Bài giảng Nhập môn trí tuệ nhân tạo: Chương 3 - Văn Thế Thành

Bài giảng Nhập môn trí tuệ nhân tạo - Chương 3: Các phương pháp biểu diễn tri thức và xử lý tri thức giới thiệu tới người đọc các định nghĩa về tri thức, phân loại tri thức, đặc điểm của tri thức, các phương pháp biểu diễn tri thức, biểu diễn tri thức bằng luật sinh,... Mời các bạn cùng tham khảo.

2/19/2014 CHƯƠNG : CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ XỬ LÝ TRI THỨC Giới thiệu So với chương trình truyền thống (được cấu tạo từ hai "chất liệu" liệu thuật toán), chương trình trí tuệ nhân tạo cấu tạo từ hai thành phần sở tri thức (knowledge base) động suy diễn (inference engine) 2/19/2014 Giới thiệu(tt) Cơ sở tri thức : tập hợp tri thức liên quan đến vấn đề mà chương trình quan tâm giải Động suy diễn : phương pháp vận dụng tri thức sở tri thức để giải vấn đề Giới thiệu(tt) Cơ sở tri thức dạng liệu đặc biệt Động suy diễn dạng thuật toán đặc biệt 2/19/2014 Giới thiệu(tt) Cấu trúc chương trình trí tuệ nhân tạo Phân loại tri thức: Tri thức kiện : khẳng định kiện, khái niệm (trong phạm vi xác định) Các định luật vật lý, toán học, thường xếp vào loại (Chẳng hạn : mặt trời mọc đằng đơng, tam giác có góc 600, ) Tri thức thủ tục : thường dùng để diễn tả phương pháp, bước cần tiến hành, trình từ hay ngắn gọn cách giải vấn đề Thuật toán, thuật giải dạng tri thức thủ tục Tri thức mô tả : cho biết đối tượng, kiện, vấn đề, khái niệm, thấy, cảm nhận, cấu tạo (một bàn thường có chân, người có tay, mắt, ) Tri thức Heuristic : dạng tri thức cảm tính Các tri thức thuộc loại thường có dạng ước lượng, đốn, thường hình thành thơng qua kinh nghiệm 2/19/2014 Sự phân lớp tri thức: Siê u tri thứ c Tri thức Thô ng tin Dữ liệ u Dữ liệu tố i nghóa, chưa rõ ràng Đặc điểm tri thức: Làm để phân biệt thông tin vào máy tính liệu tri thức Giữa tri thức liệu có số đặc trưng khác Tự giải thích nội dung: Tri thức tự giải thích nội dung cịn liệu khơng tự giải thích Chỉ có người lập trình hiểu nội dung ý nghĩa liệu Ví dụ: Dữ liệu số Tri thức số 7: số lẻ, số nguyên tố, số dương,… Tính cấu trúc: Một đặc trưng hoạt động nhận thức người giới xung quanh khả phân tích cấu trúc đối tượng.Ở mức đơn giản cấu trúc: phận toàn thể, giống lồi đó, phần tử lớp Tri thức đưa vào máy cần có khả tạo phân cấp khái niệm quan hệ chúng 2/19/2014 Đặc điểm tri thức: (tt) Tính liên hệ: Ngồi quan hệ cấu trúc tri thức (khái niệm, trình, kiện, tượng,…) đơn vị tri thức cịn có nhiều mối liên hệ khác (khơng gian, thời gian, nhân-quả, …) Ví dụ: Các khái niệm: chó, sủa, động vật, bốn chân, đuôi Đặc điểm tri thức: (tt) -Có tính chủ động: Dữ liệu hồn tồn bị động người khai thác, tri thức có tính chủ động Khi hoạt động đâu lĩnh vực nào, người bị điều khiển tri thức Các tri thức biểu diễn máy tính vậy, chúng chủ động hướng người dùng biết cách khai thác liệu 10 2/19/2014 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỄU DIỄN TRI THỨC Logic mệnh đề: Định nghĩa: Mệnh đề khẳng định nhận giá trị sai Logic vị từ : -Định nghĩa: mở rộng logic mệnh đề cách đưa vào khái niệm vị