chapter04

Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Bách Khoa Tp... Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Bách Khoa Tp..[r]

(1)

Chương 4

Biểu diễn tri thức

GV: Nguyễn Thị Trúc Viên Email: nttvien@dit.hcmut.edu.vn

Biểu diễn ánh xạ Tri thức của lĩnh vực:

– Là tồn bộnhững hiểu biết vềlĩnh vực đó.

– Thường gồm: khái niệm, đối tượng, quan hệgiữa chúng, luật

tồn tại giữa chúng, …

– Có thểphân nhiều dạng, xem phần sau. – Hiện tồn tại số lược đồghi nhận tri thức.

Đểgiải toán AI cần: – Knowledge:

tri thức vềbài tốn (có thểnhiều).

– Mechanism for manipulating that knowledge:

(2)

Khoa Công Nghệ Thông Tin - Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Bài Giảng Mơn: Trí tuệnhân tạo Chương 04 Side

Hình thức hố tri thức:

Dạng thực Dạng hình thức

-Facts(sựkiện): thật lĩnh vực

-Representations(sựbiểu diễn): dạng biểu diễn kiện theo lược đồđược chọn

Cái cần biểu diễn Cái có thểxử lý được

Biểu diễn ánh xạ (tt.)

Facts Internal

Representations

English Representations

Reasoning programs

English generation English

understanding

(*) Ánh xạthuận (forward):

Facts Internal representation (**) Ánh xạ ngược (backward):

Internal representation Facts *

**

(3)

Hai mức cấu trúc cho facts/representations:

– Mức tri thức:

mức mà sựkiện, gồm cách hành xửcủa agent goal hiện tại, được mô tả.

– Mức ký hiệu:

mức mà sựbiểu diễn của đối tượng đã được chọn mức tri

thức được viết ởdạng ký hiệu đểcó thểxử lý được bằng chương

trình.

Biểu diễn ánh xạ (tt.) Ví dụ:

– Câu tiếng anh:

“Spot is a dog” “Every dog has a tail”

– Có thể được biểu diễn ởnhiều lược đồ. Dạng logic (chương sau):

1 dog(Spot).

2 ∀∀∀∀X(dog(X) => hastail(X)).

Từ đó câu: “Spot has a tail”, có thể thu được qua bước:

3 Từ2, X=“Spot”: dog(Spot)=>hastail(Spot).

4 Từ1, 3: hastail(Spot).

(4)

Dạng mạng ngữnghĩa (chương sau):

dog

Spot instance

“Spot is a dog.”

dog has tail

“Every dog has a tail”

Dạng mạng ngữnghĩa (chương sau):

dog

Spot instance

“Spot has a tail“

Qua đường từ Spot đến tail

(5)

Ánh xạbiểu diễn không hẳn là one-to-one (1-1),

thường many-to-many.

All dogs have tails

Every dog has a tail Every dog has at least one tail

Each dog has several tails

English Sentences Facts

Ánh xạbiểu diễn không hẳn là one-to-one (1-1),

thường many-to-many.

All dogs have tails

Every dog has a tail Every dog has at least one tail

Each dog has several tails

English Sentences Facts

(6)

Bài Giảng Mơn: Trí tuệnhân tạo Chương 04 Side 11

Biểu diễn tốt

Suy luận xác Việc suy luận đơn giản.

Ví dụ: Thửchọn cách biểu diễn sau đây cho toán

“mutilated checkerboard”

(a) (b) (c)

Sô ô đen: 30 Sốô trắng: 32

Mơ hình giải quyết vấn đềcủa người máy:

Intial facts

Final facts

Internal representation

of initial facts

Internal representation

of final facts

Ánh xạthuận Ánh xạ ngược

(7)

Các cách tiếp cận

4 thuộc tính của hệ thống biểu diễn tri thức:

1 Representational adequacy:

Khả biểu diễn tất cảcác tri thức cần thiết cho lĩnh vực đó.

2 Inferential adequacy:

Khả xửlý cấu trúc sẵn có đểsinh cấu trúc mới

tương ứng với tri thức mới được sinh từtri thức cũ.

