"Информатика (углублённый уровень)", Калинин И.А., Самылкина Н.Н.
Знания — это сведения о предметной области, связанные с объектами, их свойствами, отношениями и закономерностями. В информатике важно не только хранить данные, но и представить их так, чтобы компьютер мог анализировать сведения и получать новые выводы. Для этого используют факты, продукционные правила, семантические сети и фреймы. Выбор формы зависит от того, какие сведения нужно описать и как их будут применять.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Знание — сведения о предметной области, которые описывают объекты, их свойства, связи и закономерности. В отличие от отдельных необработанных данных, знание имеет смысловой контекст: понятно, к чему относится число или утверждение. Поэтому его можно использовать не только для хранения, но и для анализа и решения задач.
Факт — утверждение о конкретном объекте или ситуации, которое в рамках задачи принимается как истинное. Например, «Париж — столица Франции» сообщает определённое сведение о двух объектах и их связи. Факты задают исходную информацию, с которой затем работает система.
Продукционное правило — запись вида «если условие, то заключение или действие». Оно связывает уже известные сведения с тем, что можно из них вывести. Такие правила нужны, чтобы компьютер применял заданную логику к фактам и получал новые сведения.
Представление знаний — способ формального описания знаний, при котором их можно хранить, анализировать и использовать для вывода. Формальная запись уменьшает неоднозначность обычного языка и делает структуру сведений понятной программе. К распространённым способам относятся факты, правила, семантические сети и фреймы.
Одного набора данных компьютеру недостаточно, потому что отдельные значения не объясняют, к каким объектам они относятся и что с ними делать. Число 2020 без контекста может быть годом, количеством или кодом. Связь с объектом, свойством и отношением превращает разрозненные данные в сведения, пригодные для рассуждения.
Предметную область описывают фактами и правилами, потому что эти формы разделяют исходные сведения и способы получения выводов. Факт фиксирует то, что известно в начале задачи: например, «идёт дождь». Правило связывает условие с результатом и показывает, какой вывод допустим при появлении нужного факта.
В продукционном представлении сначала проверяют условную часть правила по базе известных фактов. Если факт совпадает с условием, правило срабатывает, а его заключение добавляется к новым сведениям. Например, из факта «идёт дождь» и правила «если идёт дождь, то на улице мокро» получают факт «на улице мокро».
Семантическая сеть устроена как граф, поэтому смысл восстанавливается по вершинам и соединяющим их дугам. Вершины могут обозначать объекты или понятия, а дуги — отношения вроде «является», «имеет автора» или «находится в». Цепочка «книга — написана — автор» позволяет понять, какой объект связан с каким свойством или участником отношения.
Фреймовое представление удобно для типичных объектов и ситуаций, у которых есть повторяющийся набор характеристик. Фрейм содержит слоты, то есть поля для свойств, и значения этих слотов: у книги это могут быть автор и год издания. Конкретный экземпляр фрейма уточняет общую схему, например задаёт год издания 2020 для одной книги.
| Способ | Как устроен | Пример записи | Для чего удобен |
|---|---|---|---|
| Факты | Отдельные истинные утверждения об объектах и ситуациях | Париж — столица Франции | Для хранения исходных сведений |
| Продукционные правила | Условие связывается с заключением или действием | Если идёт дождь, то улица мокрая | Для логического вывода и принятия решений |
| Семантическая сеть | Граф из вершин-понятий и дуг-отношений | Книга — имеет автора — Пушкин | Для описания связей между понятиями |
| Фреймы | Объект описывается слотами и их значениями | Книга: автор — Пушкин; год — 2020 | Для типичных объектов и ситуаций |
Таблицу удобно использовать для выбора формы представления: сначала определите, что именно нужно сохранить, а затем сравните структуру задачи со вторым столбцом. Если важны отдельные утверждения, подойдут факты, а если нужно получать выводы — правила. Для набора характеристик выбирают фрейм, для сложной системы связей — семантическую сеть.
