Представление знаний в интеллектуальных системах

Содержание

Слайд 2

3.1. Проблемы представления и моделирования знаний Типы знаний, которые должны быть

3.1. Проблемы представления и моделирования знаний
Типы знаний, которые должны быть представлены


в системах ИИ:
структура, форма, свойства, функции и возможные состояния объекта
возможные отношения между объектами, возможные события, в которых эти объекты могут участвовать
физические законы
возможные эффекты действий и состояний, причины и условия возникновения событий и состояний
возможные намерения, цели, планы и т. д.
Типы знаний по Фейгенбауму
об объектах и категориях окружающего мира; о событиях, определяющих временные последовательности и причинно-следственные связи
о деятельности, т. е. о способности выполнять какие-либо действия
метазнания, т. е. «знания о размере наших знаний или о границах наших способностей»
Слайд 3

Аспекты, присущие всем СПЗ Все СПЗ имеют дело с двумя мирами

Аспекты, присущие всем СПЗ

Все СПЗ имеют дело с двумя мирами –

представляемым и представляющим
Вместе они образуют основу для представления, если решены следующие вопросы:
Чем является представляемый мир?
Чем является представляющий мир?
Какие аспекты представляемого мира смоделированы?
Какие аспекты представляющего мира смоделированы?
Каково соответствие между этими мирами?
Слайд 4

Общие для всех СПЗ проблемы приобретения новых знаний и их взаимодействие

Общие для всех СПЗ проблемы

приобретения новых знаний и их взаимодействие с

уже существующими
организации ассоциативных связей
выбора диапазона в размере элементов представления, связан­ной с тем, насколько «детально могут быть описаны объекты и события, и какая часть внешнего мира может быть представлена в конкретной системе»
неоднозначности и выбора семантических примитивов
модульности и понимания
явности знаний и доступности
выбора соотношения декларативной и процедурной состав­ляющих представления, что влияет на экономичность системы, полноту, легкость кодировки и понимания
Слайд 5

3.2. Представление знаний на основе фреймов и семантических сетей 3.2.1. Фреймы

3.2. Представление знаний на основе фреймов и семантических сетей 3.2.1. Фреймы

Фреймы

- это минимальные структуры информации, необходимые для представления класса объектов, явлений или процессов
<ИФ, (ИС, ЗС, ПП),..., (ИС, ЗС, ПП)>
где ИФ – имя фрейма, ИС – имя слота, ЗС – значение слота, ПП – имя присоединенной процедуры
Схема фрейма
Слайд 6

Свойства фреймов Базовый тип. Наиболее важные объекты запоминаются в виде базовых

Свойства фреймов

Базовый тип. Наиболее важные объекты запоминаются в виде базовых фреймов
Процесс

сопоставления. Фрейм содержит условия, ограничивающие значения слота, а цель используется для определения, какое из этих условий, имея отношение к данной ситуации, является существенным
Иерархическая структура. Информация об атрибутах, которую содержит фрейм верхнего уровня, совместно используются всеми фреймами нижних уровней, связанных с ним.
Сети фреймов. Обеспечивают поиск подобного фрейма с помощью фреймовых соединений, описывающих объекты с небольшими различиями
Отношение «абстрактное - конкретное». На верхних уровнях расположены абстрактные объекты, а на нижних – конкретные объекты, при чем объекты нижних уровней наследуют атрибуты объектов верхних уровней
Отношение «целое - часть». Объект нижнего уровня является частью объекта верхнего уровня
Слайд 7

3.2.2. Семантические сети Семантическая сеть представляет собой направленный граф с помеченными

3.2.2. Семантические сети

Семантическая сеть представляет собой направленный граф с помеченными вершинами

и дугами, в котором вершины соответствуют конкретным объектам, а дуги, их соединяющие, отражают имеющиеся между ними отношения
Отношения, используемые в семантических сетях:
- Лингвистические
- Атрибутивные
- Логические
- Квантифицированные
- Теоретико-множественные
Слайд 8

Интенсиональная Семантическая сеть описывает предметную область на обобщенном, концептуальном уровне Если

Интенсиональная Семантическая сеть описывает предметную область на обобщенном, концептуальном уровне

