人工智能经典逻辑推理ppt课件.ppt

人工智能Artificial Intelligence,主讲：杨利英西安电子科技大学E_mail：,第三章经典逻辑推理,3.1 基本概念3.2 自然演绎推理3.3 归结演绎推理3.4 与或形演绎推理,3.1 基本概念,3.1.1 什么是推理,所谓推理就是按某种策略由已知判断推出另一个判断的思维过程。,在人工智能中，推理是由程序实现的，称为推理机。,3.1.2 推理方式及其分类,1. 演绎推理、归纳推理、默认推理,演绎推理：从一般到特殊。例如三段论。归纳推理：从个体到一般。默认推理：缺省推理，在知识不完全情况下假设某些条件已经具备所进行的推理。,2. 确定性、不确定性推理,3.1.2 推理方式及其分类,3. 单调推理、非单调推理推出的结论是否单调增加,5. 基于知识的推理（专家系统） 、统计推理、直觉推理（常识性推理）,4. 启发式、非启发式推理 所谓启发性知识是指与问题有关且能加快推理进程、求得问题最优解的知识。,3.1.3 推理的控制策略,推理的控制策略主要包括：推理方向、搜索策略、冲突消解策略、求解策略及限制策略。,1. 正向推理（数据驱动推理）,基本思想：从用户提供的初始已知事实出发，在知识库KB中找出当前可适用的知识，构成可适用的知识集KS，然后按某种冲突消解策略从KS中选出一条知识进行推理，并将推出的新事实加入到数据库DB中，作为下一步推理的已知事实。在此之后，再在知识库中选取可适用的知识进行推理。如此重复进行这一过程，直到求得所要求的解。,正向推理示意图,2 逆向推理,基本思想 首先选定一个假设目标，然后寻找支持该假设的证据，若所需的证据都能找到，则说明原假设是成立的；若找不到所需要的证据，则说明原假设不成立，此时需要另作新的假设。,逆向推理示意图,动物识别的例子(正向推理),已知事实：一动物有毛，吃草，黑条纹R1：动物有毛 哺乳类 R2：动物产奶 哺乳类 R3：哺乳类 吃肉 食肉类 R4：哺乳类 吃草 有蹄类 R5：食肉类 黄褐色 有斑点 猎狗 R6：食肉类 黄褐色 黑条纹 虎 R7：有蹄类 长脖 长颈鹿 R8：有蹄类 黑条纹 斑马,3.1.3 推理的控制策略,3. 混合推理先正向推理后逆向推理先逆向推理后正向推理4. 双向推理正向推理与逆向推理同时进行，且在推理过程中的某一步上“碰头”。5. 求解策略只求一个解，还是求所有解以及最优解。6. 限制策略限制搜索的深度、宽度、时间、空间等等。,模式匹配是指对两个知识模式(例如两个谓词公式、框架片断、语义网络片断)进行比较，检查这两个知识模式是否完全一致或者近似一致。,3.1.4 模式匹配,模式匹配可分为确定性匹配与不确定性匹配。,3.1.4 模式匹配,确定性匹配是指两个知识模式完全一致，或者经过变量代换后变得完全一致。 知识：IF father(x,y) and man(y) THEN son(y,x) 事实：father(李四，李小四) and man(李小四)不确定性匹配是指两个知识模式不完全一致，但是它们的相似程度又在规定的限度内。,变量代换（置换）,定义 代换是一个形如t1/x1,t2/x2,tn/xn的有限集合。 其中t1,t2,tn是项（常量、变量、函数）； x1,x2,xn是（某一公式中）互不相同的变元； ti/xi表示用ti代换xi 不允许ti与xi相同，也不允许变元xi循环地出现在另一个tj中。,例如：a/x,f(b)/y,w/z是一个代换g(y)/x,f(x)/y不是代换g(a)/x,f(x)/y是代换,令= t1/x1,t2/x2,tn/xn为一个代换，F为表达式，则F表示对F用ti代换xi后得到的表达式。F称为F的特例。,规则: IF father(x,y) and man(y) THEN son(y,x)事实: father(李四，李小四) and man(李小四) F=father(x,y) man(y) = 李四/X,李小四/Y F= father(李四，李小四) man(李小四) 结论: son(李小四,李四),代换的复合,定义 设= t1/x1,t2/x2,tn/xn= u1/y1,u2/y2,um/ym是两个代换，则这两个代换的复合也是一个代换，它是从t1/x1,t2/x2,tn/xn,u1/y1,u2/y2,um/ym中删去如下两种元素：ti/xi当ti=xiui/yi当yix1,x2,xn后剩下的元素所构成的集合，记为 。