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

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

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” Controversia nos anos 70 e 80e ntre eles a solução do problema ou a ação a ser tomada

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 Programa = motor de inferencia Conheciemnto = dados Vantagens: flexibilidade, legibilidade, fidelidade semântica, engajamento ontológico, extensibilidade,abstração das compilações, e capacidade de inferência

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 Taxonomia minha, pode ser discutida, existem outras Antes e ateh hoje pesquisadores se orientam a predicados, mas com ontologias estao mais ligados a dominios

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 Classes e relacoesdomínios

Formalismos orientados a domínios

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)

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

Correspondência com a LPO Uma rede semântica pode ser mapeada em uma representação na LPO (Lógica da Primeira Ordem): nós termos retas relações 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 ...)

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 ...

Exemplo de ontologias em redes semânticas faz Animal Comer Ako Ako tem Pássaro Mamífero Pêlos Ako Cão Is-a (instanciação) Fido

Busca como Ferramenta Explicativa Para provar a declaração “Cães comem” pode-se supor que cães comem, e usar busca sobre a rede para provar a hipótese. Buscando a partir do nó “Cão”, temos: “Cão é-um mamífero” “Mamífero é-um animal” “Animal faz comer” Isto é uma prova para “Cães comem”

Explorar exaustivamente um tópico Para derivar todo o conhecimento sobre “cães”, usa-se Busca em Largura a partir do nó “Cão” “Cães são Mamíferos” “Cães têm Pêlos” “Cães são Animais” “Cães Comem”

Relacionando tópicos Para verificar se “Cães” e “Pássaros” estão relacionados, pode-se executar, a partir de ambos os nós, uma Busca em Largura. A interseção entre os nós visitados nos dá uma pista sobre o relacionamento entre os nós iniciais. Isto é chamado ativação distribuída ou interseção de busca.

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 ... ...

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

Frames [Figueira 98] Animais Vivo: V Voa: F Subconjunto Subconjunto Pássaros Mamíferos Pernas: 2 Pernas: 4 Voa: V Subconjunto Subconjunto Subconjunto Canários Gatos Humanos Cor: Amarelo Pernas: 2 Membro Membro Membro Piu-piu Frajola Fred Nome: Piu-piu Nome: Frajola Nome: Fred Amigo: Amigo:

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

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"))

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

Frames x Objetos procedimentais [Farquhar 97] 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}

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 Info hiding ou encapsulamento? O q eh encapsulamento?

Herança Forma usual de poupar redescrever cada objeto Redes de Herança 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

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

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 isa is-not Quaker Republican isa Nixon isa

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

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...

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...

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

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)

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)

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

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