Если имеется

конечное множество атрибутов А = {Аi, i= } и конечное множество отношений R={Rj,j=}, то под интенсионалом отношения Rj понимают набор пар вида:
INT (Rj) = {…[Ai,DOM(Ai)],…},
в которых DОМ (Ai) означает домен Аi, т. е. множество значений атрибута Аi соответствующего отношения Rj.
Слайд 9

В экстенсиональной семантической сети производятся конкретизация и наполнение фактическими данными Под

В экстенсиональной семантической сети производятся конкретизация и наполнение фактическими данными

Под экстенсионалом

отношения Rj понимают множество
ЕХТ (Rj) = {F1,...,Fp},
где Fk - факт отношения Rj, задаваемый в виде совокупности пар вида «атрибут» — «значение»
Слайд 10

3.3. Продукционные и логические модели представления знаний 3.3.1. Продукционные модели Продукционные

3.3. Продукционные и логические модели представления знаний 3.3.1. Продукционные модели

Продукционные модели

— это набор правил вида «условия — действие», где условиями являются утверждения о содержимом некой базы данных, а действия представляют собой процедуры, которые могут изменять содержимое БД
В продукционных системах можно выделить три основные компоненты:
1. Неструктурированная или структурированная БД
2. Некоторое число продукционных правил или просто продукций.
Каждая продукция состоит из двух частей:
* условий (антецедент)
* действий (консеквент)
3. Интерпретатор
Слайд 11

3.3.2. Логические модели представления знаний. Исчисление предикатов Логические модели являются формой

3.3.2. Логические модели представления знаний. Исчисление предикатов

Логические модели являются формой представления

знаний о проблемных областях с небольшим пространством поиска решений и определенными фактами и знаниями
Предикат – переменное высказывание, истинность и ложность которого зависят от значений его переменных
Высказывание есть утвердительное предложение, которое либо истинно (И), либо ложно (Л).
В логике высказываний символы P, Q, R и т.д., используемые
для обозначения высказываний, называются атомарными
формулами
Составные высказывания строятся из высказываний с помощью
логических операторов ¬ (не), ∧ (и), ∨ (или), → (если…, то…), ↔ (тогда и только тогда, равнозначность)
Правильно построенная формула (ППФ) – выражение, которое
представляет высказывание или составное высказывание
Если P и Q – ППФ, то (¬P), (P∧Q), (P∨Q), (P→Q) и (P↔Q) – ППФ
Слайд 12

Истинность и ложность формул Пусть G – пропозициональная формула и A1,

Истинность и ложность формул

Пусть G – пропозициональная формула
и A1, A2,…,An

– ее атомарные формулы
Интерпретацией формулы G является такое приписывание истинностных значений атомарным формулам А1…Аn, при котором каждому Аi приписано либо И, либо Л (но не оба вместе).
Если формула истинна при всех возможных интерпретациях, то говорят, что она является общезначимой формулой (тавтологией).
Обозначим ее .
Если формула ложна при всех своих интерпретациях, то говорят, что она является противоречивой (противоречием). Противоречивая формула невыполнима. Обозначим ее .
Слайд 13

Кванторы общности ∀ или существования ∃ “для любого х истинно Р(х)”

Кванторы общности ∀ или существования ∃

“для любого х истинно Р(х)” ∀х Р(х)


“существует такое х, для которого истинно Р(х)” ∃ х Р(х)
Использование обоих кванторов - не обязательно. Например:
Выражение обозначает «∀х Р(х) ложно».
«∀х Р(х) ложно» равносильно высказыванию
«существует элемент x, для которого P(x) ложно»,
или «существует элемент х, для которого истинно»
Следовательно,
равносильно : =
Слайд 14

3.4. Представление и формализация нечетких знаний Основные определения нечетких множеств Есть

3.4. Представление и формализация нечетких знаний Основные определения нечетких множеств

Есть универсальное множество

U={u}
Нечетким подмножеством A на множестве U
называется совокупность пар A={<μa (u), u>}
Где μa: U→ [0,1] – отображение множества U в
единичный отрезок [0,1], называемое функцией
принадлежности нечеткого подмножества A
Значение функции принадлежности μa (u) для элемента
u∈U называется степенью принадлежности
Переменная u называется базовой
Слайд 15