,注 (1) ti表示对ti运用进行代换。 (2)就是对一个公式F先运用进行代换，然后再运用进行代换：F（ ）=（F ）,代换复合的例子,例如，设有代换= f(y)/x,z/y= a/x,b/y,y/z则=?, =f(y)/x, z/y, a/x, b/y, y/z =f(b)/x, y/y, a/x, b/y, y/z =f(b)/x,y/z,公式集的合一,定义 设有公式集F=F1,F2,Fn，若存在一个代换使得F1=F2=Fn则称为公式集F的一个合一，且称F1,F2,Fn是可合一的。,例如，设有公式集F=P(x,y,f(y),P(a,g(x),z)则下式是它的一个合一：=a/x,g(a)/y,f(g(a)/z,一个公式集的合一一般不唯一。,最一般合一,定义 设是公式集F的一个合一，如果对任一个合一都存在一个代换，使得=则称是一个最一般的合一。,最一般合一是唯一的。,求取最一般合一,差异集：两个公式中相同位置处不同符号的集合。例如：F=F1:P(x,y,z), F2:P(x,f(a),h(b)则D1=y,f(a), D2=z,h(b)求取最一般合一的算法：令k=0,Fk=F, k=，是空代换。若Fk只含一个表达式，则算法停止，k就是最一般合一。找出Fk的差异集Dk。若Dk中存在元素xk和tk，其中xk是变元，tk是项，且xk不在tk中出现，则置：Fk+1=Fktk/xkK+1=ktk/xkk=k+1然后转(2)。若不存在这样的xk和tk则算法停止。算法终止，F的最一般合一不存在。,求取最一般合一的例子,求公式集 F=P(a,x,f(g(y),P(z,f(z),f(u)的最一般合一。,求取最一般合一的例子,F=P(a,x,f(g(y),P(z,f(z),f(u)求其最一般合一的过程：令F0=F, 0=。 F0中有两个表达式，所以0不是最一般合一。差异集：D0=a,z。代换： a/zF1= F0 a/z=P(a,x,f(g(y),P(a,f(a),f(u) 。 1=0a/z=a/zD1=x,f(a) 。代换： f(a)/xF2=F1f(a)/x=P(a,f(a),f(g(y),P(a,f(a),f(u) 。 2=1f(a)/x=a/z,f(a)/x D2=g(y),u 。代换： g(y)/uF3=F2g(y)/u=P(a,f(a),f(g(y),P(a,f(a),f(g(y) 。 3=2g(y)/u=a/z,f(a)/x,g(y)/u,至此，求得最一般合一 a/z,f(a)/x,g(y)/u,3.1.5 冲突消解策略,冲突：多个知识都匹配成功。正向推理：多条产生式前件都与已知事实匹配成功逆向推理：多条规则后件都和同一个假设匹配成功冲突消解的基本思想都是对知识进行排序。,几种冲突消解策略,按针对性排序优先选用针对性强的产生式规则。按已知事实的新鲜性排序优先选用与较多新事实匹配的规则。按匹配度排序在不确定性匹配中，计算两个知识模式的相似度(匹配度)，并对其排序，相似度高的规则先推。按领域问题特点排序按上下文限制排序把规则按照下上文分组，并只能选取组中的规则。按冗余限制排序冗余知识越少的规则先推。按条件个数排序条件少的规则先推。,3.2 自然演绎推理,从一组已知为真的事实出发，直接运用经典逻辑的推理规则推出结论的过程，称为自然演绎推理。其中，基本的推理规则是P规则、T规则、假言推理、拒取式推理等。假言推理的一般形式拒取式推理的一般形式,P规则：在推理的任何步骤都可以引入前提。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。,3.2 自然演绎推理,3.3 归结演绎推理,定理证明：要证明PQ(PQ)的永真性。根据反证法，只要证明其否定(PQ) 不可满足性即可。,归结：Resolution，也称为消解，消解原理,海伯伦(Herbrand)定理为自动定理证明奠定了理论基础；鲁滨逊(Robinson)提出的归结原理使机器定理证明成为现实。,3.3.1 子句,在谓词逻辑中，把原子谓词公式及其否定统称为文字。 如：P(x)， P(x,f(x)， Q(x,g(x),定义： 不包含任何文字的子句称为空子句。,定义： 任何文字的析取式称为子句。 