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Representação do Representação do ConhecimentoConhecimento

Prof. Jorge Manuel Lage FernandesProf. Jorge Manuel Lage Fernandes

jorge@youngarts.com.brjorge@youngarts.com.br

Representação de Conhecimento

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ConhecimentoTermo abstrato usado para capturar a compreensão de um indivíduo num domínio específico.

área de conhecimento bem delimitada, focalizada.

Dados

InformaçãoEstruturada

Conhecimento

CompetênciaDecisão/Acção

Volume

Valor

Existem várias teorias que explicam como se organiza o conhecimento humano na resolução de problemas Vários Tipos de Conhecimento

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O Estudo do Conhecimento Aprender - ato que produz um comportamento

diferente a um estímulo externo devido a excitações recebidas no passado e é, de uma certa forma, sinônimo de aquisição de conhecimento.

Mas se aprendizado pode ser considerado como parte do estudo do conhecimento, o que é conhecimento?

Conhecimento - é o que faz com que seja possível o encadeamento e desenvolvimento da inteligência.

Representação do Conhecimento

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Conhecimento [Russel and Norvig 1995] é um conjunto integrado de fatos e relações que quando devidamente interpretado, produz um desempenho eficiente.

Nos Sistemas Baseados em Conhecimento há uma separação clara entre conhecimento e raciocínio, ou seja, o controle do programa não se mistura com a especificação do conhecimento.

Representação do Conhecimento

Raciocínio - planejamento e estratégia.

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Características do conhecimento que devem ser analisadas:

É volumoso possui diversos aspectos, características e detalhes. A cada

momento, novo conhecimento é gerado...

De difícil caracterização não sabemos explicar com formalismo como,quando e de que

forma o conhecimento foi adquirido, como também temos dificuldade de explicá-lo.

Em constante mudança é aperfeiçoado sistematicamente, crescendo e se modificando

permanentemente.

É individual e único cada indivíduo interpreta seu conhecimento de forma única.

Representação do Conhecimento

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Para que um sistema computacional possa utilizar aspectos do conhecimento existe a necessidade de estruturação daquilo que será empregado pelo sistema.

Essa estruturação é conhecida pelo nome de Representação do Conhecimento

Representação do Conhecimento

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Características Representação do Conhecimento: generalizável

vários pontos de vista do mesmo conhecimento concebem uma representação de modo que possa ser atribuído a diversas situações e interpretações.

representação passível de atualização/correção o conhecimento é dinâmico, portanto, existe a necessidade

permanente de atualização e ajustes do mesmo

robusta de tal forma que seja possível a sua utilização mesmo não

abordando todas as situações possíveis, ou seja, mesmo sendo incompleta e imprecisa.

compreensível compreensível ao ser humano e possível a sua interpretação.

Representação do Conhecimento

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O Estudo do Conhecimento Aquisição do conhecimento ou aprendizado, tenta

responder às seguintes questões: Como introduzir conhecimento na máquina? Como tratar consistência e redundância?

A manifestação inteligente pressupõe Aquisição, Armazenamento e Inferência do conhecimento

Representação do Conhecimento

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Representação do Conhecimento

Quando se discute representação do conhecimento, se lida com dois tipos diferentes de entidades:

Fatos: Verdades em algum mundo relevante. Essas são as coisas que queremos representar.

Representação de fatos: com algum formalismo escolhido. Essas são as coisas que efetivamente seremos capazes de manipular.

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Exemplos de paradigmas de representação do conhecimento:

Conhecimento Procedural – o conhecimento é representado em forma de funções/procedimentos.

Redes – o conhecimento é representado por um rótulo de grafos direcionados, cujos nós representam conceitos e entidades, enquanto os arcos representam a relação entre entidades e conceitos.

Frames – parecido com a rede semântica, exceto que cada nó representa conceito e/ou situações. Cada nó tem várias propriedades que podem ser especificadas ou herdadas pelo padrão.

Representação do Conhecimento

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Lógica – modo de declaração que representa o conhecimento.

Árvores de Decisão – conceitos são organizados em forma de árvores.

Conhecimento Estatístico – uso de fatores de certeza, Redes Bayesianas, Lógica Fuzzy, etc.