Основные определения нечетких множеств (продолжение) Интерпретацией степени принадлежности μA(u) является субъективная

Основные определения нечетких множеств (продолжение)

Интерпретацией степени принадлежности μA(u)
является субъективная мера

того, насколько элемент u∈U
соответствует понятию, смысл которого формализуется
нечетким множеством A.
Нечеткое множество А области рассуждений U
характеризуются функцией принадлежности,
которая каждому элементу u множества U ставит
в соответствие число из отрезка [0,1],
описывающее степень принадлежности элемента u
подмножеству А.
Носителем нечеткого подмножества Ф называется множество
таких элементов U, для которых положительна.
Точкой перехода А называется такой элемент множества U,
Степень принадлежности которого множеству А равна 0,5.
Слайд 16

Пример 3.1. Нечеткое множество A3, соответствует нечеткому понятию “небольшой запас деталей

Пример 3.1. Нечеткое множество A3, соответствует нечеткому понятию “небольшой запас деталей на

складе”

Носителем мн-ва А3 является мн-во: S = {10,11,…,40},
каждый элемент которого представляет собой определенное
количество деталей
A3={0.05/10; 0.1/11; 0.2/12; 0.3/13; 0.4/14;0.5/15;0.7/16;
0.8/19; 1.0/20; … 1.0/33; 0.9/34; 0.8/35;0.6/36; 0.4/37; 0.3/38; 0.2/39; 0.1/40}
понятию “небольшой запас деталей на складе” полностью
соответствует запас объемом от 20 до 33 деталей,
в меньшей степени – запасы от 10 до 19 и от 34 до 40 деталей.
Запас объемом меньше 10 и больше 40 деталей понятием
“небольшой” охарактеризован быть не может.
Одноточечным нечетким множеством называется множество,
носитель которого состоит из единственной точки.
Если А – одноточечное нечеткое множество, носителем которого
является точка u, то записывается это как: А = μ / u
Где μ - степень принадлежности u множеству А.

Слайд 17

Пример 3.1. (продолжение) Нечеткое множество можно рассматривать как объединение составляющих его

Пример 3.1. (продолжение)

Нечеткое множество можно рассматривать как объединение
составляющих его одноточечных

множеств:
где символ ∫(интегрирование) обозначает операцию
объединения одноточечных нечетких множеств
Если носитель А состоит из конечного числа элементов, то
интегрирование в можно заменить суммированием:
или
где число - степень принадлежности элемента Ui
множеству А. Знак плюс обозначает объединение, а не
арифметическое суммирование.
Слайд 18

Пример 3.2. Если универсальное множество состоит из чисел от 1 до

Пример 3.2.

Если универсальное множество состоит
из чисел от 1 до 10,

т.е. U=1+…+10,
То нечеткое множество А множества U, описываемое
понятием «несколько» можно определить в виде
(символ обозначает равенство по определению)
Слайд 19

Пример 3.3. Если U интервал с элементами [0,100] и - возраст,

Пример 3.3.

Если U интервал с элементами [0,100] и - возраст, то


нечеткие подмножества, описываемые понятиями
«молодой» и «старый» можно представить в виде
Слайд 20

Пример 3.3. (продолжение) Графическое представление понятий «молодой» и «старый»

Пример 3.3. (продолжение)

Графическое представление понятий «молодой» и «старый»

Слайд 21

Пример 3.4. Если есть множество U = Юлия + Анна +

Пример 3.4.

Если есть множество U = Юлия + Анна + Мария

+ Настя
и А - нечеткое множество «привлекательная»,то можно написать:
«привлекательная»=
= средне/Юлия+мало/Анна+сильно/Мария+мало/Настя
Нечеткие степени принадлежности «мало», «средне» и
«сильно» являются при этом нечеткими подмножествами
полного множества V, определяемого следующим образом:
V=0+0.1+0.2+…+0.9+1
Сами эти подмножества определяются так:
мало=0.5/0.2+0.7/0.3+1/0.4+0.7/0.5+0.5/0.6
средне=0.5/0.4+0.7/0.5+1/0.6+0.7/0.7+0.5/0.8
сильно=0.5/0.7+0.7/0.8+0.9/0.9+1/1
Слайд 22

