知识表示及基本推理方法
知识图谱表示学习与推理方法综述
知识图谱表示学习与推理方法综述知识图谱作为一种将知识以图结构进行表示的方法，在信息检索、智能问答、推荐系统等领域起到了重要作用。
本文将综述不同的知识图谱表示学习与推理方法，以期深入了解知识图谱相关研究进展。
一、知识图谱表示学习方法1. 基于向量表示的方法基于向量表示的方法是目前应用最广泛的知识图谱表示学习方法之一。
这类方法通过将实体和关系表示为向量，将知识图谱中的三元组转换为低维连续向量表示。
代表性的方法有TransE、TransR、TransD 等，它们通过定义损失函数，学习实体和关系的向量表示，并将向量表示应用于知识图谱相关任务。
2. 基于图神经网络的方法图神经网络是一种能够处理图结构数据的神经网络模型。
在知识图谱表示学习中，图神经网络被广泛应用于学习实体和关系的表示。
例如，GCN、GraphSAGE和GAT等方法，通过图卷积操作和注意力机制，在保留图结构信息的同时学习实体和关系的表示。
3. 基于注意力机制的方法注意力机制可以帮助模型更加关注重要的信息，在知识图谱表示学习中也被广泛应用。
通过引入注意力机制，模型能够自动权衡不同实体和关系之间的重要性，从而更好地学习它们的表示。
代表性的方法有ConvE、ConvKB和RotatE等，它们通过使用卷积或旋转操作，并结合注意力机制，学习知识图谱中实体和关系的表示。
二、知识图谱推理方法1. 基于规则推理的方法基于规则推理的方法是传统推理方法中的一种。
它通过定义规则，如IF-THEN规则，对知识图谱进行推理。
这些规则可以是人工定义的，也可以通过数据驱动的方式学习得到。
基于规则推理的方法可以对知识图谱中的隐含关系进行推断，拓展图谱的知识。
2. 基于图神经网络的方法在知识图谱推理中，图神经网络也被广泛应用。
通过在图结构数据上进行消息传递和聚合，图神经网络能够获取全局和局部的信息，从而实现推理。
例如，GAT、R-GCN和KGNN等方法，在知识图谱推理中取得了显著的效果。
知识表示和推理
下面我们通过例子对上述系统中的各个部分 进行说明. 1.作业领域 收藏数据（事实的集合）和假设（目标） 等. 例如，设在动物园中的某个兽笼前，对生 活在笼中的动物进行观察. 假设对笼中名字为 ‚太郎‛的动物得到了下列数据，标记在数据 前面的Dх（x为数字）称为标识符，x为数据 形成时顺序分配的序号. 即数字越大，数据越 新，这是显而易见的. 以下的表示方法，是一 种意义容易理解的表示方法，它与在实际的计 算机上的表示是不同的.
知识表示与对其进行处理的推理密 切相关. 在3.2节中，我们将对其产生式 系统的表示法和推理方法进行说明，这 些方法在专家系统中得到了有效的利用. 产生式系统可以用来应付在上述1、2项 中遇到的困难.
3.2 产生式系统
3.2.1 产生式系统的构造 产生式系统（production system）是1973年由纽 厄尔（Newell）提出的，它是用计算机构成的一种系 统，这种系统具有模仿人解决问题的行为机构. 与人 类具有的长期存储器（long term memory）和短期存 储器（short term memory）相对应，产生式系统的记 忆场所也采用了两种类型. 长期存储器被称为知识库， 它是收藏被长期保存的知识的地方. 在产生式系统中， 将if-then 规则储备在知识的收藏场所. 短期存储器， 在作业领域被称为工作存储器（WM），它是暂时的数 据收藏场所. 在产生式系统中，由外部给予的数据和 从推理中获得的结果将会被记忆. 因此，产生式系统 基本上将具有图3.1所示的构造.
