Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) MỤC LỤC Trang 1 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) GIỚI THIỆU Trong Thế kỷ thứ 21, xã hội con người thực hiện cuộc cách mạng về thông tin, sau cách mạng xanh và cách mạng cơ khí. Tri thức được đánh giá như là quyền lực và tiền bạc. Xã hội cũng dần chuyển sang xã hội tri thức, tức các sản phẩm quốc dân có hàm lượng tri thức cao. Từ năm 1964, người ta đã dự đoán xu thế ứng dụng tri thức trong các ngành Kinh tế quốc dân.Công nghệ thông tin đáp ứng nhu cầu xử lý dữ liệu và tri thức. Bên cạnh công nghệ phần mềm là công nghệ tri thức. Công nghệ tri thức được nghiên cứu nhằm tích lũy tri thức của chuyên gia, làm máy tính thực hiện những chức năng thông minh như người, đồng thời làm con người cũng tự nâng cao bản thân. các lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia, dịch tự động… đều liên quan đến tri thức. Nhiều ứng dụng về Công nghệ thông tin đã và đang sử dụng tri thức như dữ liệu meta, điều khiển quá trình xử lý dữ liệu. Việc lập luận trên các dữ liệu và tri thức đã và đang mang lại cho con người những thành công ngày càng tăng trong việc xử lý dữ liệu. Mô hình cơ sở dữ liệu định nghĩa cái gọi là những quy tắc suy diễn được dùng để tự động suy luận những thực tế mới (gọi là những thực tế được suy luận). Suy luận những thực tế đã được trở nên sẵn có đối với những người sử dụng thông qua một giao diện hợp nhất. Những người sử dụng giao tiếp với một cơ chế suy diễn đã thực hiện những mục đích kiểm tra thông tin, tìm kiếm thông tin và thực hiện các thông tin: kiểm tra thông tin là một vị từ mà có thể xác định bởi 02 kết quả Đúng hoặc Sai, tìm kiếm thông tin là một hàm logic định nghĩa với ít nhất một biến tự do. Trong phạm vi của đề tài em xin trình bày sơ lược một số khái niệm về biểu diễn tri thức , biểu diễn tri thức với logic mệnh đề và vị từ. Phần cuối của tiểu luận là chương trình ứng dụng lập trình logic vào trong biểu diễn tri thức. Trang 2 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ BIỂU DIỄN TRI THỨC I. Khái niệm về tri thức và biểu diễn tri thức 1.khái niệm tri thức Tri thức (knowledge) là sự hiểu biết về một lĩnh vực của chủ đề trong đó lĩnh vực là miền chủ đề được chú trọng. Tri thức thuờng bao gồm các khái niệm, các loại sự kiện, các luật, Ví dụ: Kiến thức về một lĩnh vực y học và khả năng chẩn đoán bệnh là tri thức. Biết một tam giác có các yếu tố nào cùng với các công thức liên hệ giữa các yếu tố là tri thức. Biết các dạng cấu trúc dữ liệu thường dùng trong lập trình cùng với các thuật toán xử lý cơ bản trên các cấu trúc là tri thức. 2. Khái niệm về biểu diễn tri thức Biểu diễn tri thức (Knowledge Representation) là sự diễn đạt và thể hiện của tri thức dưới những dạng thích hợp để có thể tổ chức một cơ sở tri thức của hệ thống. Biểu diễn tri thức giúp có thể tổ chức và cài đặt một cơ sở tri thức cho các hệ chuyên