人工智能2数学基础课件.ppt
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1、第二章 人工智能的数学基础2.1 命题逻辑与谓词逻辑2.2 多值逻辑2.3 概率论2.4 模糊理论AI中的逻辑可划分为两大类:经典逻辑命题逻辑和一阶谓词逻辑。特点:二值非经典逻辑三值逻辑、多值逻辑、模糊逻辑、模态逻辑、时态逻辑等等。非经典逻辑与经典逻辑平行的逻辑:多值、模糊逻辑一些定理不成立,有新概念、新定理。对经典逻辑的扩充:模态、时态逻辑一般承认经典逻辑的定理。一是扩充语言;二是扩充定理。例如:模态逻辑增加了L(是必然的)算子和M(是可能的)算子。2.1 命题逻辑与谓词逻辑2.1.1 命题定义2.1:命题是具有真假意义的语句。在命题逻辑中命题通常用大写英文字母表示。命题逻辑无法把客观事物的
2、结构及逻辑特征反映出来,也不能把不同事物间的共同特征表述出来。例如:nP”老李是小李的父亲”。看不出老李和小李的关系。nP”李白是诗人”,Q”杜甫也是诗人”。无法形式地表示出二者的共同特点(都是诗人)。nP=“每个人都是要死的”。Q=“孔子是人”。R=“孔子是要死的”。写成命题形式:PQR(R是P, Q的逻辑结论?)2.1.2 谓词(1)1. 一个谓词分为谓词名与个体两个部分。谓词名刻画个体的性质、状态或个体间的关系。个体表示独立存在的事物或者概念。例如:Teacher(zhang),Greater(5,3)谓词的一般形式P (x1, x2,xn)其中,P是谓词名,x1, x2,xn是个体。谓
3、词名通常用大写的英文字母表示,个体通常用小写的英文字母表示。2.1.2 谓词(2)2. 个体可以是常量、变元或者函数。例如:Less(x,5),x是一个变元。Teacher(father(wang),其中father(wang)是一个函数。3.谓词的语义由人指定。例如:S(x),可以表示x是一个人;也可以表示x是一朵花。2.1.2 谓词(3)4. 当谓词中的所有变元都用特定个体取代时,谓词就具有一个确定的真值:T或者F。谓词中包含的个体数目称为谓词的元数。例如:P(x)是一元谓词,P(x,y)是二元谓词,P(x1, x2,xn)是n元谓词。在谓词P(x1, x2,xn)中,若xi (i=1,n
4、)都是个体常量、变元或者函数,则称为1阶谓词。若xi本身是一阶谓词,则P称为2阶谓词。余者类推,5. 个体变元的取值范围称为个体域。6. 谓词与函数不同。谓词是从个体到真值的映射。函数是从个体到个体的映射。7. 个体常量、变元、函数统称为“项”。1. 连接词非:;析取:;合取:;蕴含:;等价: ;谓词逻辑真值表2.1.3 谓词公式(1),P Q PPQPQPQP QT TFTTTTT FFTFFFF TTTFTFF FTFFTT2.1.3 谓词公式(2)2. 量词全称量词 ;存在量词 例如:P(x)表示x是正数;F(x,y)表示x与y是朋友。 表示个体域中任何x都是正数。表示对于个体域中任何x
5、,都存在y, x与y是朋友。表示在个体域中存在x,与个体域中任何个体y都是朋友。x () ( )x P x()() ( , )xy F x y()() ( , )xy F x yx2.1.3 谓词公式(3)3. 谓词公式定义2.2 按下述规则得到的合式公式:(1) 单个谓词是合式公式,称为原子公式;(2) 若A是合式公式,则 也是合式公式;(3) 若A,B是合式公式,则 都是合式公式;(4) 若A是合式公式,x是任一个体变元,则 都是合式公式;(5) 运用有限步上述规则得到的公式是合式公式。A,AB AB AB AB() ,()x Ax A2.1.3 谓词公式(4)辖域:位于量词后面的单个谓词
6、或者用括弧括起来的合式公式称为量词的辖域。辖域内与量词中同名的变元称为约束变元,不受约束的变元称为自由变元。例如:更名:变元名称无关紧要。注意:对量词辖域内的变元更名时,必须把同名的约束变元都统一改成相同名字,且不能与辖域内自由变元同名。辖域内自由变元也不能改为与约束变元同名。例如:x()( ( , )( , )( , )xP x yQ x yR x y 的辖域() ( , )() ( , )x P x yz P z t 2.1.4 谓词公式的解释(1)在命题逻辑中对各命题变元的一次真值指派称为命题公式的一个解释。对于谓词逻辑:首先考虑个体常量和函数在个体域中的取值,然后为谓词分别指派真值。由