Условие: нужно записать сведения «Париж — столица Франции» в виде факта и выделить объект, отношение и значение. Требуется не просто переписать фразу, а разобрать её смысловую структуру. Такой разбор показывает, из каких частей строится утверждение.
Ответ: объект — Париж, отношение — «является столицей», значение — Франция. Факт можно представить как столицу(Париж, Франция). Такая запись фиксирует конкретную связь и не задаёт условие для дальнейшего вывода.
Условие: известны факты «идёт дождь» и «на улице мокро», а правило имеет вид «если идёт дождь, то на улице мокро». Нужно определить, какое заключение позволяет получить это правило. Здесь важно проверить именно условие, а не просто перечислить все данные.
Ответ: правило позволяет сделать заключение «на улице мокро». В данном наборе оно уже указано среди фактов, поэтому правило подтверждает известное сведение, а не добавляет неизвестное. Если бы этого факта не было, система вывела бы его после проверки условия.
Условие: библиотека содержит книги, у каждой книги есть автор и год издания, а для одной книги задан 2020 год. Нужно выбрать форму представления и записать сведения. Здесь есть и связи между объектами, и повторяющийся набор свойств книги.
Ответ: запись может выглядеть так: «Библиотека — содержит — Книга1; Книга1: автор — заданное имя, год издания — 2020». Семантическая сеть также подошла бы для изображения связей, но фрейм компактнее показывает постоянные свойства каждой книги. Выбор определяется тем, что в задаче повторяется структура объекта.
Считать любые данные готовым знанием. Число или слово без указания объекта и смысла может быть неоднозначным, поэтому такую ошибку допускают при смешении формы записи и содержания. Проверьте себя вопросами: «К чему относится это значение?» и «Как его использовать?».
Путать факт с правилом. Факт сообщает, что верно в конкретной ситуации, а правило описывает переход от условия к заключению. Чтобы проверить запись, найдите в ней утверждение о состоянии или конструкцию «если ..., то ...».
Записывать правило без ясного условия или заключения. Если неизвестно, когда применять правило или какой результат получать, компьютер не сможет однозначно выполнить вывод. Прочитайте запись и отдельно назовите её условную часть и результат.
Смешивать вершины и связи семантической сети. Вершина обозначает понятие или объект, а дуга показывает отношение между ними. Для самопроверки назовите каждый элемент существительным или отношением: «книга» — вершина, «имеет автора» — дуга.
Для понимания представления знаний нужны базовые понятия информации, данных, объектов и свойств объектов. Также важно уметь описывать отношения между объектами, потому что именно они связывают отдельные сведения в осмысленную структуру. Без этого трудно выбрать подходящую модель описания.
Представление знаний применяется в искусственном интеллекте, экспертных системах и базах знаний. Такие системы хранят сведения о предметной области и используют их для ответов или рекомендаций. Поэтому изученные модели служат основой для более сложных интеллектуальных программ.
Правила и связи между фактами связаны с логическим выводом. Они позволяют системам получать новые заключения из заданных сведений, а затем использовать результаты в принятии решений. Эта идея встречается в экспертных системах и алгоритмах рассуждения.
Чем знание отличается от данных?
Данные — это отдельные зафиксированные сведения, например число или слово. Знание связывает данные с объектами, свойствами, отношениями и правилами их использования, поэтому помогает делать выводы.
Чем факт отличается от продукционного правила?
Факт сообщает, что некоторое утверждение верно в конкретной ситуации. Продукционное правило задаёт условие и указывает, какое заключение или действие следует из этого условия.
Как компьютер получает заключение из правила?
Система сравнивает условие правила с известными фактами. Если условие выполнено, она добавляет указанное в правиле заключение к имеющимся сведениям.
Что обозначают вершины и дуги семантической сети?
Вершины обозначают понятия или конкретные объекты. Дуги показывают отношения между ними, например «является столицей» или «имеет автора».
Когда удобнее использовать фрейм, а когда семантическую сеть?
Фрейм удобен, когда нужно описать типичный объект или ситуацию с набором характеристик, то есть слотов. Семантическая сеть лучше показывает множество понятий и разнообразные связи между ними.
§ 11. Знания и их представление