gia, các hệ cở sở tri thức và các hệ giải bài toán dựa trên tri thức. Công cụ cho biểu diễn tri thức: - Các cấu trúc dữ liệu cơ bản: dãy, danh sách, tập hợp, mẫu, - Các cấu trúc dữ liệu trừu tượng: ngăn xếp, hàng đợi. - Các mô hình toán học: đồ thị, cây. - Các mô hình đối tượng. - Các ngôn ngữ đặc tả tri thức. Ví dụ: Kiến thức về một tam giác cần thiết cho việc giải bài toán tam giác có thể được biểu diễn gồm: Một tập hợp các biến thực, mỗi biến đại diện cho một yếu tố của tam giác. Một tập hợp các công thức liên hệ tính toán trên các yếu tố của tam giác. Trang 3 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) Tập các biến trong tam giác: a, b, c : 3 cạnh của tam giác. α, β, γ : 3 góc đối diện với 3 cạnh tương ứng trong tam giác. ha, hb, hc : 3 đường cao tương ứng với 3 cạnh của tam giác. S : diện tích tam giác. p : nửa chu vi của tam giác. R : bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác. Tập các công thức trong tam giác: f1 : α + β + γ = π (radian). f2 : a2 = b2 + c2 - 2.b.c.cos α f3 : b2 = a2 + c2 - 2.a.c.cos β f4 : c2 = a2 + b2 - 2.a.b.cos γ f5 : a / sin α = b / sin β 3. Các dạng tri thức: Tri thức được thể hiện dưới các dạng: - Tri thức mô tả: các khái niệm, các đối tượng cơ bản. - Tri thức cấu trúc: các khái niệm cấu trúc, các quan hệ, các đối tượng phức hợp… - Tri thức thủ tục: các luật dẫn, các thủ tục xử lý, các chiến lược, … - Tri thức Meta: tri thức về các dạng tri thức khác và cách sử dụng chúng. II Các phương pháp biểu diễn tri thức: 1. Biểu diễn dựa trên logic hình thức Sử dụng các biểu thức logic hình thức trong một hệ thống logic để diễn đạt các sự kiện và các luật trong cơ sở tri thức. Phép tính logic vị từ cấp 1 được sử dụng phổ biến nhất và có cả một ngôn ngữ lập trình hỗ trợ cho phương pháp này. Đó là ngôn ngữ lập trình PROLOG.Trong ngôn ngữ PROLOG, chỉ cần khai báo các sự kiện và các luật. Hệ thống sẽ thức hiện giải quyết vấn đề được yêu cầu dựa trên tri thức được khai báo. Trang 4 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) 2. Hệ luật dẫn Mỗi luật dẫn được phát biểu dưới dạng: if <giả thiết> then <kết luận> Mô hình: Một cách hình thức, hệ luật dẫn gồm 1) Tập ký hiệu đại diện cho các sự kiện. 2) tập luật dẫn trong đó <giả thiết> và <kết luận> là các tập hợp sự kiện Nhận xét: Mô hình hệ luật dẫn trên khó áp dụng trực tiếp vì quan niệm sự kiện khá đơn giản. 3. Mạng ngữ nghĩa Mạng ngữ nghĩa (semantic network) có dạng một đồ thị gồm các nút và các cung, trong đó - Các nút thể hiện các khái niệm, các đối tượng. - Các cung thể hiện các quan hệ giữa các đối tượng. Dựa trên mạng ngữ nghĩa ta nhận biết tri thức một cách trực quan giúp thiết kế các xử lý như: thêm/bớt các khái niệm hay các đối tượng, tìm kiếm thông tin. Nhận xét: Mô hình khá trừu tượng và khái quát, trong áp dụng phải phát triển các mô hình tri thức cụ thể hơn. 4. Các khung (frame) Các khung (frame) thể hiện các