Rappresentazione della Conoscenza e ragionamento. Rappresentazione basata sugli oggetti

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1 Rappresentazione della Conoscenza e ragionamento Rappresentazione basata sugli oggetti

2 Rappresentazione della Conoscenza Esistono due classi principali di strumenti per la rappresentazione della conoscenza: Rappresentazione basata sulle azioni (logica e sistemi a regole) Descrizioni primitive di concetti: fatti Manipolazione dei concetti attraverso metodi di ragionamento Inferenza Ragionamento in avanti/indietro Rappresentazione basata sugli oggetti (reti semantiche e frame) Descrizioni primitive e complesse di concetti Manipolazione dei concetti attraverso Navigazione delle relazioni tra i diversi concetti Esecuzione di procedure associate ai diversi concetti

3 Rappresentazione della Conoscenza Alcuni aspetti del mondo reale non sono facili da catturare con la logica dei predicati La difficoltà principale sta nel fatto che quasi tutte le generalizzazioni presentano delle eccezioni o sono vere fino ad un certo punto I pomodori sono rossi Sì ma esistono anche pomodori gialli, verdi arancioni Inoltre una ontologia ben specializzata ha bisogno di molte semplificazioni più adatte a mondi giocattolo che reali

4 Rappresentazione della Conoscenza Inoltre le formule ed i metodi di deduzione logici non sono il modo di ragionare più naturale e non sono i metodi con cui l uomo organizza la sua conoscenza e mostra un comportamento intelligente (Minsky). Rappresentazione basata sugli oggetti : Approcci alternativi alla logica: guadagnano in semplicità e potere espressivo ma perdono in purezza formale Nb non sono metodi completamente alternativi, ciascuno ha influenzato gli altri.

5 Concetto di oggetto in IA Il concetto di oggetto è riconducibile a diversi settori dell informatica sviluppatisi storicamente in modo alquanto disgiunto e indipendente: Linguaggi di programmazione Basi di dati Intelligenza artificiale Si ha necessità di migliorare l integrazione fra sottosistemi diversi (da BD a reti di comunicazione e supervisori intelligenti) e il modello ad oggetti potrebbe essere il fattore di aggregazione, ma ancora come perseguire questa strada è un problema aperto

6 Concetto di oggetto in IA In IA un oggetto è un pezzo di conoscenza, bits of information, e serve a rappresentare concetti del mondo reale Un framework per la rappresentazione della conoscenza deve descrivere come questi pezzi di informazione devono essere rappresentati, come la totalita dell informazione è strutturata, e quali sono i metodi di inferenza su di essa

7 Rappresentazione della Conoscenza Rappresentazione basata sugli oggetti Quale contenuto inserire nel sistema basato sulla conoscenza Come rappresentare fatti che riguardano il mondo Ingegneria ontologica Creare rappresentazioni concentrandosi su concetti generali che si presentano in molti domini diversi come Azioni, Tempo, OggettiFisici, Credenze

8 Rappresentazione della Conoscenza OggettiAstratti Tutto EventiGeneralizzati Insiemi Categorie Numeri Formule OggettiDi Rapprese ntazione Tempi Misure Pesi Intervalli Posti OggettiFisici Processi Cose Roba Momenti Gas Animali Agenti Liquidi Solidi Umani Ontologia superiore Infrastruttura generale dei concetti, si attua la convenzione di disegnare i grafi con i concetti più generali in alto e quelli più specifici sotto

9 Rappresentazione della Conoscenza Ontologia superiore Ad ogni ontologia specializzata è possibile apportare modifiche per aumentare di generalità Un ontologia generale, con l aggiunta di assiomi specifici, dovrebbe essere applicabile a quasi tutti i domini particolari. Nessun problema di rappresentazione deve essre risolto con soluzioni ad hoc In qualsiasi dominio sufficientemente complicato occorre unificare aree di diversa conoscenza, perché il ragionamento e la risoluzione di problemi possono coinvolgere più aree contemporaneamente

10 Rappresentazione della Conoscenza: Categorie ed oggetti L organizzazione degli oggetti in categorie è fondamentale nella rappresentazione della conoscenza benché l interazione con il mondo abbia luogo a livello di singoli oggetti Le categorie sono utili anche per formulare predizioni sugli oggetti una volta che sono stati classificati Nella logica dei predicati possiamo rappresentare le categorie attraverso Predicati (PallonedaBasket(b)) Oggetti reificando (prendere per concreto l astratto) la categoria e facendola diventare un oggetto, PallonidaBasket, da cui membro(b,pallonidabasket)) D altra parte PallonidaBasket è un sottoinsieme di Palloni

11 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Le relazioni di sottoclasse e di appartenenza sono le più importanti tuttavia è possibile esprimere relazioni tra categorie che non sono sottoclassi l una dell altra Es: Maschi e Femmine sono sottoclassi di Animali non dice che un maschio non può essere una femmina cioè che Maschi e Femmine sono categorie disgiunte Es. Un animale maschio non può essere femmina. Maschi e Femmine sono una scomposizione esaustiva degli Animali