Regras – sistemas de produção para codificar regras de condição/ação.

Esquemas Híbridos – qualquer representação do formalismo que emprega a combinação de esquemas de representação do conhecimento.

Representação do Conhecimento

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Casos – uma experiência passada, acumulando casos e tentando descobrir, por analogia, soluções para outros problemas.

MetaConhecimento [Rich and Knight 1991] pode definir-se como conhecimento acerca do próprio conhecimento que se detém.

Pode ser usado para: guiar a seleção, localização e uso de regras dar informação acerca das regras e do conhecimento justificar as regras melhorando a capacidade de explicação apoiar na detecção de erros ao introduzir novas regras facilitar a introdução de novo conhecimento

Representação do Conhecimento

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Representação do Conhecimento Representação do conhecimento - sub-área de IA

cujo objetivo principal é a busca de formalismos que possam ser usados para representar informação a respeito do mundo real.

Muito do que se faz em IA baseia-se na chamada hipótese da representação do conhecimento.

De acordo com Reichgelt (1991), formalismos de representação do conhecimento podem ser discutidos em quatro níveis distintos: executável, lógico, epistemológico e conceitual.

Espistemologia - "estudo da ciência", vem do grego, (episteme) = ciência, conhecimento científico, (logos) = palavra, verbo, estudo, discurso.

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Representação do Conhecimento

Como poderíamos conceber um mecanismo geral para representar o conhecimento?

Como podemos representar definições? E exceções?

Quando um sistema inteligente deve fazer suposições pré-concebidas sobre informação ausente e como ele poderia ajustar o seu raciocínio caso estas suposições se mostrem erradas?

Como podemos representar o tempo da melhor forma possível? E a casualidade? E a incerteza?

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Representação & Raciocínio

Raciocínio é um processo de construção de novas sentenças a partir de sentenças existentes.

Categorias (Típicas) de Raciocínio

Dedução Indução Abdução Analogia

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Categorias de Raciocínio: Dedução

Processo de raciocínio no qual uma conclusão segue necessariamente das premissas supostas.

Baseia-se na criação de novas sentenças a partir de premissas dadas como verdadeiras. A sentença criada é necessariamente verdadeira.

Uma das regras básicas da inferência da Lógica Dedutiva: regra do modus ponens (Latim: modo que afirma) Se X é verdade e se X sendo verdade implica que Y é

verdade, então Y é verdade

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Categorias de Raciocínio: Dedução

Fatos + regras de inferência => novos fatos

causa -> efeito Se há fogo (causa), há fumaça (efeito). Aqui tem fogo, logo, aqui tem fumaça (novo fato)

É o único tipo de inferência que preserva a verdade

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Categorias de Raciocínio: Dedução

Exemplo:

Premissa 1: Todo homem é mortal

Premissa 2: João é homem

Conclusão: João é mortal

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

Todos os alunos gostam de inteligência artificial. Francisco é aluno. Francisco gosta de inteligência artifical.

Solução:

Raciocínio por Dedução

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

Todos os feijões deste saco são brancos.

Estes feijões provêm deste saco.

Estes feijões são brancos.

Solução:

Raciocínio por Dedução

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Categorias de Raciocínio: Indução

Uma conclusão sobre todos os membros de uma classe por meio do exame de apenas uns poucos membros da classe.

De maneira geral, raciocínio do particular para o geral.

“Formalmente”: Para um conjunto de objetos, X={a,b,c,d,...}, se a propriedade

P é verdade para a, e se P é verdade para b, e se P é verdade para c,... então P é verdade para todo X

Parte dos fatos para gerar regras fato1 + fato2 + fato 3 => regra! ex. Sr. Antônio, assim como D. Maria, tem dor de

cabeça e dengue, então todo mundo que tem dengue, tem dor de cabeça

Transforma conhecimento em extensão em conhecimento em intenção!!

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Categorias de Raciocínio: Indução

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Categorias de Raciocínio: Indução Exemplo:

Caso 1: Joseana é professora Joseana tem um ótimo salário

Caso 2: Eustáquio é professor Eustáquio tem um ótimo salário

Caso 3: Elmar é professor Elmar tem um ótimo salário

Lei geral: Professor tem um ótimo salário

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

O ferro conduz eletricidadeO ferro é metalO ouro conduz eletricidadeO ouro é metalO cobre conduz eletricidadeO cobre é metalLogo os metais conduzem eletricidade.