例如： P(x)Q(x), P(x,f(x)Q(x,g(x),子句集,(1) 合取范式：C1 C2 C3 Cn(2) 子句集: S= C1 ,C2 ,C3 ,Cn(3)任何谓词公式F都可通过等价关系及推理规则化为相应的子句集S,把谓词公式化成子句集的步骤(1),1. 利用等价关系消去“”和“”例如公式可等价变换成2. 利用等价关系把“”移到紧靠谓词的位置上上式经等价变换后3. 重新命名变元，使不同量词约束的变元有不同的名字上式经变换后,把谓词公式化成子句集的步骤(2),4. 消去存在量词a.存在量词前面没有全称量词时，则只要用一个新的个体常量替换受该量词约束的变元。b.存在量词前面有一个或者多个全称量词时，要用函数f(x1,x2,xn)替换受该存在量词约束的变元。上式中存在量词(y)及(z)都位于(x)的后面，所以需要用函数替换，设替换y和z的函数分别是f(x)和g(x)，则替换后得到5. 把全称量词全部移到公式的左边,把谓词公式化成子句集的步骤(3),6. 利用等价关系把公式化为Skolem标准形Skolem标准形的一般形式是其中，M是子句的合取式，称为Skolem标准形的母式。上式化为Skolem标准形后得到7. 消去全称量词8. 对变元更名，使不同子句中的变元不同名上式化为9. 消去合取词，就得到子句集,子句集的性质,（1）子句集中子句之间是合取关系。（2）子句集中的变元受全称量词的约束。,子句集的意义,子句集S的不可满足性：对于任意论域中的任意一个解释，S中的子句不能同时取得真值T。,定理 设有谓词公式F，其子句集为S，则F不可满足的充要条件是S不可满足。要证明PQ永真，只需证明公式F=(PQ)永假，即S P , Q不可满足。,3.3.2 海伯伦理论（Herbrand）,为了判断子句集的不可满足性，需要对所有可能论域上的所有解释进行判定。只有当子句集对任何非空个体域上的任何一个解释都是不可满足的时候，才可断定该子句集是不可满足的。,海伯伦构造了一个特殊的论域(海伯伦域)，并证明只要对这个特殊域上的一切解释进行判定，就可知子句集是否不可满足。,海伯伦域,定义 设S为子句集，则按下述方法构造的域H称为海伯伦域，记为H域：(1)令H0是S中所有个体常量的集合，若S中不包含个体常量，则令H0a，其中a为任意指定的一个个体常量。(2)令Hi+1=HiS中所有n元函数f(x1,xn)|xj(j=1,n)是Hi中的元素，其中i=0,1,2,。,海伯伦域的例子,例 求子句集S=P(x)Q(x),R(f(y)的H域。解：此例中没有个体常量，任意指定一个常量a作为个体常量，得到H0=aH1=a,f(a)H2=a,f(a),f(f(a)H3=a,f(a),f(f(a),f(f(f(a)H=a,f(a),f(f(a),f(f(f(a),子句集S在H域上的解释就是对S中出现的常量、函数及谓词进行指派。,子句集在H域上的解释,定义 子句集S在H域上的一个解释I满足下列条件：(1)在解释I下，常量映射到自身；(2)S中的任一个n元函数是HnH的映射。即设 h1,h2,H，则f(h1,h2,hn)H;(3)S中的任一个n元谓词是HnT,F的映射。谓词的真值可以指派为T，也可为F。,在H域上进行解释的意义,意义：对于S任意可能论域D上的任意一个解释I，总存在H域上的一个解释I与它对应，且子句集在这两个解释下具有相同的真值。,定理 子句集S不可满足的充要条件是S对H域上一 切解释都为假。,基子句集的概念,基原子、基文字、基子句、基子句集没有变量出现的原子、文字、子句、子句集，分别称作基原子、基文字、基子句、基子句集如： P(a), P(f(a) 都称作子句CP(x)的基例,Herbrand 定理,子句集S不可满足的充要条件是存在一个有限的不可满足的基子句集S 。注： Herbrand 定理给出了一阶逻辑的半可判定算法。即，仅当被证明定理成立时，使用该算法可以得证，而当被证明定理不成立时，使用该算法得不出任何结果。,3.3.3 鲁滨逊归结原理,子句集S的不可满足性：对于任意论域中的任意一个解释，S中的子句不能同时取得真值T。一旦S中包含空子句，则S必不可满足。,鲁滨逊归结原理的基本思想：检查子句集S中是否包含空子句。若包含，则S不可满足；若不包含，就在子句集中选择合适的子句进行归结，一旦通过归结能推出空子句，就说明子句集S是不可满足的。