Formalismos de Representação de Conhecimento

Prof. Fred FreitasCentro 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

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

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”

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

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

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

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 Semânticaspessoa id

string string

pessoa id

nome

cônjuge primeiro último

nome último

pessoa id

string string

pessoa id

nome

cônjuge primeiro último

nome último

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– ...

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

FramesAnimaisAnimais

Vivo:Vivo: V VVoa:Voa: F F

PássarosPássaros MamíferosMamíferosSubconjunto

Subconjunto Subconjunto

Subconjunto

SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjunto SubconjuntoSubconjunto

Mem

bro

Mem

bro

Mem

bro

Mem

bro

Mem

bro

Mem

bro

CanáriosCanários GatosGatos HumanosHumanos

Piu-piuPiu-piu FrajolaFrajola FredFred

Pernas:Pernas: 2 2Voa:Voa: V V

Pernas:Pernas: 4 4

Cor:Cor: Amarelo Amarelo Pernas:Pernas: 2 2

Nome:Nome: Piu-piu Piu-piuAmigo:Amigo:

Nome:Nome: Frajola FrajolaAmigo:Amigo:

Nome:Nome: Fred Fred

[Figueira 98]

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• 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]

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

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

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

Quaker

Nixon

Republican

is-not

isaisa

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