3 Inferential efficiency:

Khả thêm vào cấu trúc tri thức thông tin bổsung mà có

thể được dùng để hướng dẫn cơ chếsuy luận theo hướng có nhiều

triển vọng nhất.

4 Acquisitional efficiency:

Khả thu được thông tin mới dễdàng Trường hợp đơn giản

nhất chèn trực tiếp tri thức mới (do người) vào cơ sởtri thức Lý

tưởng nhất là chương trình có thểkiểm sốt việc thu được tri thức

Các cách tiếp cận(tt.) Năng lực hiện nay:

– Khơng một hệthống có thểtối ưu tất cảcác khả

cho mọi kiểu tri thức.

(8)

Tri thức quan hệ đơn giản:

– Biểu diễn sựkiện(facts) dạng khai báo như tập quan hệ

dùng CSDL quan hệ- xem ví dụsau:

– Dạng biểu diễn này:

Đơn giản khả suy luận rất yếu.

Thường được dùng làm đầu vào cho động cơ suy diễn mạnh

hơn

Left-Right 205

6-3 Ted Williams

Left-Left 215

6-2 Babe Ruth

Right-Right 170

5-10 Willie Mays

Right-Right 180

6-0 Hank Aaron

Bats-Throws Weight

Height Player

Các cách tiếp cận(tt.)

Tri thức quan hệ đơn giản (tt.): – Nếu bổsung luật (ví dụ để):

Tìm Player có trọng lượng lớn nhất.

Tìm Player đánh bóng tương ứng với player ném bóng cho trước

(dựa vào trường bats-throws).

Thì facts nói có thể được dùng nhưđầu vào cho

những luật được.

– Các nghiên cứu CSDL quan hệ đào xâu kiểu biểu

(9)

Tri thức có khả thừa kế:

– 1 dạng bổ sung chếsuy diễn vào cơ sởtri thức quan hệnói

trên, đó là: thừa kế thuộc tính.

– Thừa kế thuộc tính:

Tổchức đối tượng thành lớp (class).

Các lớp được sắp xếp vào hệthống phân cấp (hierachy) – có lớp

cha (tống quát) lớp (cụthể) – xem hình. Các lớp thừa kếcác thuộc tính từlớp cha.

Tri thức có khả thừa kế(tt.):

Line:

Thuộc tính

Box:

Đối tượng, Trịcủa thuộc tính đối tượng

Arrow:

Từ đối tượng sang trịcủa thuộc tính Person

Adult-Male

Baseball-Player isa

isa

(10)

Person Adult-Male Baseball-Player isa isa Pitcher Fielder Three-Finger-Brown Pee-Wee-Reese isa isa instance instance Right handed 5-10 height 6-1 252 height batting-average 262 batting-average Brooklyn -Dodgers team Chicago-Cubs team 106 batting-average equal to handed bats

Một mạng đầy đủ

Tri thức có khả thừa kế(tt.)

Baseball-Player

isa: Adult-Male

bats: (EQUAL handed)

height: 6-1

batting-average: 252

Adult-Male

isa: Person

height: 6-1

isa

(11)

– Giải thuật: (O-A-V)

Lấy trịV của thuộc tính A của đối tượng O: 1. Tìm O cơ sởtri thức.

2. Nếu có link với nhãn A trảvềtrịV của A.

3. Ngược lại: nếu khơng có link với nhãn instance fail.

4. Ngược lại: chuyển đến nốt tương ứng trịcủa link instance, tìm

trịV cho thuộc tính A Nếu có thìtrảvề V cho A.

5. Ngược lại: lặp đến khơng có trịcho thuộc tính isaOR có câu

trảlời:

(a) Nhận trịcủa thuộc tính isa di chuyển đến nốt đó. (b) Nếu có trịV cho thuộc tính A trảvềV cho A.

– 1 sốcâu hỏi có thểtrảlời bằng cách áp dụng giải thuật

vào mạng ngữnghĩa cho ở trang trước: team(Pee-Wee-Reese) = Brooklyn-Dodgers. batting-average(Three-Finger-Brown) = 106 height(Pee-Wee-Reese) = 6-1.