khái niệm dưới dạng cấu trúc mẫu tin và có hình thức như một bảng mẫu. Khung cơ bản gồm các thành phần cơ bản sau: - Tên đối tượng (loại khung). - Các thuộc tính. - Giá trị của các thuộc tính. Khung lớp: thể hiện các tính chất tổng quát của một lớp các đối tượng, với những quan hệ kế thừa và cấu trúc phân cấp. Trang 5 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) III. Suy diễn tự động. 1. Khái niệm suy diễn tự động Suy diễn tự động là suy diễn nhằm vận dụng kiến thức đã biết trong quá trính lập luận giải quyết vấn đề trong đó quan trọng nhất là các chiến lược điều khiển giúp phát sinh những sự kiện mới từ các sự kiện đã có. Suy diễn tự động: Quá trình suy diễn được thuật giải hóa và có thể cài đặt thành chương trình máy tính. Các kỹ thuật suy diễn cơ bản: - Suy diễn tiến. - Suy diễn lùi. 2. Hợp giải trong tri thức dạng logic Hợp giải trong tri thức dạng logic là phương pháp thực hiện quá trình phát sinh sự kiện mới bằng cách sử dụng các luật suy diễn cơ bản trên các biểu thức logic như: Modus Ponens, Modus Tollens, tam đoạn luận Trong logic vị từ: Quá trình hợp giải có thể được cài đặt dựa trên kỹ thuật hợp nhất (unification) và quay lui (backtracking). PROLOG là một ngôn ngữ lập trình được thiết kế với chức năng suy diễn theo phương pháp này. 3. Suy diễn tiến Suy diễn tiến là phương pháp suy dẫn từ giả thiết đi đến kết luận. Chiến lược này được bắt đầu bằng tập sự kiện đã biết, rút ra các sự kiện mới nhờ dùng các luật mà phần giả thiết khớp với sự kiện đã biết, và tiếp tục quá trình này cho đến khi thấy trạng thái đích, hoặc cho đến khi không còn luật nào khớp được các sự kiện đã biết hay được sự kiện suy luận. Trong áp dụng cụ thể phương pháp thường sử dụng kết hợp với các qui tắc heuristic trong việc chọn luật. Trang 6 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) 4. Suy diễn lùi Suy diễn lùi là phương pháp truy ngược từ kết luận trở về giả thiết. Phương pháp này được tiến hành bằng cách truy ngược từ mục tiêu cần đạt được trở về phần giả thiết của bài toán bằng cách áp dụng các luật trong cơ sở tri thức. Quá trình suy diễn lùi này sẽ phát sinh một sơ đồ cây mục tiêu kèm theo một cơ chế quay lui và lời giải sẽ được tìm thấy khi tất cả các mục tiêu ở các nút lá của cây mục tiêu đều thuộc về những sự kiện đã biết. Trong áp dụng cụ thể phương pháp thường sử dụng kết hợp với các qui tắc heuristic trong việc chọn luật. 5. Suy diễn hỗn hợp Suy diễn hỗn hợp là phương pháp kết hợp 2 quá trình suy diễn tiến và suy diễn lùi nhằm khắc phục khuyết điểm của mỗi phương pháp và nâng cao hiệu quả của quá trình suy diễn trong áp dụng cụ thể. Nhược điểm của suy diễn tiến: Không cảm nhận được sự gần tới đích. Nhược điểm của suy diễn lùi: thường dẫn tới sự phân nhánh lớn và không cảm nhận được sự cần chuyển hướng dòng suy nghĩ. CHƯƠNG II: BIỂU DIỄN TRI THỨC VỚI LOGIC MỆNH ĐỀ VÀ VỊ TỪ I . khái quát về biểu diễn tri thức