Solução:

Raciocínio por Indução

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

Estes feijões provêm deste saco.

Estes feijões são brancos.

Todos os feijões deste saco são brancos.

Solução:

Raciocínio por Indução

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Categorias de Raciocínio: Abdução Consiste em, dada uma premissa do tipo P → Q, e

sabendo-se que Q é verdadeira, admite-se que, talvez, P seja verdade, ou seja, supõe-se, sem certeza, que P é verdade.

É uma heurística para fazer “inferências plausíveis”.

Propicia uma conclusão plausível consistente com a informação disponível, a qual pode de fato estar errada.

“Formalmente”: Se Y é verdade e X implica em Y, então X é verdade

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Categorias de Raciocínio: Abdução

Inverso da dedução: do efeito para a causa Se há fumaça, há fogo. Eu vi fumaça (efeito), logo aqui tem

fogo (causa) Ex. Se há febre e dor, a doença é dengue

Este tipo de inferência preserva a falsidade

Exemplo:

Se eu leio que fumar causa câncer de pulmão e José morreu de câncer de pulmão,

Lei Geral: posso inferir que José era um fumante.

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

Todos os feijões deste saco são brancos.

Estes feijões são brancos.

Estes feijões provêm deste saco

Solução:

Raciocínio por Abdução

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Categorias de Raciocínio: Analogia

Baseia-se na experiência de casos anteriores, dos quais há verdades conhecidas. Se o caso que está sendo analisado assemelha-se ao(s) caso(s) anterior(es), então supõe-se, sem certeza absoluta, que as mesmas verdades são verdadeiras também para esse caso.

Parte do particular para o particular, não possui, do ponto de vista formal, uma força de prova, mas somente é verossímil ou provável.

Fatos + similaridades + regras de adaptação +... a partir de fatos (conhecimento em extensão), a

da similaridade entre eles, resolve o problema sem gerar regras

ex.: Naquele caso de dengue, eu passei aspirina e não deu certo, logo vou evitar receitar aspirina neste caso semelhante

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Categorias de Raciocínio: Analogia

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Categorias de Raciocínio: Analogia

Exemplo:

Caso anterior: João ingeriu bebida alcoólica em demasia. João teve amnésia.

Caso analisado: Maria ingeriu bebida alcoólica em demasia.

Inferência por analogia: Maria teve amnésia.

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Representação do Conhecimento

Exemplo:

Determine o tipo de raciocínio utilizado a seguir:

A Terra e Marte são planetas, giram em torno do sol e têm atmosfera.

A Terra é habitada.

Marte também deve ser habitado

Solução:

Raciocínio por Analogia

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Categorias de Raciocínio

O conhecimento novo baseado no raciocínio dedutivo é sempre verdade se as suposições são verdadeiras

O conhecimento novo baseado em vários casos (indução) é geralmente verdadeiro desde que os sistemas estudados sejam bem comportados.

Uma inferência baseada na abdução pode ser plausível mas deve carregar um fator de confiança para indicar a probabilidade de estar correta.

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Sistema baseado em conhecimento (dedutivo)

Am

biente

Sensores

Efetuadores

Base deConhecimentoEspecializada

Máquina deInferênciaGenérica

Ask

Tell

Retract

Representação eAquisição de

Conhecimento

Raciocínio Automático

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Como adquirir conhecimento?

Aprender

Várias técnicas ... Aprendizagem Simbólica Redes Neurais Algoritmos Genéticos

Explicitar: engenharia de conhecimento

Várias técnicas... Programação em lógica, sistemas de produção, ...

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Ciclo de vida dos sistemas baseados em conhecimento

Nível de Conhecimento

Nível Lógico

Nível de Implementação

BC

AQUISIÇÃO

FORMALIZAÇÃO

IMPLEMENTAÇÃO

REFINAMENTO

linguagem natural

linguagem de representação deconhecimento

linguagens de programação

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Redes Semânticas e Sistemas Frames

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Redes Semânticas

Histórico Redes Semânticas foram propostas em 1913 por

Selz como uma explicação a fenômenos psicológicos.