,命题逻辑中的归结原理,定义 若P是原子谓词公式，则称P与P为互补文字。在命题逻辑中，P为命题。,定义 设C1与C2是子句集中的任意两个子句。如果C1中的文字L1与C2中文字L2互补，那么从C1和C2中分别消去L1和L2，并将两个子句中余下的部分析取，构成一个新子句C12，则称这一过程为归结。称C12为C1和C2的归结式，C1和C2为C12的亲本子句。,例 设C1=PQ, C2=QR, C3=PC1与C2归结得到：C12=PRC12与C3归结得到：C123=R,归结原理中的重要定理,定理 C12是其亲本子句C1与C2的逻辑结论。,证明：设C1=LC1, C2=LC2, 则C12=C1C2,两个推论,推论1 设C1与C2是子句集S中的两个子句，C12是它们的归结式。若用C12代替C1和C2后得到新子句集S1，则由S1的不可满足性可推出原子句集S的不可满足性，即S1的不可满足性S的不可满足性,推论2 设C1与C2是子句集S中的两个子句，C12是它们 的归结式。若把C12加入S中得到新子句集S2，则S与S2在不可满足的意义上是等价的，即S2的不可满足性S的不可满足性,在命题逻辑中应用归结原理,推论1及推论2保证了我们可以用归结的方法来证明子句集S的不可满足性。,为了要证明子句集S的不可满足性，只要对其中可进行归结的子句进行归结，并把归结式加入子句集S，或者用归结式替换它的亲本子句，然后对新子句集(S1或者S2)证明不可满足性就可以了。如果经过归结能得到空子句，则立即可得原子句集S是不可满足的结论。,在命题逻辑中，对不可满足的子句集S，归结原理是完备的。即，若子句集不可满足，则必然存在一个从S到空子句的归结演绎；若存在一个从S到空子句的归结演绎，则S一定是不可满足的。,谓词逻辑中的归结原理,在谓词逻辑中，由于子句中含有变元，所以不能像命题逻辑那样直接消去互补文字，而需要先用最一般合一对变元进行代换，然后才能进行归结。,例如,设有两个子句C1=P(x)Q(x), C2= P(a)R(y)由于P(x)与P(a)不同，所以C1与C2不能直接进行归结。但是若用最一般合一 =a/x 对两个子句分别进行代换：C1 =P(a)Q(a)C2 = P(a)R(y)就可对它们进行归结，得到归结式：Q(a)R(y),二元归结式的定义,定义 设C1与C2是两个没有相同变元的子句，L1和L2分别是C1和C2中的文字。若是L1和L2的最一般合一，则称C12=(C1-L1)(C2-L2) 为C1和C2的二元归结式，L1和L2称为归结式上的文字。,例 设C1=P(a)Q(x)R(x), C2=P(y)Q(b)若选L1=P(a),L2=P(y)，则有：L1=P(a), L2=P(y)，=a/y就是L1与L2的最一般合一。可得： C12=(C1-L1)(C2-L2)= Q(x)R(x)Q(b),若参加归结的子句内部含有可合一的文字，则在进行归结之前应先对这些文字进行合一。一般来说，如果子句C中有两个或者两个以上的文字具有最一般合一，则称C是子句C的因子。如果C为一个单文字，则称它为C的单元因子。,例子： C1=P(x)VP(f(a)VQ(x) C2= P(y) VR(b) = f(a)/x C1=P(f(a) VQ(f(a) C12 = Q(f(a) VR(b),定义 子句C1和C2的归结式是下列二元归结式之一：C1与C2的二元归结式；C1与C2的因子C22的二元归结式；C1的因子C11与C2的二元归结式；C1的因子C11与C2的因子C22的二元归结式。,对于一阶谓词逻辑，归结原理也是完备的。即，若子句集S不可满足，则必然存在一个从S到空子句的归结演绎；若存在一个从S到空子句的归结演绎，则S一定是不可满足的。,特别注意,求归结式时不能同时消去两个互补对一个简单的例子 C1=P V Q C2= P V Q,3.3.4 归结反演,如欲证明Q为P1,P2,Pn的逻辑结论，只需证(P1P2Pn)Q是不可满足的，或证明其子句集是不可满足的。而子句集的不可满足性可用归结原理来证明。,应用归结原理证明定理的过程称为归结反演。,归结反演的步骤,设F为已知前提的公式集，Q为目标公式(结论)，用归结反演证明Q为真的步骤是：,否定Q，得到Q；把Q并入到公式集F中，得到F, Q;把公式集F, Q化为子句集S；应用归结原理对子句集S中的子句进行归结，并把每次归结得到的归结式都并入S中。