4 Bats(Three-Finger-Brown) = Right. …

Giá trịtính từ: (EQUAL handed) Bằng cách gọi:

(12)

Tri thức suy diễn:

– Thừa kếthuộc tính ởtrên dạng suy diễn.

– Logic truyền thống: cung cấp dạng suy diễn mạnh hơn.

– Một ví dụvềtri thức cho baseballởfirst-order-logic (FOL): ∀X : Ball(X) ^ Fly(X) ^ Fair(X) ^ Infield-Catchable(X) ^

Occupied-Base(First) ^ Occupied-Base(Second) ^ (Outs < 2) ^

¬[Line-Drive(X) v Attempted-Burnt(X)]

Infield-Fly(X)

∀X : Batter(X) ^ Batted(X,Y) ^ Infield-Fly(Y) Out(X)

Các cách tiếp cận(tt.) Tri thức suy diễn (tt.):

– Tri thức suy diễn: cần thủtục suy diễn. – Thủtục suy diễn: nhiều dạng

Forward(tiến): Đi từsựkiện đến kết luận.

Backward(lùi): Đi từkết luận đến sựkiện đã cho. Thủtục thường dủng: resolution– xem chương 5.

Tri thức thủtục:

– Tri thức ví dụ trước: Tĩnh, dạng khai báo.

(13)

Các cách tiếp cận(tt.) Tri thức thủtục:

– Cách biểu diễn chương trình:

1 Viết bằng NNLT (LISP chẳng hạn)

Máy sẽthực thi mã đểthực hiện công việc.

Trởngại:

Vi phạm Inferential adequacy: khó viết CT suy diễn vềhành vi của

CT khác

Vi phạm Acquisitional efficiency: Cập nhật/debug số lượng lớn mã

khó khăn.

Xem ví dụ: Một đoạn LISP dùng đểtính trịcủa thuộc tính bats

như khung nói trước.

Các cách tiếp cận(tt.) Tri thức thủtục:

Baseball-Player

Isa: Adult-Male

bats: (lamda (x)

(prog() L1

(cond ((cardr x) (return (cardr x))) (t (setq x (eval (cardr x)))

(cond (x (go L1)) (t (return nil) )

) )

) ) )

Height: 6-1

(14)

Tri thức thủtục:

– Cách biểu diễn chương trình:

2 Dùng luật sinh (production rules), như ví dụ:

Luật sinh + cách sửdụng chúng: là định hướng hoạt động hơn

dạng biểu diễn nói trước đây.

Tuy phân biệt đâu tri thức khai báo hay thủtục một cơng việc

khó khăn.

IF:

ninth inning, AND score is close, AND less than outs, AND first base is vacant, AND

batter id better hitter than next batter THEN

walk the batter

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức

Có những thuộc tính cơ bản của đối tượng mà chúng xuất hiện mọi lĩnh vực khơng?

Nếu có: đó những thuộc tính nào?

Nếu có: có chắc chắn chúng sẽ được xửlý thích hợp từng cơ chế được đềnghịkhông?

(15)

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Tri thức được biểu diễn đến mức chi tiết nào?

Có tồn tại những primitive cơ bản mà qua đó tất cả tri thức được biểu diễn?

Sửdụng primitives có ích khơng?

Tập đối tượng được biểu diễn như thếnào?

Với số lượng lớn tri thức được chứa CSDL,

Bằng cách truy xuất những thành phần cần

thiết?

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Các thuộc tính quan trọng:

1 Instance:

Cho biết quan hệthành viên giữa đối tượng lớp thuộc

vào.

2 Isa

Cho biết một lớp của lớp khác.