với logic mệnh đề và vị từ. Tri thức được thể hiện dưới dạng lớp của các biểu thức logic và cơ sở tri thức giải bài toán được thiết lập trên cơ sở lớp của các biểu thức logic này. Luật suy diễn và thủ tục chứng minh tri thức được lập luận trên cơ sở toán học logic với các yêu cầu đặt ra của bài toán. Với phương pháp biểu diễn này cung cấp ý tưởng để tiếp cận với ngôn ngữ lập trình Prolog trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo. Hai cách biểu diễn này đều dùng kí hiệu để biễu diễn tri thức và các toán tử áp lên các ký hiệu để suy luận logic, và đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu những công cụ hình thức để biểu diễn và suy luận tri Trang 7 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) thức. Hay còn được gọi là một ngôn ngữ biểu diễn dùng để mã hóa tri thức dưới dạng sao cho dễ lập trình với ngôn ngữ lập trình Prolog. II. Biểu diễn tri với với logic mện đề và vị từ 1. Phép tính mệnh đề Định nghĩa mệnh đề: Mệnh đề là một phát biểu có thể khẳng định tính đúng hoặc sai. Các ký hiệu (symbol) của phép tính mệnh đề là các ký hiệu mệnh đề : P, Q, R, S, … (thông thường nó là các chữ cái in hoa nằm gần cuối bảng chữ cái tiếng Anh), các ký hiệu chân lý – chân trị (truth symbol) : true, false hay các phép toán kết nối như : ∧, ∨, ¬, ⇒, = Các ký hiệu mệnh đề (propositional symbol) biểu thị các mệnh đề (proposition) hay các phát biểu về thế giới thực mà giá trị của chúng có thể là đúng hoặc sai. Mệnh đề đơn giản: - Đồng l một kim loại => Đúng - Gỗ l một kim loại => Sai - Hơm nay l thứ Hai => Sai - Ký hiệu trong phép tính mệnh đề: - Ký hiệu mệnh đề: P, Q, R, S, - Ký hiệu chân lý: true, false - Các phép toán logic: ∧ (hội), ∨ (tuyển), ¬(phủ định), ⇒ (kéo theo) , = (tương đương) Định nghĩa câu trong phép tính mệnh đề: Câu trong phép tính mệnh đề được cấu tạo từ những ký hiệu sơ cấp (atomic symbol) theo các luật sau đây : - Tất cả các ký hiệu mệnh đề và ký hiệu chân lý đều là câu (sentences) : true, P, Q và R là các câu. - Phủ định của một câu là một câu : ¬ P và ¬ false là các câu - Hội hay và của hai câu là một câu : P ∧ ¬ P là một câu - Tuyển hay hoặc của hai câu là một câu : P ∨ ¬ P là một câu - Kéo theo của một câu để có một câu khác là một câu : P ⇒ Q là một câu. Trang 8 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) - Tương đương của hai câu là một câu : P ∨ Q = R là một câu - Các câu hợp lệ được gọi là các công thức dạng chuẩn (well-formed formula) hay WFF. Trong các câu phép tính mệnh đề, các ký hiệu ( ) và [ ] dùng để nhóm các ký hiệu vào các biểu thức con và nhờ đó kiểm soát được thứ tự của chúng trong việc đánh giá biểu thức và diễn đạt. Ví dụ (P ∨ Q) = R hoàn toàn khác với P ∨ (Q = R). Ví dụ: ( (P∧Q) ⇒ R) = ¬P ∨ ¬Q ∨ R Định nghĩa biểu thức: là một câu hay công thức dạng chuẩn, của phép tính mệnh đề khi và chỉ khi nó có thể được tạo từ những ký hiệu hợp lệ thông qua một dãy