7、于存在多种组合情况,所以一个谓词公式的解释可能有多个。对每一个解释,谓词公式都可求出一个真值。2.1.4 谓词公式的解释(2)定义2.3 设D为谓词公式P的个体域,对P中个体常量、函数和谓词按如下规定赋值:(1)为每个个体常量指派D中一个元素;(2)为每个n元函数指派一个DnD的映射, Dn=(x1,xn)|x1,xnD(3)为每个n元谓词指派一个DnF,T的映射。则称这些指派为公式P在D上的一个解释。2.1.4 谓词公式的解释(3)例2.1 设D1,2,求公式在D上的一个解释及在该解释下的真值。解:在A中没有个体常量和函数,所以直接为谓词指派真值。设为解释1:P(1,1)=T,P(1,2)=
8、F,P(2,1)=T,P(2,2)=F当x1时,y1为T;当x2时,y1为T;解释2:P(1,1)=T,P(1,2)=T,P(2,1)=F,P(2,2)=F当x1时,y1,2为T;当x2时,y1,2为F;因此不存在y,则AF()() ( , )Axy P x y 1,yAT 则2.1.4 谓词公式的解释(4)例2.2 D=1,2, 解:解释: b=1, f(1)=2, f(2)=1, P(1)=F, P(2)=T, Q(1,1)=T, Q(2,1)=F, Q(*,2)不可能。当x=1时,P(x)=F,公式真值为T;当x=2时,P(x)=T,Q(f(x),b)=T,公式真值为T;所以在此解释下,
9、BT。真值是针对某一个解释而言的。()( ( )( ( ), )Bx P xQ f x b 2.1.5 谓词公式的永真性、可满足性、不可满足性定义2.4 如果谓词公式P对个体域D上的任何一个解释都得真值T,则称P在D上是永真的;如果P在每个非空个体域上均永真,则称P永真。定义2.5 对谓词公式P,如果至少存在一个解释使P在此解释下的真值为T则称公式P是可满足的。谓词公式的可满足性又称为相容性。定义2.6 如果谓词公式P对于个体域D上任何一个解释都取得真值F,则称P在D上是永假的;如果P在每个非空个体域上均永假,则称P永假。谓词公式的永假性又称为不可满足性或不相容性。2.1.6 谓词公式的等价性
10、与永真蕴含定义2.7 设P、Q都是D上的谓词公式,若对D上任何一个解释,P与Q都有相同的真值,则称P和Q在D上等价。如果D是任意个体域,则称P和Q是等价的,记为 。定义2.8 对于谓词公式P和Q,如果PQ永真,则称P永真蕴含Q,且称Q为P的逻辑结论,P为Q的前提,记为。PQPQ一些重要的等价式PQQP 交换律:结合律:(PQ) RP (QR)分配律:P (QR)(PQ) (PR)德.摩根律: (PQ)PQ双重否定律:PP吸收律:P (PQ)P补余律:PPT,PPF连接词化归律:PQPQ,PQ(PQ) (QP)一些重要的永真蕴含式,PQP PQQ 化简式:附加式:PPQ,QPQ析取三段论: P,
11、PQQ假言推理:P,PQQ拒取式: Q,PQP假言三段论:PQ,QRPR二难推论:PQ,PR,QRR全称固化:( x)P(x)P(y)存在固化:( x)P(x)P(y)推理规则上述等价式和永真蕴含式可以作为推理规则。除此之外,谓词逻辑中如下一些推理规则:1. P规则:在推理的任何步骤都可以引入前提。2. T规则:推理时,如果前面步骤中有一个或者多个公式永真蕴含公式S,则可把S引入推理过程中。3. CP规则:如果能从R和前提集合中推理S来,则可从前提集合推理RS。4. 反证法:,当且仅当 。即Q为P的逻辑结论,当且仅当 是不可满足的。定理2.1: Q为P1,P2,Pn的逻辑结论,当且仅当是不可满
12、足的。PQPQFPQ12()nPPPQ2.2 多值逻辑(1) 用T(A)表示命题A为真的程度。0T(A)1 多值逻辑也定义了用连接词表示的逻辑运算。1. T(A)=1-T(A)2. T(AB)=minT(A),T(B)3. T(AB)=maxT(A),T(B)4. T(AB)=min1,1-T(A)+T(B)5. T(A B)=1-|T(A)-T(B)|2.2 多值逻辑(2)其它的T(AB)定义:1.Rb:T(AB)=min1-T(A),T(B)2.Rc:T(AB)=minT(A),T(B)3.Rp:T(AB)=T(A)T(B)4.R*:T(AB)=1-T(A)+T(A)T(B)5.Rst:T