từ lượng từ phổ thông dụng (∀, ∃) Một mệnh đề = đối tượng tri thức + mối liên hệ chúng (gọi vị từ) Các mệnh đề biểu diễn dạng : - Vị từ (, , …, ) Như để biểu diễn vị trái cây, mệnh đề viết lại thành : Cam có vị Ngọt ~ Vị (Cam, Ngọt) Cam có màu Xanh ~ Màu (Cam, Xanh) CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỄU DIỄN TRI THỨC (tt) Câu cách ngơn "Khơng có vật lớn khơng có vật bé nhất!" biểu diễn dạng vị từ sau : LớnHơn(x,y) = x>y NhỏHơn(x,y) = x A Do luật A V B -> A -> C Là hoàn toàn tương đương với A V B -> C Quy tắc rút gọn : Có thể loại bỏ kiện bên vế phải kiện xuất bên vế trái Nếu sau rút gọn mà vế phải trở thành rỗng luật luật hiển nhiên Ta loại bỏ luật hiển nhiên khỏi tri thức 24 12 2/19/2014 Vấn đề tối ưu luật Rút gọn bên trái Xét luật : (L1) A, B -> C {sự kiện B luật dư thừa, loại bỏ được} (L2) A -> X (L3) X -> C Luật A, B -> C thay luật A -> C mà không làm ảnh hưởng đến kết luận Phân rã kết hợp luật Ví dụ: Luật A V B -> C Tương đương với hai luật A -> C B -> C 25 Vấn đề tối ưu luật Luật thừa Một luật dẫn A -> B gọi thừa suy luật từ luật cịn lại Ví dụ : tập luật gồm {A -> B, B -> C, A -> C} luật thứ luật thừa suy từ luật cịn lại Thuật tốn tối ưu tập luật B1 : Rút gọn vế phải B2 : Phân rã luật B3 : Loại bỏ luật thừa B4 : Rút gọn vế trái 26 13 2/19/2014 Nhận xét Ưu điểm Biểu diễn tri thức luật đặc biệt hữu hiệu tình hệ thống cần đưa hành động dựa vào kiện quan sát Nó có ưu điểm yếu sau : • Các luật dễ hiểu nên dễ dàng dùng để trao đổi với người dùng (vì dạng tự nhiên ngơn ngữ) • Có thể dễ dàng xây dựng chế suy luận giải thích từ luật • Việc hiệu chỉnh bảo trì hệ thống tương đối dễ dàng • Có thể cải tiến dễ dàng để tích hợp luật mờ 27 • Các luật thường phụ thuộc vào Nhận xét(tt) Nhược điểm • Các tri thức phức tạp đơi lúc địi hỏi q nhiều (hàng ngàn) luật sinh Điều làm nảy sinh nhiều vấn đề liên quan đến tốc độ lẫn quản trị hệ thống • Thống kê cho thấy, người xây dựng hệ thống trí tuệ nhân tạo thích sử dụng luật sinh tất phương pháp khác (dễ hiểu, dễ cài đặt) nên họ thường tìm cách để biểu diễn tri thức luật sinh cho dù có phương pháp khác thích hợp hơn! Đây nhược điểm mang tính chủ quan người • Cơ sở tri thức luật sinh lớn làm giới hạn khả tìm kiếm chương trình điều khiển Nhiều hệ thống gặp khó khăn việc đánh giá hệ dựa luật sinh gặp khó khăn suy luận luật sinh 28 14 2/19/2014 BIỄU DIỄN TRI THỨC SỬ DỤNG MẠNG NGỮ NGHĨA Khái niệm Mạng ngữ nghĩa phương pháp biểu diễn tri thức phương pháp dễ hiểu Phương pháp biểu diễn tri thức dạng đồ thị, đỉnh đối tượng (khái niệm) cung cho biết mối quan hệ đối tượng (khái niệm) Mạng ngữ nghĩa sử dụng công cụ đồ thị nên thừa hưởng tất mặt mạnh cơng cụ đồ thị Các thuật tốn cài đặt phát triển máy tính, áp dụng giải nhiều vấn đề khác mạng Cho đến mạng ngữ nghĩa ứng dụng nhiều hai lĩnh vực: +Xử lý ngữ nghĩa tự nhiên + Giải tốn thơng minh 29 Ví dụ: Xây dựng mạng ngữ nghĩa để giải tam giác Đặt vấn đề: Có 22 yếu tố liên quan đến cạnh góc tam giác Để xác định tam giác cần có yếu tố phải có yếu tố cạnh Có khoảng C322 -1 (khoảng vài ngàn) cách