Formalismos de Representação de Conhecimento Prof. Fred Freitas Centro de Informática - CIn Universidade Federal de Pernambuco - UFPE.

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1 Formalismos de Representação de Conhecimento Prof. Fred Freitas Centro de Informática - CIn Universidade Federal de Pernambuco - UFPE

2 Roteiro Controvérsia declarativo-procedural Formalismos orientados à resolução de problemas Formalismos orientados a domínios Redes semânticas Frames (Molduras) Lógica de descrições Analise de SBCs

3 Evolução = Elevação das abstrações0 códigos binários e endereços: mnemônicos e rótulos simbólicos,e depois variáveis modificações nos endereços: atribuições saltos:estruturas de controle expressões:funções comandos:procedimentos estruturas armazenamento : estruturas de dados assembler: linguagens consultas a BDs: linguagens de consulta modelos físicos : conceituais dados e operações: tipos abstratos de dados ou objetos tipos: polimorfismo compiladores: gramáticas formais e geradores de compiladores funções para relações código para conhecimento explícito num formalismo lógico de representação

4 Controvérsia Declarativo- Procedimental Abordagem procedimental –Descreve o funcionamento de processos passo-a-passo –Código compilado, mais rápido, simples, controlável e popular –Metáfora do “como” Abordagem declarativa –Descreve um domínio com suas entidades e características, através de “fatos” declarativos que não estão dentro dos programas –Motores de inferência deduzem novos fatos a partir dos existentes –Metáfora do “o quê”

5 Sistemas Baseados em Conhecimento Criar sistemas diretamente a partir do conhecimento Separação entre o conhecimento e o processo dedutivo ou inferência Conhecimento sobre o domínio e sobre processos são dados (fatos), que podem ficar fora do programa A concepção passa por 3 especificações consecutivas: –O nível de conhecimento ou epistemológico –O nível lógico –O nível de implementação

6 Formalismos de Representação de Conhecimento Prover teorias - fundamentadas em lógica matemática - e sistemas para expressar e manipular conhecimento declarativo de forma tratável e eficiente computacionalmente Um formalismo deve prover: –Acesso aos fatos (conhecimento) –Mecanismo de inferência (ou estratégia de resolução) –Estratégias de controle e escalonamento da inferência

7 Tipos de formalismos em relação ao foco Formalismos orientados à resolução de problemas: regras de produção e programação em lógica –Pioneiros –Foco no processo, funcionamento Formalismos orientados a domínios: frames, redes semânticas, lógica de descrições –Classes, relações e restrições –Facilitam a estruturação de conhecimento sobre um domínio de aplicação

8 Formalismos orientados a domínios

9 Redes Semânticas Proposta por Quillian [68] a partir da modelagem da memória semântica humana Nós (objetos) conectados por arcos (relações binárias) Arcos típicos: é-um (is-a), é-parte Muito utilizadas em Processamento de Linguagem Natural –Ontologias linguísticas (Ex: WordNet)

10 Redes Semânticas X: pessoa ( nome => id ( primeiro => string, último => Y: string ), Cônjuge => pessoa ( nome => id ( último => Y),Cônjuge => X))

11 Correspondência com a LPO Uma rede semântica pode ser mapeada em uma representação na LPO ( Lógica da Primeira Ordem ): nós termos retasrelações Não é definido um conjunto específico de relações. As relações mais usadas: is-a (é-um) Permite agrupar objetos na mesma classe (Instanciação) ako (a-kind-of: tipo-de) Refinamento de um conceito em um mais específico (Sub-classe) part-of (parte-de) (relação de: pertence a...)

12 Inferência sobre Redes Semânticas Busca e casamento de padrões Pode ser a partir de um nó ou arco, para frente e/ou para trás através dos links Usos: –Explicações –Inferência sobre subsunção (herança) –Consultar toda a informação possível sobre um nó ou arco –...

13 Problemas de redes semânticas Muitos nós para representar pouca coisa Muita repetição de nós Não há distinção entre classes e objetos Não podemos falar sobre as relações –Dizer por exemplo que é de 1:1 ou 1:n –A não ser reificando-as...

14 Frames (Quadros) Base: modelos mentais de psicologia cognitiva usados na resolução de problemas [Bartlett 32] –Esquemas: estruturas de conhecimento (estereótipos) armazenadas na memória duradoura, baseadas em experiências passadas, a serem adaptadas Proposta por M. Minsky [75] Precursores declarativos dos objetos procedimentais

15 Frames AnimaisAnimais Vivo: V Voa: F PássarosPássarosMamíferosMamíferos SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjuntoSubconjunto MembroMembroMembroMembroMembroMembro CanáriosCanáriosGatosGatosHumanosHumanos Piu-piuPiu-piuFrajolaFrajolaFredFred Pernas: 2 Voa: V Pernas: 4 Cor: Amarelo Pernas: 2 Nome: Piu-piu Amigo:Amigo: Nome: Frajola Amigo:Amigo: Nome: Fred [Figueira 98]