13、(AB)=max1-T(A),T(B)见教材P25三值逻辑关于第三个真值:Kleene:强三值逻辑认为是“不能判定”。条件成熟则非真即假。Luckasiewicz: 认为是“不确定”,即不真也不假,也许不具有真值。Bochvar: “无意义”,非真非假。为了解决语义悖论。三值逻辑真值表见教材P26。多值逻辑只是用穷举中介的方法表示真值的过渡性,把中介看作彼此独立、界限分明的对象,没有反映出中介之间的相互渗透,因而不能完全解决不确定性知识的表示问题。2.3 概率论2.3.1 随机现象2.3.2 样本空间与随机事件 样本空间:一个可能的实验结果为一个样本点,样本点的全体构成的集合称为样本空间。 随
14、机事件:要考察的由一些样本点构成的集合称为随机事件。 事件发生了:出现了样本点集合中的一个元素。 必然事件:样本点全体构成的集合(即样本空间)所表示的事件。 不可能事件: 基本事件:单点集合 事件的关系包含、并、交、差、逆2.3.3 事件的概率(1)1. 古典概型定义2.9 设E为古典概型,样本空间共有n个基本事件,事件A中含有m个基本事件,则称P(A) = m/n为事件A的概率。例如:D1,2,3,4,5,6,7,A=取数字3的倍数,B=取偶数。解:基本事件有7个,n7。对于事件A,m=2,所以P(A) = m/n = 2/7对于事件B,m=3,所以P(B) = m/n = 3/72.3.3
15、 事件的概率(2)2. 统计概率当试验次数足够多时,一个事件(A)发生的次数m与试验的总次数n之比:fn(A)=m/n在一个常数p(0p1)附近摆动,并稳定于p。定义2.10 在同一组条件下所作的大量重复试验中,事件A出现的频率fn(A)总是在0,1上的一个确定常数p附近摆动,并且稳定于p,则称p为事件A的概率。即P(A)=p2.3.3 事件的概率(3)3. 概率的性质0P(A)1P(D)=1,P()=0设事件A1,A2,Ak(kn)是两两互不相容的事件,即有AiAj=(ij),则P(A)=1-P(A)P(AB)=P(A)+P(B)-P(AB)如果,则P(A-B)=P(A)-P(B)121()
16、()()()kikiPAP AP AP AAB2.3.4 条件概率(1)如果在事件B发生的条件下考虑事件A发生的概率,就称它为事件A的条件概率,记为P(A|B)。定义2.11 设A,B是两个事件,P(B)0,则称为在事件B已发生的条件下事件A的条件概率。条件概率中的条件缩小了样本空间,即条件概率是在条件所确定的新空间中求AB的概率。()(|)( )P ABP A BP B2.3.4 条件概率(2)例2.6 对于例2.5,求解在事件B发生的条件下,事件A发生的条件概率。解:事件B是已经发生的事件,即取到2;取到4;取到6中必有一个出现。由于事件A是“取3的倍数”,而在上述三个事件中只有一种可能使
17、A发生。所以在B发生的条件下事件A的概率是1/3。2.3.5 全概率公式与Bayes公式(1)1. 全概率公式定理2.2 设事件A1,A2,An,满足:(1)两两互不相容,即当ij时,有AiAj=;(2)P(Ai)0 (1in)(3)则对任何事件B有下式成立:1niiDA1( )()(|)niiiP BP AP B A2.3.5 全概率公式与Bayes公式(2)2. Bayes公式定理2.3 条件同定理2.2。则对任何事件B有下式成立:1()(|)(|),1,2,.,()(|)()(|),1,2,.,( )(|)( )()(|),1,2,.,iiinjjjiiiiiP AP B AP A Bi
18、nP AP B AP AP B AinP BP A BP BP AP B Ain2.4 模糊理论1965年由L.A. Zadeh等人提出。2.4.1 模糊性随机性:事物本身含义明确,但条件不明而不可预知。模糊性:事物本身是模糊的。例如:青年、老年;高低;2.4.2 集合与特征函数 定义2.12 设A是论域U上的一个集合,对于任意uU,令则称CA(u)为集合A的特征函数。特征函数CA(u)在u=u0处的取值CA(u0)称为u0对A的隶属度。 集合A与其特征函数可以认为是等价的。A=u|CA(u)=11,A( )0,AAuCuu当当2.4.3 模糊集与隶属函数(1)n确定性概念可用普通集合表示。例
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