Em 1966, Quillian implementou essas redes e mostrou como o conhecimento semântico poderia ser representado como relacionamento entre dois objetos.

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Redes Semânticas

Uma rede semântica é uma representação na qual existem nós que representam entidades e links

(predicados) que representam relacionamentos entre essas entidades;

cada link conecta um nó origem até um nó destino;

normalmente, os nós e links denotam entidades de domínio específico.

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Cadeira-27

Mobília

Cadeira

Preto

Couro

AssentoAna

Pessoa

é-um

Ako

é-um Tem-um

CorDono

Estofamento

Exemplo: Rede Semântica

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Redes Semânticas Forma mais flexível e intuitiva de representar

conhecimento. Suportam herança de propriedades. Relações

Ako (a-kind-of): relações entre classes é-um (is-a): relações entre classes e instâncias

uma entidade pertence a uma classe mais alta ou uma categoria de objetos.

tem-um (has-a): identifica características ou atributos das entidades

parte-de (part-of): identifica características ou atributos das entidades

variados: identifica características gerais

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Sistemas de Redes Semânticas

Base de conhecimento nós e links da rede.

Máquina de inferência busca e casamento de padrões a busca se dá para frente e para trás através dos links.

A busca pode ser usada de várias maneiras para se extrair informações como uma ferramenta explicativa; para explorar exaustivamente um tópico; para encontrar o relacionamento entre dois objetos.

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Comer

Pássaro

Animal

Mamífero

Cão

Pêlos

Ako Ako

Ako

tem

faz

Exemplo: Busca em redes semânticas

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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”

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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”

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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.

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Vantagens

Representação visual fácil de entender. Flexibilidade na manipulação de nós e links

adição, exclusão, modificação Economia

herança via relações “é-um” e “ako”. Capta “senso-comum”

semelhante ao armazenamento de informações no cérebro.

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Limitações Busca em redes semânticas grandes pode ser muito

ineficiente. Não há homogeneidade na definição de nós e links. Hereditariedade pode causar dificuldades no

tratamento de exceções. Pode haver conflito entre características herdadas. É difícil representar conhecimento procedimental

seqüenciamento e tempo não estão explícitos.

Menos expressiva que a Lógica de Primeira Ordem não há quantificadores.

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Frames (quadros) Características

Um frame é identificado por um nome e descreve um objeto complexo através de um conjunto de atributos

Um Sistema de Frames é um conjunto de frames organizados hierarquicamente.

São uma evolução das Redes Semânticas: nós são substituídos por frames

arcos são substituídos por atributos (slots)

procedimentos podem ser anexados a um frame

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Frames: atributos (slots) Frames

Possuem pelo menos dois atributos: Nome Ako ou is-a

A fim de melhorar a estruturação (hierarquia), privilegiam dois tipos de relações:

ako: relação entre classe e sub-classe is-a: relação entre classe e instância.

Cada atributo aponta para um outro frame ou para um tipo primitivo, ex.

string; consiste em um conjunto de facetas (atributos de atributos).

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Animalfaz comer

Pássaro Ako Comer

Mamífero Ako tem

Comer

Cão Ako

Babalu é-um

pêlos

Exemplo: Classes e Instâncias

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Facetas Descrevem conhecimento ou algum

procedimento relativo ao atributo. Propriedades

Valor: especifica o único valor possível. Valor default: especifica o valor assumido pelo

atributo caso não haja nenhuma informação a esse respeito.

Tipo: indica o tipo de dado do valor. Domínio: descreve os valores possíveis para o

atributo. Procedimentos Demons

como os triggers nos bancos de dados

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< Nome do Frame> < atributo1 >

< faceta1 >: valor

< atributo2 >

< faceta1 >: valor< faceta2 >: valor< faceta3 >: valor

< atributo3 >

< faceta1 >: valor< faceta2 >: valor< faceta3 >: valor

Uma Representação Abstrata de um Frame

Os frames integram conhecimento declarativo sobre objetos e eventos e conhecimento procedimental sobre como recuperar informações ou calcular valores.

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Procedimentos Demons Definição

São procedimentos anexados aos frames, disparados por consultas ou atualizações.