16 Expressividade dos Frames Classes –Herança múltipla –Instâncias Atributos (slots) –Slots podem ser instâncias de outras classes (relações) –Slots inversos: Ex: Slot Orientados da classe Professor é inverso do slot Orientador da classe Aluno Ao preencher um o outro é preenchido automaticamente Facetas –Restrições sobre os slots Inferência por meio de herança e restrições

17 Definindo classes e instâncias (defclass City "Cities are part of countries or states." (is-a Location) (multislot is-Part-Of (type INSTANCE) (allowed-classes Country State) (inverse-slot has-Parts) (cardinality 1 ?VARIABLE)) (single-slot name (type STRING) (cardinality 1 1))) ([Locations_00427] of City (is-Part-Of [WA]) (name "Washington"))

18 Facetas mais comuns em sistemas de Frames São elas que diferenciam os frames de redes semânticas! Valor default Valores permitidos (allowed-values) Domínio –Ex: 1..100 Cardinalidade máxima e mínima Tipo: inteiro, string, booleano, float, símbolo, instância Classes permitidas (allowed-classes): válida apenas para slots do tipo instância

19 Frames x Objetos procedimentais Semelhança apenas aparente Frames modelam aspectos de um domínio real Objetos e suas classes visam modelar estruturas de dados e reusar código Às vezes frames e objetos se parecem Às vezes objetos violam o engajamento ontológico Class circulo {int x,y; int altura} Class elipse extends circulo {int largura} [ Farquhar 97]

20 Frames x Objetos procedimentais (cont.) Também não é necessária em frames a inclusão de detalhes de implementação, como tamanho de strings, etc Frames não possuem métodos nem information hiding, desnecessária para a declaratividade Objetos não possuem facetas Frames têm sua parte procedimental –Daemons: procedimentos executados quando um valor é lido, incluído ou modificado num slot

21 Herança Forma usual de poupar redescrever cada objeto –Na herança as relações são transitivas Redes de Herança –Em árvore –Em reticulados Herança estrita –Uma só classe é herdada –Em árvore (vide ao lado) –Tudo o que é alcançável a partir de um nó é herdado

22 Herança Múltipla Representa “IS-NOT” Pode haver conflitos...

23 Herança mutável Como em frames Lemos que Clyde é um elefante mas não é cinza Porém a rede pode ser ambígüa... Nixon é pacifista ou não?? Como decidir? pacificist Quaker Nixon Republican is-not isa

24 Heurística do menor caminho Para decidir a polaridade (positiva ou negativa) Alguns argumentos são tomados de antemão (preventivos) Os que não são preventivos, são admissíveis

25 Problemas com herança mutável Redundância –Nó q –Pior, Clyde agora é cinza! Mesmo usando o menor caminho... Se colocarmos 2 arcos no lado esquerdo, a conclusão muda...

26 Formalizando redes de herança Uma rede de herança G={V,N} é um DAG (grafo acíclico direcionado) com arcos positivos (a.x) e negativos (a.¬x) –V = conjunto de vértices e E = conjunto de arcos Um caminho positivo só tem arcos positivos –(a.....x), significando que “a é-um x” Um caminho negativo só tem arcos positivos seguidos por um arco negativo –(a.....v.¬x), significando que “a não é-um x” –O número de positivos aqui pode ser 0 Uma conclusão continua podendo ser amparda por vários argumentos (caminhos) diferentes...

27 Amparo e admissibilidade Então quais argumentos devem prevalecer?? G ampara um caminho a.s1.....sn.¬x se o conjunto de arcos está em N e o caminho é admissível A hierarquia ampara a conclusão que a é-um x (ou a não é-um x) se existir este caminho em G Um caminho é admissível se seus arcos são admissíveis Um nó v.x (ou v.¬x) é admissível em G sobre a se –existe um caminho positivo a.....v em N –cada arco deste caminho é admissível –não há arcos redundantes nem preventivos no caminho

28 Arcos preventivos e redundantes Um arco y sobre um caminho a.....y.....v previne o arco v.x sobre a se y.¬x pertence a N Um arco b.w (ou b.¬w) é redundante em G sobre a se há um caminho positivo admissível e nao há um caminho negativo admissível no meio (q sobre BlueWhale, na figura)

29 Extensões e extensões crédulas Extensão = conjunto de fatos tomados por verdade numa rede G é a-conectada sse para todo nó x (ou ¬x), há um caminho positvo entre a e v G é ambígüa sobre a se existem os caminhos a.....x e a.....¬x Uma extensão crédula de G sobre a é a hierarquia não-ambígüa a-conectada de maior tamanho de G sobre a (1 e 2)

30 Extensões preponderantes Como escolher entre as 2 extensões? –Usando a admissibilidade Se X e Y são extensões crédulas de G sobre a X prepondera sobre Y sse possui arcos v e x em que – X e Y possuem os mesmos arcos que precedem v –Existe um arco v.x (ou v.¬x) inadmissível em Y mas não em X

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32 Tipos de raciocínio de subsunção Raciocínio crédulo: escolhe a extensão preponderante, talvez aleatoriamente, e aceita todas as conclusões derivadas dela Raciocínio cético: aceita as conclusões derivadas das extensões preponderantes Raciocínio cético ideal: raciocínio cético em que as conclusões devem ser amparadas por caminhos distintos