xác định tam giác Có khoảng 200 cơng thức liên quan đến cạnh góc tam giác Để giải tốn công cụ mạng ngữ nghĩa: Sử dụng khoảng 200 đỉnh để chứa công thức Và 22 đỉnh để chứa yếu tố tam giác Mạng ngữ nghĩa cho tốn có cấu trúc sau : 30 15 2/19/2014 Ví dụ: Xây dựng mạng ngữ nghĩa để giải tam giác(tt) + Đỉnh: Hình chử nhật: Cơng thức Hình trịn: Biến + Cung : ln hướng từ đỉnh hình trịn lên đỉnh hình chữ nhật, cho biết biến nằm cơng thức 31 Bài tốn:"Cho hai góc α, β chiều dài cạnh a tam giác Tính đường cao hC" Cơ chế suy diễn thực theo thuật toán "loang" đơn giản sau : B1 : Kích hoạt đỉnh hình trịn cho ban đầu (những yếu tố có giá trị) B2 : Lặp lại bước sau kích hoạt tất đỉnh ứng với yếu tố cần tính khơng thể kích hoạt đỉnh nữa: Nếu đỉnh hình chữ nhật có cung nối với n đỉnh hình trịn mà n-1 đỉnh hình trịn kích hoạt kích hoạt đỉnh hình trịn cịn lại (và tính giá trị đỉnh cịn lại thơng qua cơng thức đỉnh hình chữ nhật) 32 16 2/19/2014 Cài đặt thuật toán 0 if X i ∉ R j Xi Rj =  − if X i ∈ R j 33 Cài đặt thuật toán + Nhập biến Xi cho trước (kích hoạt): cơng thức có chứa biến cho giá trị (đổi từ –1 thành 1) + Tính ∑ Rj(+1): Số biến biết cơng thức + Tính: Nếu ( ∑ Rj(–1) – ∑ Rj(+1) = ): công thức Rj biết Ngược lại cơng thức chưa biết Nếu tồn ≠ liệu chưa đủ + Nếu cơng thức = ⇒ cơng thức kích hoạt Các biến liên hệ với công thức (duyệt theo cột) kích hoạt từ –1 sang + Duyệt tiếp để xác định tiếp công thức liên quan 34 17 2/19/2014 Ban đầu (1) (2) (3) (4) (5) α -1 0 -1 β -1 -1 -1 δ -1 -1 a -1 -1 0 b -1 -1 -1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 35 đỉnh α, β , a đồ thị kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ -1 -1 a 1 0 b -1 -1 -1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 36 18 2/19/2014 Trên cột (1), hiệu (1+1+1 – (-1)) = nên dòng b kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ -1 -1 a 1 0 b 1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 37 Trên cột (4), hiệu (1+1 – (-1)) = nên dòng δ kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ 1 a 1 0 b 1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 38 19 2/19/2014 Trên cột (2), hiệu (1+1+1 – (1)) = nên dòng c kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ 1 a 1 0 b 1 0 c 1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 39 Trên cột (3), hiệu (1+1+1 – (-1)) = nên dòng S kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ 1 a 1 0 b 1 0 c 1 S 0 1 hC 0 0 -1 40 20 2/19/2014 Trên cột (5), hiệu (1+1 – (-1)) = nên dòng hC kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ 1 a 1 0 b 1 0 c 1 S 0 1 hC 0 0 41 BIỂU DIỄN TRI THỨC BẰNG FRAME Khái niệm Frame cấu trúc liệu chứa đựng tất tri thức liên quan đến đối tượng cụ thể Frame nguồn gốc lập trình hướng đối tượng Một frame bao hàm khối lượng tương đối lớn tri thức đối tượng, kiện, vị trí, tình 42 yếu tố khác 21 2/19/2014 BIỂU DIỄN TRI THỨC BẰNG FRAME(tt) Cấu trúc frame Mỗi frame mô tả đối tượng (object) Một frame bao gồm thành phần slot facet Một slot thuộc tính đặc tả đối tượng biểu diễn frame Ví dụ : frame mơ tả xe hơi, có