如此反复进行，若出现了空子句，则停止归结，此时就证明了Q为真。,例3.12 已知 求证：G是F的逻辑结论。,证明：首先把F和G化为子句集：,然后进行归结：(6)A(x,y)B(y)由(1)与(3)归结，f(x)/z(7)B(b)由(4)与(6)归结，a/x,b/y(8)NIL由(5)与(7)归结所以G是F的逻辑结论。,上述归结过程如右图归结树所示:,自动定理证明举例,证明：梯形的对角线与上下底构成的内错角相等,证明过程： （1）定义谓词 （2）建立子句集 （3）运用归结原理进行推理,（1）定义谓词,设梯形的顶点为a、b、c、d，定义谓词如下：T(x,y,u,v): 表示以x,y为上底、u,v为下底的梯形P(x,y,u,v): 表示边xy平行于边uvT(x,y,z,u,v,w): 表示xyz= uvw,（2）建立子句集,（3）运用归结原理进行推理,3.3.5 应用归结原理求取问题的答案,把已知前提用谓词公式表示出来，并且化为相应的子句集。设该子句集的名字为S。把待求解的问题也用谓词公式表示出来，然后把它否定并与谓词Answer构成析取式。Answer是一个为了求解问题而专设的谓词，其变元须与问题公式的变元完全一致。把此析取式化为子句集，并且把该子句集并入到子句集S中，得到子句集S。对S应用归结原理进行归结。若得到归结式Answer，则答案就在Answer中。,求解的步骤：,用归结原理求解问题的例子,例3.16 设A,B,C三人中有人从不说真话，也有人从不说假话。某人向这三人分别提出同一个问题：谁是说谎者？A答：“B和C都是说谎者”；B答：“A和C都是说谎者”；C答：“A和B中至少有一个是说谎者”。求谁是老实人，谁是说谎者？,解：设用T(x)表示x说真话, T(C)T(A)T(B)T(C)T(A)T(B) T(A)T(B)T(C) T(A)T(B)T(C) T(B)T(A)T(C) T(B)T(A)T(C) T(C)T(A)T(B) T(C)T(A)T(B),把上述公式化成子句集，得到S：(1)T(A)T(B)(2)T(A)T(C)(3)T(C)T(A)T(B)(4)T(B)T(C)(5)T(C)T(A)T(B)(6) T(A)T(C)(7)T(B)T(C),把T(x)Ansewer(x)并入S得到S1。即多一个子句：(8)T(x)Ansewer(x)应用归结原理对S1进行归结：(9)T(A)T(C)(1)和(7)归结(10)T(C) (6)和(9)归结(11)Ansewer(C) (8)和(10)归结所以C是老实人，即C从不说假话。,下面先求谁是老实人。,(1) T(A)T(B) (2) T(A)T(C)(3) T(C)T(A)T(B) (4) T(B)T(C)(5) T(C)T(A)T(B) (6) T(A)T(C)(7) T(B)T(C),对T(A)进行否定，并入S中，得到子句集S2，即S2比S多如下子句：(8)(T(A), 即T(A)应用归结原理对S2进行归结：(9)T(A)T(C) (1)和(7)归结(10)T(A) (2)和(9)归结(11)NIL (8)和(10)归结所以A不是老实人。同样可以证明B也不是老实人。,在上面的归结中，归结不出Ansewer(A)和Ansewer(B)。下面证明A不是老实人，即证明T(A)。,两点注意,归结时，并不要求把子句集中所有的子句都用到。在归结过程中，一个子句可以多次被用来进行归结。,3.3.6 归结策略,归结策略可分为两大类：(1) 删除策略删除某些无用的子句来缩小归结的范围。(2) 限制策略通过对参加归结的子句进行种种限制，尽可能减小归结的盲目性，使其尽快地归结出空子句。,归结的一般过程,设有子句集S=C1,C2,C3,C4，则对此子句集归结的一般过程：,S内任意子句两两逐一进行归结，得到一组归结式，称为第一级归结式，记为S1。把S与S1内的任意子句两两逐一进行归结，得到一组归结式，称为第二级归结式，记为S2。S和S1内的子句与S2内的任意子句两两逐一进行归结，得到一组归结式，称为第三级归结式，记为S3。如此继续，直到出现了空子句或者不能再继续归结为止。,一个归结的例子,例 设有子句集S=P, R,PQ,QR。