– Cặp thuộc tính cho phép khả thừa kếthuộc tính – Chúng có thể được gọi biểu diễn khác nhiều hệ

(16)

Các quan hệcùng với thuộc tính:

– Thuộc tính: entity | relationship

Có tính chất quan trọng:

1. Đảo

2. Tồn tại hệthống isa

3. Các kỹthuật đểsuy diễn giữa giá trí.

4. Các thuộc tính đơn trị.

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Các quan hệcùng với thuộc tính (tt.):

Adult-Male

Baseball-Player

isa isa: thuộc tính Baseball-Player isa: quan hệtừ <Baseball-Player>

đến Adult-Male

Pee-Wee-Reese

Brooklyn -Dodgers team

Team: thuộc đối tượng <Pee-Wee-Reese>

(17)

Bài Giảng Môn: Trí tuệnhân tạo Chương 04 Side 33

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Các quan hệcùng với thuộc tính (tt.):

1. Đảo:

Đối tượng O có thuộc tính, quan hệ, A với giá trịV.

Nếu xuất phát từV, xem V là đối tượng được biểu diễn, thì

cũng có quan hệ đến đối tượng O ban đầu, thông thường là

khác với quan hệ A ban đầu, trừ trường hợp A quan hệ đối

xứng như: friend, sibling,

Có hai cách biểu diễn, như VD:

1. team(Pee-Wee-Reese, Brooklyn-Dodgers)

2. team = Brooklyn-Dodgers

team-members = Pee-Wee-Reese.

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Các quan hệcùng với thuộc tính (tt.): 2 Tồn tại một hệ thống isa giữa thuộc tính:

– Hệthống isa giống như isa giữa lớp. – Ví dụ:

height Physical-size Physical-attribute

(18)

Các quan hệcùng với thuộc tính(tt.):

3 Các kỹthuật suy diễn trị:

– Các thuộc tính có trị tường minh dùng trị đó.

– Các thuộc tính chưa có đặc tảtrị tường minh thực hiện động tác suy diễn.

– Các thông tin cần cho suy diễn:

Kiểu của giá trị Ví dụ: Kiểu trịcủaheightlà giá trịtính theo đơn

vị đo chiều dài đó.

Ràng buộc trị: Ví dụ: tuổi của nguời không lớn tuổi của cha

hoặc mẹhọ.

Luật tính tốn trịkhi cần nó: như ví dụtính trịcho batsởtrên Gọi

làbackward ruleshay if-needed rules

Luật mô tảhành động được thực hiện giá trịcủa nó biết

Gọi làforward ruleshay if-added rules.

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Các quan hệcùng với thuộc tính(tt.): 4 Các thuộc tính đơn trị:

– Các thuộc tính đơn trị: thuộc tính chỉcó trịduy nhất tại bất

kỳthời điểm nào.

– Ví dụ: Một Player, hệthống ví dụ, chỉcó trịduy nhất

cho height, team,…

– Vài cách khác đểhổtrợsự đơn trị:

Đưa ký hiệu khoảng thời gian tường minh hai trịkhác

cho thuộc tính khoảng thời gian báo hiệu mâu

thuẩn tự động.

Viết đè lên giá trịcũnếu gặp trịmới.

Không hổtrợ tường minh (cho logic-based system) Người xây

dựng CSTT ghi nhận rằng: một thuộc tính có trịrồi khơng

(19)

Khoa Cơng Nghệ Thông Tin - Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Chọn lựa mức biểu diễn:

– Biểu diễn ởmức chi tiết nào? – Các primitive nào?

– Ví dụ: nếu sựkiện quan tâm …

“John spotted Sue”

– Dạng biểu diễn có thể:

Spotted(agent(John), object(Sue))

Trảlời được: “Who spotted Sue?”

Không được: “Did John see Sue?“

Nếu thêm luật:

Spotted(X,Y) saw(X,Y) trảlời được câu hỏi trên.

– Biểu diễn ởmức chi tiết nào? – Các primitive nào?

– Ví dụ: nếu sựkiện quan tâm …

“John spotted Sue”

– Dạng biểu diễn có thể:

saw(agent(John),object(Sue),timespan(briefly))

Cách bẻ:

spotting = seeing + timespan

dễdàng trảlời cho hành động saw.

(20)

Chọn lựa mức biểu diễn:

– Primitives: phần tử bản, có thểlà:

Hành động cơ bản, Khái niệm cơ bản, …

đã được quy định trước ý nghĩa.