12 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Le categorie servono a organizzare e semplificare la base di conoscenza attraverso il meccanismo dell ereditarietà Mele sottoclasse di frutta e frutta di cibo Cibo è commestibile mele è commestibile La relazione di sottoclasse organizza le categorie in una tassonomia o gerarchia tassonomica Tassonomie utilizzate in varie discipline da secoli

13 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Composizione fisica Relazione ParteDi : una cosa fa parte di un altra (ParteDi(Roma,Italia)) Gli oggetti possono essere raggruppati in gerarchie di ParteDi (ParteDi(Roma,Italia) ParteDi(Italia,Europa)) Oggetti composti sono spesso caratterizati da relazioni strutturali: un bipede ha due gambe attaccate ad un corpo Un oggetto composto è costituito dalle parti che lo compongono nella relazione PartizioneDiParti e può derivare da esse alcune carateristiche La massa di un oggetto è la somma della massa delle sue parti

14 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Misure Gli oggetti hanno un altezza, un costo, un valore I valori che assegniamo a queste caratteristiche prendono il nome di misure Misure quantitative In logica usiamo delle funzioni di unità Lunghezza (L1) Misure qualitative Non esiste una scala di valori oggettiva Gli esercizi hanno un grado di difficoltà Però possono essere ordinate con simboli di > e <

15 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Oggetti e Sostanze Mondo reale costituito da oggetti primitivi (particelle) e oggetti composti per aggregazione A volte la realtà sembre sfuggire a qualsiasi evidente individuazione (la divisione in oggetti distinti) Una seggiola, un burro Distinguiamo tra Sostantivi collettivi (burro, energia,acqua) Sostantivi contabili (seggiole, persone)

16 Rappresentazione della Conoscenza Categorie ed oggetti Oggetti e Sostanze Oggetti: Il pezzo di burro nel mio frigorifero Sostanza Burro giallo,morbido grasso Se taglio il burro ho due pezzi di burro, se taglio a metà un bipede non ho due bipedi Proprietà intrinseche Non appartengono all oggetto in sè, ma alla sostanza di cui è fatto Proprietà estrinseche Quali peso forma, non rimangono inalterate dopo una suddivisione

17 Rappresentazione della conoscenza Una volta descritti i concetti e le categorie base degli oggetti delle sostanze e delle misure il problema è navigare fra queste relazioni, e come rappresentare le azioni e gli eventi

18 Rappresentazione della conoscenza Possiamo avere due approcci Logico o dichiarativo Usato nelle reti semantiche, nella logica terminologica o descrittiva Un oggetto è una congiunzione di proprietà e può essere rappresentato come clausole della logica Procedurale Usato nei sistemi di rappresentazione della conoscenza basati sui frame e nei linguaggi di programmazione ad oggetti Un oggetto è una struttura con uno stato ed un comportamento Le proprietà di un oggetto posono essere attributi, relazioni, procedure La conoscenza procedurale è espressa mediante i metodi

19 Frames L idea del frame (Minsky, 1975) trae l origine dall osservazione che le persone usano un insieme strutturato di conoscenze derivate da esperienze precedenti per interpretare le diverse situazioni che si trovano a dover affrontare. Di fronte ad una nuova situazione, una persona non parte da zero. Al contrario, questa recupera dalla memoria una rappresentazione generale che si può adattare alla situazione e la raffina e modifica per render conto dei dettagli della situazione corrente.

20 Frames Un frame è quindi un modulo di conscenza che descrive qualcosa in termini delle sue proprietà Un frame è una collezione di attributi (i cosiddetti slot) e di valori loro associati che descrivono una qualche entità del mondo. I frame si basano sull eredità e sui valori di default. I frame sono delle strutture dichiarative che però possono inglobare una parte procedurale per gestire i valori associati ai propri attributi.

21 Frames Esempi Nome slot valore Volpe is-a piccolo-animale colore fulvo furbizia elevata

22 Frames L appartenenza ad una categoria (classe od oggetto) non viene data mediante proprietà necessarie e sufficienti, ma nei termini di una maggiore o minore somiglianza rispetto ai membri tipici della categoria detti prototipi In generale tutti i sistemi a frame permettono di ragionare su classi di oggetti usando rappresentazioni prototipali che devono essere adattate alle situazioni

23 Frame Uno slot può essere: un member slot: viene usato quando il frame è una classe e descrive una proprietà che vale per tutti gli elementi della classe. un own slot descrive una proprietà del frame specifico. Ogni slot viene descritto per mezzo di un insieme prefissato di "sfaccettature" (facet). Ereditarietà, indica se il valore è ereditato e come Default, valore di default If-needed, metodo per calcolare il valore dello slot (è alternativo a Valore)

24 Vantaggi e Limiti dei Frame I principali vantaggi dei frame sono: Permettono delle rappresentazioni compatte anche per concetti complessi. Sono piuttosto efficienti da elaborare per i calcolatori. I principali limiti dei frame sono: Non hanno una semantica formale, cioè non esiste un insieme di convenzioni universalmente accettato su ciò che un frame rappresenta. Tuttavia, combinando i frame con la logica si sono ottenuti dei sistemi ibridi, ad esempio, FRAIL (Charniak, 1983) e KRYPTON (Brachman et al., 1993), che coniugano l espressività di un linguaggio ad alto livello con il rigore della logica.