人工智能中的知识表示与推理
人工智能中的知识表示与推理随着人工智能技术的快速发展，知识表示与推理也成为了人工智能领域中一个备受关注的话题。
知识表示是指如何将人类的知识以某种形式表示出来，从而让计算机可以理解并进行推理。
而推理则是指在已知的信息与规则的基础上，通过逻辑推演得出新的结论。
本文试图从以下几个方面探讨人工智能中的知识表示与推理。
一、知识表示与推理的基础知识表示与推理是人工智能领域的两个重要分支，二者之间有着密切的关系。
知识表示是推理的前提，是推理能够进行的基础，没有好的知识表示方式就无法进行有效的推理。
而推理则是在已经构建好的知识表示基础上进行的，可以根据已有的知识来得出新的信息。
因此，知识表示和推理的共同目标是让计算机能够像人类一样进行推理和判断。
二、知识表示的种类在人工智能中，有许多种知识表示的方式。
其中最常见的一种方式是基于逻辑的表示方法，它把事实和规则用逻辑的形式表示出来，可以用一些规则和推论来扩展知识库。
另外一种比较常见的方式是基于语义的表示方法，它使用自然语言或其他语言将知识装入计算机。
这种方法比较接近人的思维方式，但也更加复杂和困难。
三、推理的类型推理的类型主要有两种：一种是演绎推理，它是从已知的事实和规则中，通过精确的逻辑推理和规则运算，得出新的结论；另一种是归纳推理，它是尝试从现有的案例中找出规律，并推广到其他情况。
归纳推理有些类似于人类的学习方式，需要不断积累与总结。
四、知识表示与推理的应用领域知识表示与推理在人工智能领域中有着广泛的应用。
在机器学习领域，基于逻辑的表达和推理被用于将某个问题表示为一个可以求解的逻辑形式。
在自然语言处理领域，语义表示和推理可以帮助计算机更好地理解人类的语言。
在智能行为中，知识表示和推理可以帮助机器人根据不同的场景和任务自主决策。
在医疗诊断中，基于知识表示与推理的系统可以对患者病情进行诊断和推荐治疗方案。
五、知识表示与推理的未来发展方向知识表示和推理的发展方向是向着更加智能化和自主化的方向发展。
知识表示与推理
（对象，属性，值）或（关系，对象1，对象2） 例如：1）雪是白的。2）王蜂热爱祖国。（雪，颜色，白），（热爱，王峰，祖国）
2、规则的表示： 规则一般描述事物间的因果关系，规则的产生式表示形式称为产生式规则，简称为产生式。
一阶谓词
谓词：设D是个体域，P：Dn →{T，F}是一个映射，其中： Dn ={(x1,x2,…xn)|x1,x2,…xn ∈ D} 则称P是一
个n元谓词，记为P(x1,x2,…xn)。
函数：设D是个体域，f：Dn 函数，记为f(x1,x2,…xn )。
→ D是一个映射，其中： Dn
={(x1,x2,…xn)|x1,x2,…xn ∈ D}
4.1 确定性知识表示
第4章 知识表示与推理 5
知识表示是人工智能的最基本的技术之一，它的基本任务就是用一组符号将知识编码成计算机可 以接受的数据结构，即通过知识表示可以让计算机存储知识，并在解决问题时使用知识。
一、命题与谓词
命题：对确定的对象作出判断的陈述句称为命题。一般用大写字母P，Q等表示。命题的判断的结 果称为命题的真值。一般使用T（真）、F（假）表示。
4、产生式系统：通常将使用系产生式表示方法构造的系统称为产生式统，其是专家系统的基础框 架，产生式系统的基本结构如图4-4所示：
综合数据库：又称为事实库、工作内存，用来存放问题求解过程中信息的数据结构。包含；初始状态 、原始证据、推理得到的中间结论以及最终结论。 规则库：用于存放系统相关领域的所有知识的产生式。对知识进行合理的组织与管理，如将规则分成 无关联的子集。 控制系统：由一组程序组成的推理机，主要任务：①按一定的策略从规则库中选择规则，与综合数据 库中的已知事实进行匹配，若匹配成功则启用规则，否则不使用此规则。②当匹配成功的规则多于一 条时，使用冲突消解机制，选出一条规则执行。③执行规则后，将结果添加到综合数据库中，若后件 是操作时执行操作。④确定系统执行停止的条件是否满足。
人工智能中的知识表示与推理
人工智能中的知识表示与推理人工智能（Artificial Intelligence，AI）已经成为当今科技领域的热门话题，它迅速改变着我们的生活方式和工作方式。
而在AI的核心技术中，知识表示与推理是至关重要的一环。
本文将探讨人工智能中的知识表示与推理，以及它们在实际应用中的意义和挑战。
一、知识表示知识表示是指将知识以适合计算机理解和处理的形式进行表达。
在人工智能中，常用的知识表示方式有以下几种。
1.符号逻辑表示符号逻辑是指用逻辑符号和规则来表示和处理知识的方法。
它将事物和关系抽象成逻辑符号，通过逻辑推理来达成目的。