những luật này. Ví dụ: (( P ∧ Q) ⇒ R = ¬ P ∨ ¬ Q ∨ R là một câu dạng chuẩn trong phép tính mệnh đề vì : P, Q, R là các mệnh đề và do đó là các câu. P ∧ Q, hội của hai câu là một câu. (P ∧ Q) ⇒ R, kéo theo của một câu là một câu. ¬ P và ¬ Q, phủ định của các câu là câu. ¬ P ∨ ¬ Q, tuyển của hai câu là câu. ¬ P ∨ ¬ Q ∨ R, tuyển của hai câu là câu. (( P ∧ Q) ⇒ R = ¬ P ∨ ¬ Q ∨ R, tương đương của hai câu là câu. Đây là câu xuất phát, nó đã được xây dựng thông qua một loạt các luật hợp lệ và do đó nó có dạng chuẩn. Mệnh đề tương đương Dạng hấp thụ: A ∧ (A ∨ B) = A A ∨ (A ∧ B) = A A ∧ (¬A ∨ B)= A∧B A ∨ (¬A ∧ B)= A∨B Trang 9 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) Dạng De morgan ¬ (A ∧ B) = ¬A ∨ ¬B ¬ (A ∨ B) = ¬A ∧ ¬B Dạng khác A ⇒ B = ¬A ∨ B ¬ (A ⇒ B) = A ∧ ¬B A ⇒ B = A ∧ ¬B⇒ FALSE Các luật Luật Modus Ponens (MP) A, A⇒ B ∴ B Luật Modus Tollens (MT) A⇒ B, ¬B ∴¬A Luật Hội A,B ∴∴ A^B Luật đơn giản A^B ∴ A Luật Cộng A ∴ AvB Luật tam đoạn luận tuyển Av B, ¬A ∴ B Luật tam đoạn luận giả thiết A⇒ B,B⇒ C∴A⇒ C Trang 10 [...]... các vị từ và hàm Ví dụ: Sử dụng logic vị từ cấp1 Nhược điểm: - không có sự tương tác giữa Socrates và Plato Không nói lên được từng phẩn tử của man và mortal nên biểu diễn không suy diễn được gì Ví dụ: Suy diễn: 3 Biểu diễn: isa và instance Biểu diễn instance: a1 là thành viên của của A - Tên lớp vị từ: A(a1) Instance là tên vị từ: instance(a1,A) Các câu ví dụ trên có thể biểu diễn: 1 man(Marcus) 2 Pompeian(Marcus)...2 Phép tính vị từ Trong phép tính mệnh đề, mỗi ký hiệu câu sơ cấp P, Q, … biểu thị một mệnh đề và chúng ta không thể tác động vào từng phần riêng lẻ của câu Phép tính vị từ (predicate calculus) cung cấp cho chúng ta khả năng này Chẳng hạn, đặt mệnh đề với mọihôm qua trời mưavới mọilà P, từ đó chúng ta có thể tạo ra một vị từ chỉ thời tiết mô tả quan hệ giữa một ngày và thời tiết trong ngày... Ví dụ: với mọiX likes(X, ice-cream) + Lượng tử tồn tại ∃: dùng để chỉ một câu là đúng với một số giá trị nào đó của biến lượng giá Ví dụ: ∃ Y friends(Y,tom) Ngữ nghĩa - Phép tính vị từ Tương tự như phép tính mệnh đề, ngữ nghĩa của phép tính vị từ cung cấp một cơ sở để xác định chân trị của các biểu thức dạng chuẩn Chân trị của các biểu thức phụ thuộc vào ánh xạ từ các hằng, các biến, các vị từ và các... hàm vào các đối tượng và quan hệ trong lĩnh vực được đề cập Sự thông dịch (cách diễn giải) của một tập hợp các câu phép tính vị từ: là một sự gán các thực thể trong miền của vấn đề đang đề cập cho mỗi ký hiệu hằng, biến, vị từ và hàm Giá trị chân lý của một câu sơ cấp được xác định qua sự thông dịch Đối với các câu không nguyên tố, sử dụng bảng chân lý cho cho các phép nối kết, và: + Giá trị của câu với. .. trình Các hệ Cơ sở Tri thức, NXB ĐHQG, 2006 2 John F Sowa Knowledge Representation: Logical, Philosophical and Computational Foundations, Brooks/Cole, 2000 3 Đỗ Văn Nhơn, Xây dựng hệ tính toán