hai slot trọng lượng loại 43 Ví dụ Frame Một số facet thường gặp Value: giá trị Cho biết giá trị thuộc tính Default :giá trị mặc định Range: miền giá trị If added : mô tả hành động thi hành giá trị slot thêm vào (hoặc hiệu chỉnh) Thủ tục thường viết dạng script If needed : sử dụng slot khơng có giá trị Facet mơ tả hàm để tính giá trị slot Frame MÁY Xy-lanh : 3.19 inch Tỷ lệ nén : 3.4 inche Xăng : TurboCharger Mã lực : 140 hp 44 22 2/19/2014 BIỂU DIỄN TRI THỨC BẰNG SCRIPT Script cách biểu diễn tri thức tương tự frame thay đặc tả đối tượng, mơ tả chuỗi kiện Để mô tả chuỗi kiện, script sử dụng dãy slot chứa thông tin người, đối tượng hành động liên quan đến kiện 45 Các thành phần Script Điều kiện vào (entry condition): mô tả tình điều kiện cần thỏa mãn trước kiện script diễn Role (diễn viên): người có liên quan script Prop (tác tố): tất đối tượng sử dụng chuỗi kiện diễn Scene(Tình huống) : chuỗi kiện thực diễn Result (Kết quả) : trạng thái Role sau script thi hành xong Track (phiên bản) : mô tả biến thể (hoặc trường hợp đặc biệt) xảy đoạn script 46 23 2/19/2014 Ví dụ Script "nhà hàng" Phiên : Nhà hàng bán thức ăn nhanh Diễn viên : Khách hàng,Người phục vụ Tác tố : Bàn phục vụ Chỗ ngồi Khay đựng thức ăn … Điều kiện vào : Khách hàng đóiKhách hàng có đủ tiền để trả Tình : Vào nhà hàng Tình 2: Kêu ăn Tình 3: Khách hàng dùng ăn Tình : Ra Kết : Khách hàng khơng cịn đói Khách hàng cịn tiền ban đầu Khách hàng vui vẻ * Khách hàng bực * 47 Khách hàng no PHỐI HỢP NHIỀU CÁCH BIỂU DIỄN TRI THỨC P.Pháp Ưu điểm Nhược điểm Luật sinh Cú pháp đơn giản, dễ hiểu, diễn dịch đơn giản, tính đơn thể cao, linh động (dễ điều chỉnh) Rất khó theo dõi phân cấp, không hiệu hệ thống lớn, biểu diễn loại tri thức, yếu việc biểu diễn tri thức dạng mơ tả, có cấu trúc Mạng ngữ nghĩa Dễ theo dõi phân cấp, dò theo mối liên hệ, linh động Ngữ nghĩa gắn liền với đỉnh nhập nhằng, khó xử lý ngoại lệ, khó lập trình 48 24 2/19/2014 PHỐI HỢP NHIỀU CÁCH BIỂU DIỄN TRI THỨC(tt) Frame Có sức mạnh diễn đạt tốt, dễ cài đặt thuộc tính cho slot mối liên hệ, dễ dàng tạo thủ tục chun biệt hóa, dễ đưa vào thơng tin mặc định dễ thực thao tác phát giá trị bị thiếu sót Khó lập trình, khó suy diễn, thiếu phần mềm hỗ trợ Logic hình thức Cơ chế suy luận xác (được chứng minh toán học) Tách rời việc biểu diễn xử lý, không hiệu với lượng liệu lớn, 49 chậm sở liệu lớn 25 ... liên quan 34 17 2/19/2014 Ban đầu (1) (2) (3) (4) (5) α -1 0 -1 β -1 -1 -1 δ -1 -1 a -1 -1 0 b -1 -1 -1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 35 đỉnh α, β , a đồ thị kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5)... 1 δ -1 -1 a 1 0 b -1 -1 -1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 36 18 2/19/2014 Trên cột (1), hiệu (1+1+1 – (-1 )) = nên dòng b kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ -1 -1 a 1 0 b 1 0 c -1 -1 -1 ... b 1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 37 Trên cột (4), hiệu (1+1 – (-1 )) = nên dòng δ kích hoạt (1) (2) (3) (4) (5) α 0 β 1 δ 1 a 1 0 b 1 0 c -1 -1 -1 S 0 -1 -1 hC 0 0 -1 38 19 2/19/2014 Trên