归结过程为：S: (1)P(2)R(3)PQ(4)QRS1: (5)Q (1)与(3)归结(6)Q (2)与(4)归结(7)PR (3)与(4)归结S2: (8)R (1)与(7)归结(9)P (2)与(7)归结(10)P (3)与(6)归结(11)R (4)与(5)归结S3: (12) NIL (1)与(9)归结,删除策略,纯文字删除法如果某文字L在子句集中不存在可与之互补的文字L，则称该文字为纯文字。包含纯文字的子句可以删除。重言式删除法如果一个子句中同时包含互补文字对，则该字句称为重言式。重言式是永远为真的子句，可以删除。包孕删除法设有子句C1和C2，如果存在一个代换，使得 ，则称C1包孕于C2。C2可删除。,支持集策略,对参加归结的子句提出如下限制：每一次归结时，亲本子句中至少有一个是由目标公式的否定所得到的子句，或者是它的后裔。可以证明，支持集策略是完备的。,支持集策略,用支持集策略进行归结的过程是：S:(1) I(x)R(x)(2) I(a)(3) R(y)L(y)(4) L(a)S1: (5) R(a) (1)与(2)归结(6) I(x)L(x) (1)与(3)归结S2: (7) L(a) (2)与(6)归结(8) L(a) (3)与(5)归结(9) I(a) (4)与(6)归结S3: (10)NIL (2)与(9)归结,例 设有子句集S=I(x)R(x),I(a),R(y)L(y),L(a)其中I(x)R(x)是目标公式否定后得到的子句。,支持集策略示例,线性输入策略,限制：参加归结的两个子句中必须至少有一个是初始子句集中的子句。,王永庆P141 例4.19,线性输入策略可限制生成归结式的数量，具有简单、高效的优点。但是它是不完备的。,单文字子句策略,如果一个子句只包含一个文字，称它为单文字子句。,用单文字子句策略归结时，归结式比亲本子句含有较少的文字，这有利于朝着空子句的方向前进，因此它有较高的归结效率。但是，这种归结策略是不完备的。当初始子句集中不包含单文字子句时，归结就无法进行。,限制：参加归结的两个子句中必须至少有一个是单文字子句。,祖先过滤策略,该策略与线性策略比较相似，但放宽了限制。当对两个子句C1和C2进行归结时，只要它们满足下述任一个条件就可以归结:C1和C2中至少有一个是初始子句集中的子句。C1和C2中一个是另外一个的祖先子句。祖先过滤策略是完备的。,Q(x)P(x),Q(y)P(y),Q(w)P(w),Q(w),Q(u)P(A),P(A),NIL,祖先过滤策略的搜索过程,例：设有子句集 Q(x)P(x), Q(y)P(y),Q(w)P(w), Q(u)P(A) ，用祖先过滤形策略进行归结,优点：缺点：,归结演绎推理的特点,简单，便于在计算机上实现。,必须把逻辑公式化成子句集。不便于阅读与理解。P(x)Q(x)没有P(x)Q(x)直观。可能丢失控制信息。例如下列逻辑公式：(AB)C A(BC)(AC)B B(AC)(CB)A C(BA)化成子句后都是: ABC,3.4 与/或形演绎推理,归结演绎推理要求把有关问题的知识及目标的否定都化成子句形式，然后通过归结进行演绎推理，其推理规则只有一条，即归结规则.与/或形演绎推理不再把有关知识转化成子句集，而把领域知识及已知事实分别用蕴含式及与/或形表示出来，然后通过运用蕴含式进行演绎推理，从而证明某个目标公式。,与/或形演绎推理的分类,正向演绎 从已知事实出发，正向地使用蕴含式（F规则）进行推理，直至得到某个目标公式的一个终止条件为止。逆向演绎 从待证明的目标出发，通过逆向地使用蕴含式（B规则）进行演绎推理，直至得到包含已知事实的终止条件为止。双向演绎 同时运用F规则和B规则,4.4.1 正向与/或形演绎推理,正向与/或形演绎推理对已知事实、F规则和目标公式地表示形式都有一定要求。如果不符合要求，就需要先进行变换。,1 事实表达式的与/或形变换及其树形表示,正向与/或形演绎推理要求已知事实用不含蕴含符号的与/或形表示。把一个公式转换为与/或形的步骤（类似于子句集的转换过程）：,（1）利用PQ 等价于PQ，消去公式中的“”；（2）利用德摩根律及量词转换律把“”转移到紧靠谓词的位置上；（3）重新命名变元，使得不同量词约束的变元具有不同的名字；（4）引入Skolem函数消去存在量词；（5）消去全称量词，且使各主要合取式中的变元不同名。