thông minh – Nghiên cứu phát tri n các phương pháp biểu diễn tri thức cho các hệ giải toán tự động Luận án tiến sĩ, Đại học KHTN, 2001 4 Hoàng Kiếm - Đỗ Văn Nhơn, Slide bài giảng biểu diễn tri thức và giai toán tự... biến đều bị tác động bởi lượng từ với mọi (∀) Ví dụ: tiếp bước 4 [¬roman(X) v ¬know(X, Marcus)] v [hate(X, Ceasar) v (¬hate(Y,Z) v thinkcrazy(X,Y))] 7 Chuyển hội chuẩn (Conjunctive Normal Form - CNF) Một chuỗi các mệnh đề kết nối nhau bằng quan hệ AND (^) Mỗi mệnh đề có dạng một tuyển OR (v) của các biến mệnh Mỗi mệnh đề có dạng một tuyển OR (v) của các biến mệnh đề Dùng phép phân phố giữa v và ^ Dạng... nhau bởi dấu ‘,’, và kết thúc với dấu ‘.’ - Trị chân lý true, false là các câu sơ cấp - Câu sơ cấp còn được gọi là: biểu thức nguyên tử, nguyên tử hay mệnh đề Ký hiệu vị từ trong các câu này là friends, likes Câu: được tạo ra bằng cách kết hợp các câu sơ cấp sử dụng: Các phép kết nối logic: ⇒ ,¬ ,∨, ∧ , = Các lượng tử biến: + Lượng tử phổ biến với mọi ∀: dùng để chỉ một câu là đúng với mọi giá trị của... mâu thuẩn Yêu cầu: các biểu thức phải được chuẩn hoá trước ở dạng clause (clause form) Clause Form = clause ^ clause ^ clause ^ … Clause = term v term v term Ví dụ clause: P v ¬Q v R ¬P v Q v ¬R ¬P v Q v ¬R ¬Roman(X) v hate(X, Ceaser) Luật phân giải: Mệnh đề Vị từ Để chứng minh P từ tập F của các mệnh đề: 1 Chuyển F sang clause form 2 Lập ¬P, chuyển ¬P sang clause form Thêm vào các 2 Lập ¬P, chuyển... tiết mô tả quan hệ giữa một ngày và thời tiết trong ngày ấy: thời_tiết (hôm_qua, mưa) Thông qua các luật suy diễn, chúng ta sẽ có thể thao tác trên các biểu thức phép tính mệnh đề, truy xuất và suy ra những câu mới Ký hiệu vị từ: là tập hợp gồm các chữ cái, chữ số, ký hiệu với mọi _với mọi, và được bắt đầu bằng chữ cái.Ví dụ: X3, tom_and_jerry Ký hiệu chân lý: true, false Hằng: dùng để chỉ một đối tượng... chỉ số lượng các đối số của hàm V từ: dùng để định nghĩa một mối quan hệ giữa không hoặc nhiều đối tượng Vị từ được ký hiệu bắt đầu bằng chữ thường: likes, equals, part_of, … Biểu thức hàm: là một ký hiệu hàm theo sau bởi n đối số Ví dụ: father(david) price(bananas) like(tom, football) Mục (term): là một hằng, một biến hay một biểu thức hàm Câu sơ cấp: là một hằng vị từ với n ngôi theo sau bởi n thành . lớn và không cảm nhận được sự cần chuyển hướng dòng suy nghĩ. CHƯƠNG II: BIỂU DIỄN TRI THỨC VỚI LOGIC MỆNH ĐỀ VÀ VỊ TỪ I . khái quát về biểu diễn tri thức với logic mệnh đề và vị từ. Tri thức. trong biểu diễn tri thức. Trang 2 Biểu diễn tri thức và ứng dụng SVTH:Nguyễn Thị Thu Ngân (CH1101022) CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ BIỂU DIỄN TRI THỨC I. Khái niệm về tri thức và biểu diễn tri thức 1.khái. của đề tài em xin trình bày sơ lược một số khái niệm về biểu diễn tri thức , biểu diễn tri thức với logic mệnh đề và vị từ. Phần cuối của tiểu luận là chương trình ứng dụng lập trình logic vào