例如，利用一阶谓词逻辑可以表示“所有猫都喜欢鱼”，然后通过推理得出“Tom是猫，所以Tom喜欢鱼”。
2.网络表示网络表示使用图结构来表示和处理知识。
图的节点代表事物，边代表事物之间的关系。
例如，使用有向图可以表示“Tom是Jerry的朋友”，节点Tom指向节点Jerry，表示Tom是Jerry的朋友。
3.语义网络表示语义网络是一种特殊的网络表示方法，它将知识以概念和关系的形式进行表达。
概念节点代表事物，关系边代表事物之间的关系。
例如，利用语义网络可以表示“猫是哺乳动物”，节点猫和节点哺乳动物通过关系边连接。
二、推理推理是指根据已知的事实和规则，通过逻辑推导得出新的结论或解决问题的过程。
在人工智能中，常用的推理方法有以下几种。
1.前向推理前向推理是从已知的事实出发，应用规则和逻辑推理，逐步推导得出结论的过程。
它从已知事实出发，逐级扩展，直到无法再得到新结论为止。
2.后向推理后向推理是从目标出发，逐步向前推导，找出能够满足目标的事实和规则。
它逆向推理，直到得到满足目标的结论或无法再向前推导。
3.不确定推理不确定推理是指在处理不完全或不准确的信息时，通过概率推断得到结论的方法。
它可以用于处理模糊、不确定的情况，通过概率模型计算出结论的概率。
三、知识表示与推理的应用知识表示与推理在人工智能的各个领域都有广泛的应用，下面以几个典型的应用为例进行介绍。
人工智能技术中的知识表示和推理
人工智能技术中的知识表示和推理在当今高科技时代，人工智能技术的发展已经引起了人类社会的广泛关注和瞩目。
与此同时，人工智能技术的核心部分——知识表示和推理技术也逐渐成为了研究热点。
本文将从多个角度探讨知识表示和推理在人工智能技术中的应用和意义。
一、人工智能中的知识表示知识表示是人工智能技术（AI）中的一个重要分支，它的目的是将现实世界中的复杂事物和关系转化为计算机易于处理的形式。
知识表示技术可以将这些实体和关系更好地组织起来，使得计算机能够利用这些信息来完成各种任务。
目前，知识表示技术在许多领域（例如机器视觉、自然语言处理等）中都得到了广泛应用。
知识表示技术代表了人工智能领域里对信息组织、存储、加工的一种范例。
在这个范例中，知识被表示成一个叫做知识图的结构。
这些知识图采用了语义网的思想，描述了各种实体之间的关系、实体的性质和其他信息。
知识图可以用于各种领域，包括大规模的知识库服务、人机交互、自动问答和其他领域的问题解决。
二、人工智能中的推理技术推理是人工智能技术中智能决策的核心，其主要任务是根据已知事实之间的关系推导出新知识。
推理技术是人工智能领域的重要组成部分，是实现人工智能的关键技术之一，它在各种领域的应用也日益丰富。
在人工智能技术的发展过程中，推理技术的应用范围也得到了不断拓展。
推理技术是从根本上改变了人们对计算机的审视方式。
当前的人工智能技术不再是一种“程序”式的操作方式，而是可以从已有的信息中“学习”到新的知识，从而更好地适应当下的环境。
通过推理技术，计算机能够模拟人类的思维和判断过程，并且能够将推理结果转化为计算机可执行的指令，完成涉及知识和理解的复杂任务。
三、人工智能中的深度学习在知识表示和推理技术的背景下，深度学习成为了一个备受关注的领域。
与传统神经网络相比，深度学习可以模拟人类大脑对信息的处理过程，通过大规模数据训练和自适应学习，不断地提高模型的性能和准确率。
深度学习技术的成功在很大程度上得益于知识表示和推理技术的进步。
知识表示及基本推理方法
符号简单，描述易于理解 自然、严密、灵活、模块化 具有严格的形式定义和理论基础 基于归结法的推理，保证正确
逻辑表示知识小结
逻辑表示法的缺点：
典型系统：自动问答系统QA-3 机器人行为规划系统STRIPS 机器博弈系统FOL
没有提供如何组织知识的信息 无法使用启发式规则 浪费时空，容易产生组合爆炸
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框架表示法
M.L.Minsky于1974年提出 基本思想是：
人类记忆和使用知识通常是把有关的一些信息组织在 一起形成一个知识单元——框架(Frame) 遇到新情况时，他从其记忆中取出相应的框架，结识、 分析现实世界。
框架为知识的结构化表达提供了一种自然的表示 方法，即：数据结构 框架可与过程性知识（产生式规则）结合
语义网络表示法的缺点
非严格性：由于表达意思依赖于处理程序对它 们的解释，通过推理网络而实现的推理不能像 逻辑方法保证推理的严格性和有效性。 表示形式不一致，使处理复杂 不便于表示判断性知识、深层知识（如与时间 有关的动态知识）
典型系统