,1 事实表达式的与/或形变换及其树形表示,事实表示式的与/或形可用一颗与/或树表示。与/或树的一个节点表示事实表达式的一个子表达式，叶节点为谓词公式中的文字。对于用析取符号连接而成的表达式，用一个N连接符（半圆弧）把它们连接起来。对于用合取符号连接而成的表达式，无需用连接符（半圆弧）连接。,事实的与或树表示,例： Q(w, A)(R(v) P(v) S(A, v),Q(w, A)(R(v) P(v) S(A, v),Q(w, A),(R(v) P(v) S(A, v),R(v) P(v),S(A, v),R(v),P(v),解图集：Q(w, A), R(v)S(A, v), P(v)S(A, v),2 F规则的表示形式,在正向与/或形演绎推理中，通常要求F规则具有如下形式：L W其中，L为单文字，W为与/或形。限制F规则左部为单文字的原因：要用F规则作用于表示事实的与/或树，而与/或树的叶节点都是单文字。,2 F规则的表示形式,如果领域知识不是所要求的表示形式，则需要通过变换将它变成规定的形式，步骤如下（王：P144例子）：（1）暂时消去蕴含符号“”；（2）利用德摩根律及量词转换律把“”转移到紧靠谓词的位置上；（3）引入Skolem函数消去存在量词；（4）消去全称量词；（5）恢复为蕴含式。,3 目标公式的表示形式,在正向与/或形演绎推理中，要求目标公式用子句表示，否则就要化成子句形式。（转换方法同前）,4 推理过程,（1）用与/或树把已知事实表示出来；（2）用F规则的左部和与/或树的节点进行匹配，并将匹配成功的F规则加入到与/或树中；（3）重复第（2）步，直到产生一个含有以目标节 点作为终止节点的解图为止。,例：事实：A B规则集： A C D B E G目标公式： C G,A B,A,B,A,C,D,B,E,G,C,G,目标,正向与/或形演绎推理举例（命题逻辑）,例：设已知事实和规则分别为事实：(P Q) R) (S (T U)规则：S (X Y) Z 用正向演绎推理推出所有可能的目标子句。,正向与/或形演绎推理举例（命题逻辑）,(P Q) R) (S (T U),(P Q) R,S (T U),P Q,R,S,T U,P,Q,T,U,S,X Y,Z,X,Y,P Q SP Q T US RR T UP Q X ZP Q Y ZR X ZR Y Z,规则的子句： S (X Y) Z= S(X Y) Z= S X Z S Y Z,结论：加入规则后得到的解图，是事实与规则对应子句的归结式,例：事实：P(x, y) (Q(x, A) R(B, y) 规则集： P(A, B) (S(A) X(B) Q(B, A) U(A) R(B, B) V(B) 目标：S(A) X(B) U(A),P(x, y) (Q(x, A) R(B, y),P(x, y),Q(x, A) R(B, y),Q(x, A),R(B, y),P(A, B),A/x,B/y,S(A),X(B),Q(B, A),B/x,U(A),R(B, B),B/y,V(B),正向与/或形演绎推理举例（谓词逻辑）,4.4.2 逆向与/或形演绎推理,与/或形逆向演绎推理从待证明的目标出发，通过逆向地使用蕴含式（B规则）进行演绎推理，直至得到包含已知事实地终止条件为止。与/或形逆向演绎推理对目标公式、B规则和已知事实的表示形式也有具体要求，若不符合要求，就需要进行变换。,1 目标公式的与/或形变换及其树形表示,把一个目标公式转换为与/或形的步骤（类似于子句集的转换过程）：（1）利用PQ 等价于PQ，消去公式中的“”；（2）利用德摩根律及量词转换律把“”转移到紧靠谓词的位置上；（3）重新命名变元，使得不同量词约束的变元具有不同的名字；（4）引入Skolem函数消去全称量词；（5）消去存在量词，且使各主要析取式中的变元不同名。注意：上述红字标出的部分是与前面与/或形正向演绎推理中把事实变换为与/或形表示不同的地方。,1 目标公式的与/或形变换及其树形表示,目标表示式的与/或形可用一颗与/或树表示。把与/或树的叶节点用它们之间的合取及析取关系连接起来，就可得到目标公式的子目标。对于用合取符号连接而成的表达式，用一个N连接符（半圆弧）把它们连接起来。对于用析取符号连接而成的表达式，无需用连接符（半圆弧）连接。