– Primitives : công cụbiểu diễn thuộc low-level. – Advantage của primitives:

Các luật suy diễn chỉcần làm việc primitives.

– Disadvantage của primitives:

Bộnhớnhiều: cho sựkiện ởhigh-level (ởNNTN) – biểu

diễn lặp lại khái nhiệm.

Phải chuyển từ high-level (như NNTN) sang low-level (primitives)

Và không phải lúc cũng dễdàng.

– Primitives: Phương pháp CD cho câu “John punched Mary”

John P PROPEL O fist

Poss-by John

Mary John

D

fist Physcontact

Poss-by John

Mary

I

John MOVE

O fist Poss-by John

(21)

– Primitives: Phương pháp CD cho câu “Mary punched John”

Mary P PROPEL O fist

Poss-by Mary

John Mary

D

fist Physcontact

Poss-by Mary

John

I

Mary MOVE

O fist Poss-by Mary

John D Toàn cấu trúc phải lưu lại

tương tự cấu trúc cho câu trước

Tập primitives không rõ ràng

– Ví dụ:

Tập primitives cho câu “Mary is Sue’cousin” ???

– Với primitives: mother, father, son, daughter, brother, sister.

Mary = daughter(brother(mother(Sue)))

Mary = daughter(sister(mother(Sue)))

Mary = daughter(brother(father(Sue)))

Mary = daughter(sister(father(Sue)))

– Với primitives: parent, child, sibling, male, female.

(22)

Chọn lựa mức biểu diễn:

Nếu dùng primitives ởmức cao khó mà biết được những

primitives cấp thấp tương ứng.

Ví dụ: phát biểu “John broke the window” “BROKE” có

thể được thực hiện thông qua:

1. Pick up a hard object.

Hurl the object through the window. 2. Pick up a hard object.

Hold onto the object while causing it to crash into the window. 3. Cause hand (or foot) to move fast and crash into the window.

4. Shut the window so hard that the glass breaks.

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Biểu diễn tập đối tượng:

– Lý do: Có một sốquan hệ/thuộc tính chỉ đúng với tập hợp mà

không đúng với từng phần tử.

– VD:

1. “There are more sheep than people in Australia” 2. “English speakers can be found all over the world”

Ởví dụtrên: tính chất được kết hợp với tập hợp , không

phải phần tử: sheep, people in Australia, English speakers, …

(23)

– Lý do: Cho dù tính chất đúng với mọi phần tửcủa tập lý

do hiệu quảcũng khơng nên liệt kê tính chất đó cho mọi phần

tử.

– VD:

“Every dog has a tail”.

“Spot, Lulu and Nana are dogs”

– Ởví dụtrên: Spot, Lulu Nana những chó

chúng ta khơng nên kết hợp tính chất “has a tail” trực tiếp vào

chúng.

– Chúng ta kết hợp thuộc tính vào tập lan truyền xuống thành

viên của tập, như mạng ngữnghĩa – xem phần trước.

– Lưu ý: Nghĩa của primitives phải rõ ràng đểphân biệt

những trường hợp như sau:

large(Elephant). – Nghĩa là:

“the set of elephants is large”

OR

(24)

Biểu diễn tập đối tượng:

– Hai cách biểu diễn:

Ngoại diện – extension.

Liệt kê phần tửcủa tập hợp. Nội hàm – intension.

Đưa luật đểphán quyết phần tử thếnào thuộc tập hợp.

– Ví dụ:

Ngoại diện:

{Earth}

Nội hàm:

{X: sun-planet(X) ^ human-inhabited(X)}

– Hai cách biểu diễn:

Ánh xạ: Nội hàm Ngoại diện, không 1-1. Nội hàm có thể:

– Mơ tảtập vơ hạn

– Tập chứa phần tử chưa biết

– Cho phép định nghĩa phụthuộc thông số thay đổi ( theo thời gian, không

gian…)

Ví dụ:

(25)

Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin - Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Các vấn đề trong biểu diễn tri thức (tt.) Tìm cấu trúc tri thức cần thiết:

– Các tốn:

1 Lựa chọn cấu trúc thích hợp ban đầu. Đưa vào chi tiết từtrạng thái đầu.

3 Tìm cấu trúc khác nếu cấu trúc đang có khơng thích hợp. Làm khơng một cấu trúc hiện tại thích hợp. Khi tạo và lưu trữlại cấu trúc mới.