语义信息重现系统（Raphael 1968） SIR NLQAS自然语言问答系统（Simmons 1970、 1973）
一阶谓词 产生式 框架 语义网络 自然语言 其他（剧本、神经网络）
知识表示概念（续1）
同一知识可采用不同的表示方法，不同的表示 方法可能产生不同的效果。 知识表示的目的在于通过有效的知识表示，使 人工智能程序能利用这些知识作出决策，获得 结论。 知识表示方法必须具备的四个性质 知识表示的评价标准
表示示例
语义网络表示法
专家系统中的知识表示与推理机制分析
专家系统中的知识表示与推理机制分析随着人工智能领域的深入发展，专家系统作为其中的一种重要应用，已经得到了广泛的应用。
在专家系统中，知识表示和推理机制是其实现的核心技术，也是其成功与否的关键之一。
因此，对专家系统中知识表示和推理机制的深入分析和探讨，对于提高专家系统的应用水平具有重要的意义。
一、知识表示知识表示是指将复杂的领域知识转换成计算机程序能够理解和操作的形式，以便于专家系统能够利用这些知识进行推理和决策。
在专家系统中，知识表示有多种形式，包括规则表达式、框架、语义网络、决策树等。
这些不同的知识表示形式各有其优缺点，根据具体应用场景和需求选择合适的知识表示形式非常重要。
1.规则表达式规则表达式是专家系统中最早应用的一种知识表示形式，其基本思想是利用一系列的规则描述问题的因果关系和逻辑关系，以此来表达专家领域的知识。
规则表达式的表达形式简单，易于理解和修改，但是当问题变得复杂或规则越来越多时，规则表达式的管理和维护就会变得非常困难。
2.框架框架是一种常用的知识表示形式，用于描述事实之间的复杂关系。
它将一个事物的属性和关系组织为一个框架或者一个对象，如一个人的框架可以包括属性姓名、年龄、性别等，以及这些属性之间的关系。
框架的优点在于能够描述属性之间的复杂关系，也便于系统扩展和更新，但是一堆框架的组合可能会导致知识表示过于复杂。
3.语义网络语义网络是一种基于图形的知识表示形式，用于描述事物之间的语义关系。
它将事实或概念表示为节点，将它们之间的关系表示为边。
语义网络的好处在于它允许系统对知识进行更高层次的表示和推理，如关于概念间的层次结构和分类关系等，但是在构造语义网络时需要考虑节点的组织和表示，避免出现过于复杂的结构。
二、推理机制推理机制是指专家系统根据已有的知识以及推理规则，通过推理过程来生成新的知识或决策结果。
推理机制是专家系统中最核心的部分，其决定了系统的推理速度和推理准确率。
1.前向推理前向推理是指根据事实和规则，从前到后推导出结论的推理方式。
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逻辑表示知识小结
逻辑表示法的缺点：
没有提供如何组织知识的信息 无法使用启发式规则 浪费时空，容易产生组合爆炸
典型系统：自动问答系统QA-3 机器人行为规划系统STRIPS 机器博弈系统FOL
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产生式表示法
产生式表示法是ES中用的最多的一种知识 表示方法。它将专家的知识由称作产生式表示 的规则集合来表示，每一条产生式就是构成一 个知识模块的一条规则。
写成：a b 或 IF a Then b 其中a为前件，b为后件。 使用这种表示法的ES通常称为基于规则的专 家系统。
产生式表示法（续）
用产生式表示规则的一般形式为： 如果 前提1 且前提2 且···且前提n 则 结论1，结论2，···，结论m
产生式系统的构成 产生式表示法的优点 产生式表示法的缺点 典型系统
李明打篮球或踢足球
PLAYS（LIMING，BASKETBALL）∨PLAYS（LIMING，FOOTBALL）
如果该书是何平的，那么它是兰色封面的
OWNS（HEPING，BOOK-1）->COLOR(BOOK-1,BLUE)
机器人不在2号房间内
~INROOM（ROBOT，r2）
所有的机器人都是灰色的 （"x）[ROBOT（X）->COLOR（x，GRAY）]
知识表示及基本推理方法
知识表示 推理技术
知识表示
知识表示概念 逻辑表示 产生式表示法 语义网络表示法 框架表示法 面向对象的表示法 其它表示法
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知识表示概念
知识表示是把知识符号化，转送给计算机，这是 知识工程的核心领域。
知识表示方法：
一阶谓词 产生式 框架 语义网络 自然语言 其他（剧本、神经网络）
P(x , x , …, x )
12
n