（这点也和正向与/或形演绎推理不同）,2 B规则的表示形式,在逆向与/或形演绎推理中，要求B规则具有如下形式：W L 其中，W为任一与/或形公式， L为文字。限制B规则右部为文字的原因：要用B规则的右部和目标与/或树的叶节点进行匹配，而目标与/或树的叶节点都是文字。,3 已知事实的表示形式,逆向与/或形演绎推理要求已知事实是文字的合取式，即形如F1 F2 Fn因为每个事实都可以单独使用，因此上式也可表示为如下集合：F1,F2,Fn,4 推理过程,（1）用与/或树把目标公式表示出来；（2）用B规则的右部和与/或树的叶子节点进行匹配，将匹配成功的B规则加入到与/或树中；（3）重复第（2）步，直到产生某个终止在事实节点上的一致解图为止。（注：一致解图是指在推理过程中用到的代换是一致的）,王永庆 P148 例4.24,例：事实： D(F) B(F) W(F) M(N)规则： R1: (W(x1) D(x1) F(x1) R2: (F(x2) B(x2) A(y2, x2) R3: D(X3) A(x3) R4: C(x4) A(x4) R5: M(x5) C(x5)目标： C(x) D(y) A(x, y),C(x) D(y) A(x, y),C(x),D(y),A(x, y),C(x5),x5/x,M(x5),R5,M(N),N/x5,D(F),F/y,A(y2, x2),y2/x, x2/y,F(y),B(y),R2,B(F),F/y,F(x1),x1/y,W(y),D(y),R1,W(F),F/y,D(F),F/y,逆向与/或形演绎推理 举例,正、逆向与/或形演绎推理对比,正向事实表达式任意形规则形式： 单文字 W目标公式为文字析取对事实、规则消存在量词，Skolem化用对偶形消目标的全称量词，Skolem化事实表达式与或树，“”对“与”，“”对应“或”从事实出发，正向应用规则以目标为结束的一致解图,逆向事实表达式是合取形规则形式： L 单文字目标公式任意形对事实、规则消存在量词，Skolem化用对偶形消目标的全称量词，Skolem化目标公式的与或树，“”对“与”，“”对应“或”从目标出发，逆向应用规则以事实为结束的一致解图,1. 正向和逆向与/或形演绎推理的特点和局限性 正向演绎系统能够处理任意形式的if表达式，但被限制在then表达式为由文字析取组成的一些表达式。逆向演绎系统能够处理任意形式的then表达式，但被限制在if表达式为文字合取组成的一些表达式。双向(正向和逆向)组合演绎系统具有正向和逆向两系统的优点，克服各自的缺点。2.双向(正向和逆向)组合与/或形演绎推理的构成 正向和逆向组合系统是建立在两个系统相结合的基础上的。此组合系统的总数据库由表示目标和表示事实的两个与或图结构组成，并分别用F规则和B规则来修正。,3.4.3 双向与/或形演绎推理,3.终止条件 组合演绎系统的主要复杂之处在于其终止条件，终止涉及两个图结构之间的适当交接处。当用F规则和B规则对图进行扩展之后，匹配就可以出现在任何文字节点上。在完成两个图间的所有可能匹配之后，目标图中根节点上的表达式是否已经根据事实图中根节点上的表达式和规则得到证明的问题仍然需要判定。只有当求得这样的一个证明时，证明过程才算成功地终止。若能够断定在给定方法限度内找不到证明时过程则以失败告终。,3.4.3 双向与/或形演绎推理,与/或形演绎推理的特点,优点：缺点：,不必把公式化为子句集，保留了连接词“”。这就可直观地表达出因果关系，比较自然。,对正向演绎推理而言，目标表达式被限制为文字的析取式；对逆向演绎推理，已知事实的表达式被限制为文字的合取式；正、逆双向演绎推理虽然可以克服以上两个问题，但其“接头”的处理却比较困难。,第三章 作业,1、名词解释：正向推理、逆向推理2、请用消解原理证明G是F1、F2和F3的逻辑结论。,3、张某被盗，公安局派出5个侦察员：A、B、C、D、E。研究案情时，A说“赵与钱中至少有1人作案”；B说“钱与孙中至少有1人作案”；C说“孙与李中至少有1人作案”；D说“赵与孙中至少有1人与此案无关”；E说“钱与李中至少有1人与此案无关”。如果5个侦察员的话都是可信的，试用归结原理推理出谁是盗窃犯。,第三章 作业,4、设已知：（1）能阅读者是识字的；（2）海豚不识字；（3）有些海豚是很聪明的。试证明：有些聪明者并不能阅读。,第三章 作业,