25 Frame Persona Nome Anno nascita Età Cittadinanza Recapito Paziente Nome Anno nascita Età Cittadinanza Recapito Data ingresso Diagnosi Reparto Is_a if-needed età = anni(anno nascita) Default: italiana Indirizzo Via Numero Città Provincia Telefono

26 Reti Semantiche (Brachman 1979) Non sono di chiara origine e definizione Particolarmente utili per il linguaggio naturale, descrizione e comprensione di forme, elaborazione di modelli psico-cognitivi Oggetto o concetto rappresentato da un nodo Relazioni gerarchiche sono nodi etichettati Conoscenza è l insieme degli oggetti e delle relazioni

27 Reti Semantiche Le reti semantiche rappresentano la conoscenza attraverso una struttura a grafo (detta rete): I nodi rappresentano dei concetti. La duplicazione di nodi rappresentanti lo stesso concetto viene sempre evitata Gli archi rappresentano relazioni tra concetti o proprietà dei concetti stessi. Mammifero isa Uomo appartiene esemplare-di Cervello Blu maglia Pee-Wee-Reese squadra Brooklyn-Dodgers

28 Reti Semantiche Le reti semantiche sono un modo naturale per rappresentare relazioni binarie. Una relazione di cardinalità maggiore di due può essere rappresentata da una rete semantica a più archi (limite rispetto alla logica). Cubs squadra-ospite Partita isa G 23 punteggio 5-3 squadra-di-casa Brooklyn-Dodgers

29 Reti Semantiche Un modo per cercare le relazioni tra i concetti di una rete è quello di vedere dove le attivazioni si incontrano (ricerca dell intersezione). esemplare-di Buck isa Cane Mammifero isa Uomo esemplare-di Pee-Wee-Reese

30 Gestione delle Gerarchie Le reti semantiche rappresentano un formalismo adatto per modellare conoscenze gerarchiche. isa isa Animali Mammiferi Elefanti isa isa Animali Mammiferi Elefanti isa Che differenza c è tra le due reti?

31 Gestione delle Gerarchie Esprimono in modo implicito regole per trattare concetti di ereditarieta di proprietà Permettono un ricoprimento di proprietà ritenute erronee o aggiornabili in base a nuova conoscenza acquisita (eccezioni e default)

32 Gestione dei Valori per Default La rappresentazione di conoscenze valide per default, mentre costituisce un problema difficile per i formalismi logici, è un problema facilmente risolvibile con le reti semantiche. riproduzione vivipara Mammiferi ovipara isa isa Elefanti Ornitorinco riproduzione Contraddice il valore di default con una informazione più specifica La gestione delle eccezioni è semplice e consiste nel memorizzarle nei nodi a cui si riferiscono e nel fermare la ricerca appena si trova un valore.

33 Gestione dell Eredità Multipla La gestione diventa difficile con l eredità multipla. pacifista quacchero convinzione_politica isa Nixon non_pacifista falco convinzione_politica isa repubblicano isa Secondo il metodo precedente Nixon è allo stesso tempo pacifista e non pacifista. Esistono altri metodi: ricerca in profondità avvantaggia i primi percorsi; ricerca in ampiezza avvantaggia i percorsi più corti.

34 Vantaggi delle Reti Semantiche I principali vantaggi delle reti semantiche sono: Risultano relativamente facili da comprendere per le persone. Sono piuttosto efficienti da elaborare per i calcolatori. Sono sufficientemente potenti per poter rappresentare idee e concetti anche complessi. Possono essere estese per rappresentare concetti modali e temporali che non possono essere rappresentati con una logica standard.

35 Limiti delle Reti Semantiche I principali limiti delle reti semantiche sono: Sono poco espressive, quindi occorrono delle reti semantiche di una certa grandezza e complessità spesso anche per rappresentare concetti abbastanza semplici. Non hanno una semantica formale, cioè non esiste un insieme di convenzioni universalmente accettato su ciò che una rete rappresenta (es non c e differenza fra classi ed istanze) Tuttavia, le reti semantiche sono state estese ottenendo dei modelli e linguaggi, ad esempio, KL-ONE (Brachman, 1985), con una precisa semantica formale.

36 WordNet [Miller] Grossa risorsa lessicale organizzata a rete semantica ( termini) i nomi, i verbi, gli aggettivi, gli avverbi sono organizzati in insiemi di sinonimi (synset) che rappresentano un concetto ( synset); Ad una parola è associato un insieme di synset: i sensi della parola

37 WordNet: la struttura organism beak person bird wing feather cleric measure colour oscine bishop number red finch Hyperonims Has-part Cardinal Cardinal, c. number Cardinal, carmine... Cardinal, c. grosbeak Member-of 4 Synset per cardinal Sacred college

38 WordNet: esempi di uso Espansione di interrogazioni con sinonimi nella ricerca basata su parole chiave (bisogna in primo luogo identificare il senso giusto) Distanza tra parole Categoria del termine: persona, organizzazione, luogo, misura