– Lựa chọn cấu trúc ban đầu:

1. Chỉrõ những cấu trúc bằng những từtiếng anh có thể được dùng đểmơ tảchúng

Bất tiện:

> Nhiều từcó nhiều hơn nghĩa.

> Có bản mô tảbằng tiếng anh trước biểu diễn.

2. Xem mỗi khái niệm như pointer đến tất cảcác cấu trúc mà

nó có thể được dùng đó.

Mỗi concept nhiều cấu trúc.

Như: Steak restaurant, supermarket.

Bill restaurant, shopping

Lấy giao của tập tập cấu trúc dùng được.

Bất tiện:

> Có thểsẽcho tập rỗng cấu trúc.

(26)

Tìm cấu trúc tri thức cần thiết:

– Lựa chọn cấu trúc ban đầu:

3 Chỉra những manh mối cơ bản lựa cấu trúc ban đầu.

Khi manh mối khác xuất hiện tinh chỉnh cấu trúc OR tạo

cấu trúc mới.

Bất tiện:

> Không dễchỉra manh mối ban đầu.

> Xác định tính quan trọng của manh mối.

– Xem xét lại lựa chọn:

Khi thay thếcấu trúc?

Không một trịthích hợp có thể đựơc ràng buộc vào biến, lấp đầy trịcủa thuộc tính đó cấu trúc.

Q trình có thểgặp trởngại số hướng giải quyết:

1. Thực hiện những mảnh cấu trúc hiện tại.

2. Chấp nhận sốlỗi cấu trúc hiện tại.

3. Chọn hướng mới đểkhảo sát dựa vào links được lưu giữcụ

thể.

(27)

Vấn đề khung

Bằng cách biểu diễn hiệu quảchuổi trạng thái

cho tốn tìm kiếm?

Bài tốn robot:

– on(Plant12, Table34). – under(Table34, Window13). – in(Table34, Room15).

1 trạng thái = danh sách facts trên.

bất tiện: danh sách dài.

từtrạng thái A B: nhiều facts khơng thay đổi.

Vấn đềkhung: tốn về biểu diễn facts thay đổi

cùng với những facts không được biết

Vấn đề khung

Sửdụng tiền đềkhung:

– Mô tảtất cảnhững sẽ không thay đổi áp dụng tốn tử

cụthểnào đó đểchuyển từtrạng thái n n+1.

– Ví dụ:

“Vật X có màu Y tại trạng thái S1 cũng có màu Y tại trạng

thái S2 di chuyển X từS1 S2’

color(X,Y, S1) ^ move(X,S1,S2) color(X,Y,S2). Bất tiện:

(28)

Sửdụng giả định:

Những thay đổi: ghi tường minh OR được dẫn cách

logic từnhững thay đổi.

Hai cách tiếp cận dùng cho backtrack chuổi trạng thái:

– Không thay đổi mô tả đầu Ghi nhận sự thay đổi cụthểtại

node cần thay đổi.

– Thay đổi mơ tả đầu Ghi nhận những cần làm undo tại

trạng thái đó.

Những vấn đề trình bày

1. Biểu diễn ánh xạ.

2. Các cách tiếp cận.

1 Tri thức quan hệ đơn giản

2 Tri thức thừa kế

3 Tri thức suy diễn

4 Tri thức thủtục

3. Các vấn đềtrong biểu diễn tri thức.

1 Các thuộc tính quan trọng đối tượng biểu diễn

2 Các tính chất thuộc tính(quan hệ)

3 Chọn mức chi tiết biểu diễn

4 Biểu diễn tập hợp

5 Tìm cấu trúc tri thức thích hợp

4. Vấn đềkhung.