Операции с нечеткими множествами Дополнение нечеткого множества А обозначается символом и

Операции с нечеткими множествами

Дополнение нечеткого множества А обозначается
символом и определяется следующим

образом:
Операция дополнения соответствует логическому
отрицанию.
Объединение нечетких множеств А и В обозначается
А+В (или А∪В) и определяется:
Объединение соответствует логической связке «или».
Например, если А и В – названия нечетких множеств, то
запись «А или В» понимается как А+В.
Слайд 23

Операции с нечеткими множествами (продолжение) Пересечение А и В обозначаются А∩В

Операции с нечеткими множествами (продолжение)

Пересечение А и В обозначаются А∩В и

определяется
следующим образом:
Пересечение соответствует логической связке «u», т.е.
А и В = А∩В
Произведение А и В обозначается АВ и определяется формулой
если
Слайд 24

Пример 3.5. – Пример произведения Если U=1+2+…+10 A=0.8/3+1/5+0.6/6 B=0.7/3+1/4+0.5/6, То ¬А=1/1+1/2+0.2/3+1/4+0.4/6+1/7+1/8+1/9+1/10

Пример 3.5. – Пример произведения

Если U=1+2+…+10
A=0.8/3+1/5+0.6/6
B=0.7/3+1/4+0.5/6,
То ¬А=1/1+1/2+0.2/3+1/4+0.4/6+1/7+1/8+1/9+1/10
А+В=0.8/3+1/4+1/5+0.6/6
А∩В=0.7/3+0.5/6 (берется min из 2-х

значений μ)
АВ=0.56/3+0.3/6
0.4А=0.32/3+0.4/5+0.24/6
Слайд 25

Декартово произведение Декартово произведение нечетких мн-в А1, …, Аn универсальных мн-в

Декартово произведение

Декартово произведение нечетких мн-в А1, …, Аn
универсальных мн-в U1,…,Un

соответственно обозначается
А1×…×Аn и определяется как нечеткое подмножество
множества U1×…×Un с функцией принадлежности.
Таким образом
Пример 3.6.
Если U1=U2 =3+5+7
A1=0.5/3+1/5+0.6/7
А2=1/3+0.6/5, то
A1×A2=0.5/3.3+1/5.3+0.6/7.6+0.5/3.5+0.6/5.5+0.6/7.5
Слайд 26

Нечеткие отношения Нечеткое отношение R: X→Y представляет собой нечеткое множество декартова

Нечеткие отношения

Нечеткое отношение R: X→Y представляет собой нечеткое
множество декартова произведения

X×Y.
R описывается с помощью функции принадлежности 2-х переменных:
Нечетким отношением на множестве X×Y называется совокупность пар
Где -функция принадлежности нечеткого отношения R
Примеры нечетких отношений:
«X примерно равен Y», «X значительно больше Y»,
«А существенно предпочтительнее В».
Слайд 27

Пример 3.7. – пример нечеткого отношения Предположим, что X={Юрий, Сергей}, Y={Максим,

Пример 3.7. – пример нечеткого отношения Предположим, что X={Юрий, Сергей}, Y={Максим, Михаил}.

Тогда

бинарное нечеткое отношение «сходства» м/у элементами
множеств X и Y можно записать в виде: сходство=0.8/(Юрий,Максим)+0.6/(Юрий,Михаил)+
+0.2/(Сергей,Максим)+0.9/(Сергей, Михаил)
Помимо этого, данное отношение можно представить в виде
матрицы отношений.
В которой (i,j)-й элемент равен значению функции
для i-го значения x и j-го значения y.
Если R –отношение X→Y , а S –отношение Y→Z, то композицией R
и S является нечеткое отношение X→Z, обозначаемое R° S
где ° - знак композиции, знаки ∨ и ∧ обозначают соответственно max
и min, Vy – верхняя грань по области значений у
Слайд 28

Пример 3.7. (продолжение) Выражение является композицией отношений Оно определяет максминное произведение

Пример 3.7. (продолжение) Выражение

является композицией отношений
Оно определяет максминное произведение R и S.
Так,