Podem inferir valores para atributos a partir de valores de outros atributos especificados anteriormente em qualquer frame do sistema.

Procedimentos (Demons): when-requested

quando o valor é pedido mas não existe ainda when-read

quando valor é lido when-written

quando valor é modificado

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Cômodo Ako: Lugar-coberto

Atributo Default Tipo Se-necessário

Nº de paredesFormato

Altura

Área

Volume

número

número

número

número

símbolo4

retangular

3

Área * Altura

Sala Ako: Cômodo

Atributo Default Tipo

MobiliárioFinalidadeÁrea

lista de símbolossímbolonúmero

convivência25

(sofá,mesa,cadeiras)

Ako

Exemplo: Procedimentos Demons

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Exemplo de Sistema de FramesMobília

...

Cadeira

...

Ako: Mobília

Cadeira-27

dono:cor:tem-um:

é-um: Cadeira

Ana

...

é-um:

String

...

Assento

estofamento:tamanho: ...

Pessoa

...

verde é-um:

couro é-um:

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Herança de Propriedades

Três tipos de informações podem ser de herdadas valor (= POO) procedimento (= POO) valor default

Idéia: herdar das classes superiores em caso de conflito, vale a informação mais específica

Existem dois tipos de herança: Herança simples

existe uma única super-classe para cada classe Herança múltipla

uma classe pode ter mais de uma super-classe, podendo herdar propriedades ao longo de diversos caminhos diferentes (= o caos)

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Scripts Especialização de frames projetados p/ manipular situações além

de objetos Nós = eventos Link = causadores Um evento provoca o próximo – um Script é como um script

cinematográfico Como num script de cinema precisamos considerar o número de

elementos quando projetamos o script: Quais são os papéis dos objetos/pessoas no script; Quais objetos de cena se relacionam ao script; Quais são as motivações ou entradas condicionais para execução do script; Quais cenas estão para ocorre; e Em qual ordem elas devem ocorrer; etc.

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Scripts

Antes de projetarmos o script, necessitamos de uma sequência básica inicial.

Por exemplo, na ida a um restaurante há uma sequencia de eventos que podemos esperar:

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Scripts

Colocando os eventos junto com aos demais elementos, poderíamos imaginar o script “Restaurante” assinalando apenas algumas coisas, tais como:

SCRIPT RESTAURANTE Papéis: Freguês, garçon, cozinha. Objetos de cena: Mesas, cadeiras, garfos, facas, pratos, copos,

garrafas de vinho... Entradas Condicionais: Freguês está faminto; Freguês está vestido

inapropriadamente; Freguês tem dinheiro.

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Scripts

SCRIPT RESTAURANTE (Continuação) Cena 1: Entrar

Estacionar o carro Entrar no Restaurante Esperar por uma Mesa

ou Ir até a Mesa Ler o Menu

Cena 2: Pedir a Refeição.

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Scripts Scripts podem ser usados para: Contar histórias sobre uma sequência de

eventos Responder questões tais como: O que acontece

se o bife do freguês estiver queimado? Pegadas dos eventos levem a alguma decisão. Scripts são muito similares a frames, são

codificados da mesma forma e são, normalmente, considerados como uma subclasse de frames.

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Sistemas Frames: Funções (historicamente) Reconhecer que uma dada situação pertence a uma

certa categoria (matching) ex. reconhecimento visual de uma sala de aula

Interpretar a situação e/ou prever o que surgirá em termos da categoria reconhecida (matching) ex. pessoa com revolver (revolver arma -> perigo)

Capturar propriedades de senso comum sobre pessoas, eventos e ações foi a primeira tentativa de estruturar conhecimento

declarativo sem usar regras. Deu origem ao que chamamos hoje de Ontologias!

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Ontologia

É a parte da filosofia que trata da natureza do ser, da realidade, da existência dos entes e das questões metafísicas em geral. A ontologia trata do ser enquanto ser, isto é, do ser concebido como tendo uma natureza comum que é inerente a todos e a cada um dos seres.

Costuma ser confundida com metafísica. Conquanto tenham certa comunhão ou interseção em objeto de estudo, nenhuma das duas áreas é subconjunto lógico da outra, ainda que na identidade.