其中，P是谓词符号（简称谓词）， x (i=1,2,…n)是参数项（简称项，可以为常量、
i
变量、函数）；
如：雪是白的。
P(e) P:是白的 e：雪 (T)
P(b) P:是白的 b：煤 (F)
对谓词演算可以加量词
全称量词--以符号（"x）P(x)来表示对于某个论域中的 所有（任意一个）个体x,都有P(x)真值为T。
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产生式系统的构成
知识库
知识元：即事实，证据，断言，数据，…是不能分解的最 小知识片,知识元集 = 知识库（KB）中所有产生式包含的 知识元的全体；
规则：也称为知识片，每条规则（或称每个产生式）指明 了知识元之间的关系；
元知识：控制策略。如何使用规则的知识（例如，规则匹 配的先后次序，匹配冲突的解决等）。
1号房间内有个物体 （$x）INROOM（x，r1）
若x>y, y>z 则x>z G(x,y)/\G(y,z) -> G(x,z)
逻辑表示知识小结
合适公式表示知识
合适公式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有强大的形式化表示功能
推理采用归结原理方法 逻辑表示法的优点：
符号简单，描述易于理解 自然、严密、灵活、模块化 具有严格的形式定义和理论基础 基于归结法的推理，保证正确
这些信息有利于推理 有效的获取知识：方便获取，最好系统本身有
能力控制知识获取
知识表示的评价标准
表示方案应便于修改和扩充知识 表示方案尽量简单易懂 表示方法清晰明确
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逻辑表示
这是一种最早使用的知识表示方法，运用命题 演算、谓词演算的概念来描述知识。
命题演算 谓词演算 例子 逻辑表示知识小结
知识表示概念（续1）
同一知识可采用不同的表示方法，不同的表示 方法可能产生不同的效果。
知识表示的目的在于通过有效的知识表示，使 人工智能程序能利用这些知识作出决策，获得 结论。
知识表示方法必须具备的四个性质 知识表示的评价标准
知识表示方法必须具备的性质
充分表示：表达有关领域的各种所需知识 充分推理：能从旧的知识推出新的知识 有效推理：有能力把附加信息结合到结构中去，
“条件”满足，仍与产生式系统的冲突解决策略有关
产生式系统与谓词逻辑的不同
产生式与逻辑蕴含的不同 规则仅描述了前提条件与行为之间的静态关系
规则的自含性：规则的正确性必须独立得到保证
产生式规则的两边可以用谓词表示，也可以采用 其他的数据结构
例子：产生式表示法
动物识别
调度操作规则：
IF 代开关运行 AND 专用旁路 THEN 旁路开关 代 出线开关运行 AND 出线开关停 役
IF 代开关运行 AND 非专用旁路 THEN 旁路开关 代 出线开关运行AND 出线开关停 役 AND 单母运行方式
例子：产生式表示法
简单电压控制 1. 事实 2. 调压规则
例子：产生式表示法
P(x , x , …, x )是合适公式
12
n
若A为合适公式，则¬A也是合适公式
若A、B都是合适公式，则A/\B，A\/B，
A→B，A B也是合适公式
若A为合适公式，x为A中的自由变元，则（"x） A ， （$x）A也是合适公式
例子
我喜爱音乐和绘画：
LIKE（I，MUSIC）∧LIKE（I，PAINTING）
总数据库：综合数据库、上下文、黑板 一个推理引擎（Engine）：
负责整个产生式系统的运行，包括：规则左部与DB匹配； 从匹配成功的规则中，选出一条将在下一步执行的规则，执
行右部规定的动作；
产生式是一种知识表示的方式
产生式与传统IF语句的不同
产生式左边是一组复杂的模式，而不是布尔表达式 规则间的控制流不同于一般的语言，即使“左边”的
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命题演算
在日常生活中，可判断真假的话就是命题。如， 雪是白的。
把单个命题连接起来可组成复合命题。 联结词：/\ 合取（与） \/ 析取（或） ¬ 否定（非） → 蕴含（implies） 等价
真值表
谓词演算
用谓词表达命题，带有参数的命题，包括实体
和谓词两个部分。
谓词公式的一般形式是：
存在量词--以符号（$x）P(x)来表示某个论域中至少存 在一个个体x，使P(x) 真值为T。
一阶谓词演算
若限定不允许在谓词、连词、量词和函数名位置上 出现使用变量进行量化处理，且参数项不能是谓词公式， 则这样的谓词演算是一阶的。换言之，一阶谓词演算不 允许对谓词、连词、量词和函数名进行量化。
谓词公式