для действительных чисел а и b:
Если X,Y,Z – конечные множества, то матрица отношения
R° S есть максминное произведение матриц отношений
R и S. В максминном произведении матриц вместо операции
сложения и умножения используются операции ∨ и ∧.
Пример максминного произведения
Количество строк должно равняться
количеству столбцов. Строка умножается
на столбец и берется макс. значение
из минимальных значений пар.
Слайд 29

Нечеткая и лингвистическая переменные Нечеткая пер. определяется кортежем где X- наименование

Нечеткая и лингвистическая переменные

Нечеткая пер. определяется кортежем
где X- наименование нечеткой

переменной
U = {u} - область ее определения или универсальное множество
- нечеткое множество на U, описывающее
ограничения на возможные числовые значения нечеткой пер-й
Лингвистическая пер. определяется кортежем
где Х - наименование лингвистической переменной
T – множество ее значений или термов, представляющее собой наименования нечетких пер-х, областью определения каждой из которых является U.
Слайд 30

Распределение терм-множеств лингвистической переменной Х Для лингвистической переменной, представленной на рис.(далее)

Распределение терм-множеств лингвистической переменной Х

Для лингвистической переменной, представленной на рис.(далее)
T={T1,T2,T3} ,

u0Пара точек (u0,ut) - граничная пара. Множество T будем называть базовым терм-множеством лингвистической переменной;
G – синтаксическая процедура, описывающая процесс образования из множества T новых, осмысленных для данной задачи принятия решений значений лингвистической переменной.
Множество T*=T∪G(T) назовем расширенным терм-множеством лингвистической переменной.
M - семантическая процедура, позволяющая приписать каждому новому значению, образуемому процедурой G, некоторую семантику путем формирования соответствующего нечеткого множества, т.е. отобразить новое значение в нечеткую переменную.
Слайд 31

Графическое представление распределения терм-множеств лингвистической пер-й Х

Графическое представление распределения терм-множеств лингвистической пер-й Х

Слайд 32

Пример лингвистической переменной Пусть ЛПР оценивает посадочную скорость летательных аппаратов с

Пример лингвистической переменной

Пусть ЛПР оценивает посадочную скорость летательных аппаратов с помощью

понятий
“малая”, “небольшая”, “средняя”, “невысокая”.
При этом максимальная посадочная скорость
равна 300 км/час.
Формализация такого описания может быть
приведена с помощью лингвистической пер-й
< скорость, {малая, небольшая, средняя, высокая}, [0,300], G,M>
где G – процедура перебора элементов базового
терм- множества,
M – процедура экспертного опроса.
Слайд 33

Нечеткие числа и функции В зависимости от характера множества U лингвистические

Нечеткие числа и функции

В зависимости от характера множества U лингвистические
переменные

могут быть разделены на числовые и нечисловые.
Числовой называется лингвистическая переменная, у которой
где
и которая имеет измеримую базовую переменную
Нечеткие переменные, соответствующие значениям числовой
лингвистической пер-й, называются нечеткими числами.
Если то нечеткие числа будем считать дискретными,
если же ⏐U⏐=⏐R1⏐- то непрерывными.
Лингвистическая пер. СКОРОСТЬ является числовой, а нечеткие
пер. из ее терм-множества – непрерывными нечеткими числами.
Пример нечисловой лингвистической переменной:
Пер. СЛОЖНОСТЬ, формализующая понятие “сложность разработки”,
со значениями НИЗКАЯ, СРЕДНЯЯ, УМЕРЕННАЯ, ВЫСОКАЯ.
Слайд 34

Лингвистические критерии и отношения предпочтения Лингвистический критерий К – такой критерий,

Лингвистические критерии и отношения предпочтения

Лингвистический критерий К – такой критерий, оценки

по
шкале которого являются значениями одноименной
лингвистической пер-й
Согласно этому критерию обеспечивается переход от словесного
к числовому описанию лингвистического критерия.
Лингвистические критерии можно подразделить на:
* числовые, или с измеримой базовой переменной,
* нечисловые, не имеющие физически определенной
базовой переменной
Пример1. Нечисловой лингвистический критерий:
Критерий профессиональной пригодности со значениями
ХОРОШО, ПЛОХО, НЕДОСТАТОЧНО СООТВЕТСТВУЕТ.
В данном случае точно неизвестно как выражается
профессиональная пригодность в виде функции тех или иных
физических величин.