equivalence(iff) P?Q P?Q P?Q全稱量詞 ： Universal (all) (?x) P(x) ?x P(x) ?x P(x) 存在量詞 ：Existential(exists)(?x) P(x) ?x P(x) ?x P(x)關(guān)系 ： Relation R(x, y) (R x y) Rxy xRy2. 常用的謂詞公式表示方法對(duì)照表103. 謂詞公式的表達(dá)方法舉例n 實(shí)例 1n 試用謂詞演算表示如下英文句子： “For every set x, there is a set y, such that the cardinality of y is greater than the cardinality of x.”n 對(duì)應(yīng)的謂詞公式： (?x) {SET(x) ? (?y) (?u) (?v) [SET(y) ? CARD(y, u) ? CARD(x, v) ?G(u,v)]}n 實(shí)例 2n “世上決沒有無緣無故的愛，也沒有無緣無故的恨。 ”n 對(duì)應(yīng)的謂詞公式： ??x[愛 (x) ? ? ?y 緣故 (x, y)] ? ??t[恨 (t) ? ? ?s 緣故 (t, s)]114. 一階謂詞表示法的優(yōu)、缺點(diǎn)(1) 優(yōu)點(diǎn)n 自然性n 接近自然語言，容易接受n 精確性n 用于表示精確知識(shí)n 嚴(yán)密性n 有嚴(yán)格的形式定義和推理規(guī)則n 易實(shí)現(xiàn)性n 易于轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)內(nèi)部形式12一階謂詞表示法的優(yōu)、缺點(diǎn)（續(xù)）(2) 缺點(diǎn)n 無法表示不確定性知識(shí)n 所能表示的知識(shí)范圍太狹窄n 難以表示啟發(fā)性知識(shí)及元知識(shí)n 未能充分利用與問題本身特性有關(guān)的知識(shí)n 組合爆炸n 經(jīng)常出現(xiàn)事實(shí)、規(guī)則等的組合爆炸n 效率低n 推理與知識(shí)的語義完全割裂13 產(chǎn)生式表示法n 1943年 E. Post第一次提出n 稱為 “Post機(jī) ”的計(jì)算模型n 一種描述形式語言的語法n AI中應(yīng)用最多的知識(shí)表示方法之一n Feigenbaum研制的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)DENDRALn Shortliffe研制的的診斷感染性疾病的專家系統(tǒng)MYCINn ……14P ? Q CF = [0, 1]或 IF P THEN Q CF = [0, 1]其中， P是產(chǎn)生式的 前提 ， Q是一組 結(jié)論 或 操作 ，CF(Certainty Factor)為 確定性因子 ，也稱 置信度 。 【說明】：謂詞邏輯中的 蘊(yùn)涵式 與 產(chǎn)生式 的基本形式相似，事實(shí)上，蘊(yùn)涵式只是產(chǎn)生式的一種特殊情況。1. 產(chǎn)生式的基本形式15 2. 產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn) (1) 產(chǎn)生式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) a）自然性 ：由于產(chǎn)生式系統(tǒng)采用了人類常用的表達(dá)因果關(guān)系 的知識(shí)表示形式，既直觀、自然，又便于進(jìn)行推理。 b）模塊性 ：產(chǎn)生式是規(guī)則庫中的最基本的知識(shí)單元，形式相同，易于模塊化管理。 c）有效性 ：能表示確定性知識(shí)、不確定性知識(shí)、啟發(fā)性知識(shí)、過程性知識(shí)等。 d）清晰性 ：產(chǎn)生式有固定的格式，既便于規(guī)則設(shè)計(jì)，又易于對(duì)規(guī)則庫中的知識(shí)進(jìn)行一致性、完整性檢測(cè)。16（ 2）產(chǎn)生式系統(tǒng)的缺點(diǎn) a）效率不高 產(chǎn)生式系統(tǒng)求解問題的過程是一個(gè)反復(fù)進(jìn)行 “ 匹配 —沖突消解 — 執(zhí)行 ” 的過程。由于規(guī)則庫一般都比較龐大，而匹配又是一件十分費(fèi)時(shí)的工作，因此，其工作效率不高。此外，在求解復(fù)雜問題時(shí) 容易引起組合爆炸 。 b）不能表達(dá)具有結(jié)構(gòu)性的知識(shí) 產(chǎn)生式系統(tǒng)對(duì)具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的知識(shí)無能為力，它 不能把具有結(jié)構(gòu)關(guān)系的事物間的區(qū)別與聯(lián)系表示出來 ，因此，人們經(jīng)常將它與其它知識(shí)表示方法（如框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法）相結(jié)合。173. 產(chǎn)生式系統(tǒng)的適用領(lǐng)域 （ 1）由許多相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)元組成的領(lǐng)域知識(shí)，彼此之間關(guān)系不密切，不存在結(jié)構(gòu)關(guān)系。如： 化學(xué)反應(yīng) 方面的知識(shí)。 （ 2）具有經(jīng)驗(yàn)性及不確定性的知識(shí)，而且相關(guān)領(lǐng)域中對(duì)這些知識(shí)沒有嚴(yán)格、統(tǒng)一的理論。如： 醫(yī)療診斷、故障診斷 等方面的知識(shí)。 （ 3）領(lǐng)域問題的求解過程可被表示為一系列相對(duì)獨(dú)立的操作，而且每個(gè)操作可被表示為一條或多條產(chǎn)生式規(guī)則。18 框架表示法 1. 框架理論 1975年美國著名 AI學(xué)者 Minsky在其論文 “A framework for representing knowledge”中提出了框架理論，并把它 作為理解視覺、自然語言對(duì)話及其它復(fù)雜行為的基礎(chǔ) 。 框架理論的基本思想 ：認(rèn)為人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的認(rèn)識(shí)都是以一種類似于框架的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在記憶中的，當(dāng)面臨一個(gè)新事