deskripčná logika -...

96
Deskripčná logika UINF/SWB: Sémantický web podľa http://www.inf.unibz.it/~franconi/dl/course/

Upload: others

Post on 26-Feb-2021

17 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Deskripčná logika

UINF/SWB: Sémantický web

podľa http://www.inf.unibz.it/~franconi/dl/course/

Page 2: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Deskripčná logika

• zjednocujúci formalizmus pre nástroje

reprezentácie

– frame-based (systémy založené na rámcoch)

– sémantické siete

– objektovo orientované reprezentácie

– sémantické dátové modely

– ontologické jazyky

– ...

Page 3: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Deskripčná logika

• štruktúrovaná podforma predikátového

počtu

• poskytuje teórie a systémy pre

– reprezentáciu štruktúrovaných informácií

– pre prístup k týmto informáciám

– pre odvodzovanie v rámci nich

Page 4: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Aplikácie deskripčnej logiky v

systémoch

konfigurácia konceptuálne modelovanie

optimalizácia dopytov a

udržiavanie pohľadov

sémantika prirodzeného

jazyka

inteligentná integrácia

informácií (I3)

prístup k informáciám a

inteligentné rozhrania

terminológie, slovníky a ontológie

správa softvéru plánovanie

Page 5: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Formalizmus

• DL formalizuje viacero objektovo-

orientovaných reprezentácií

• odstraňuje nejednoznačnosti prítomné v

nepresných reprezentáciách

Page 6: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Rámce / Frames / Objekty

• identifikátor

• trieda

• inštancia

• slot (atribút) – hodnota

• identifikátor

• implicitná hodnota

– obmedzenie povolených hodnôt • typ

• doména

• kardinalita

• zapúzdrená metóda

Page 7: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Nejednoznačnosť: trieda vs

objekt

Osoba

• vek: INTEGER

• pohlavie: M, Ž

• výška: INTEGER

• partner: Osoba

Peter

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: 76

• žena: Lucia

trieda inštancia

Page 8: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Nejednoznačnosť: neúplná

informácia

Tridsiatnik

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: INTEGER

• partner: Osoba

Peter

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: 76

• žena: Lucia

trieda inštancia

Page 9: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Nejednoznačnosť: dedičnosť

Osoba

• vek: INTEGER

• pohlavie: M, F

• výška: INTEGER

• partner: Osoba

Muž

• vek: INTEGER

• pohlavie: M

• výška: INTEGER

• partner: Žena

Tridsiatnik

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: INTEGER

• partner: Osoba

Peter

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: 76

• žena: Lucia

Page 10: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Asociácie: explicitná asociácia

Peter

• vek: 30

• pohlavie: M

• výška: 76

Lucia

• vek: 28

• pohlavie: F

• výška: 59

rodinaPetraALucie

• manžel: Peter

• manžela: Lucia

Page 11: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Tranzitivita asociácií

Auto Motor

má súčiastku

Motor Valec

má súčiastku

Auto Valec

má súčiastku

vieme odvodiť

Page 12: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Naozaj tranzitivita?

Ján Peter

má dieťa

Peter Zuzana

má dieťa

Ján Zuzana

má dieťa

očividne neplatí, že

Page 13: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Nejednoznačnosť: Nixonov

diamant

Prezident

Kvaker [pacifista]

Republikán [militarista]

Nixon

Je Nixon

pacifista alebo

nie?

Page 14: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Kvantifikácia

• Každá žaba je len zelená.

• Každá žaba môže byť aj zelená

• Každá žaba má istý odtieň zelenej.

• Existuje zelená žaba.

• Žaby sú obvykle zelené, hoci sú aj výnimky

Žaba Zelená

má farbu

Page 15: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Falošní priatelia

• objektovo orientované reprezentácie sú z

logického hľadiska nejednoznačné

• sú často používané a podporené grafickými

nástrojmi

• procesy odvodzovania však nespadajú do

štandardných logických kategórií

• ešte nie sú dobre chápané a formalizované

• vyvinúť odvodzovací algoritmus nad štruktúrami

istého druhu je oveľa jednoduchšie než vysvetliť,

čomu zodpovedajú odvodené štruktúry v

doméne

Page 16: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Štruktúrovaná logika

• každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého rádu

• reprezentácia je na úrovni uzavretých formúl: vo formalizme nie sú žiadne premenné

• každá základná deskripčná logika je podmnožinou logiky prvého rádu

– bez funkcií

– najviac tri mená premenných

Page 17: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Prečo nestačí logika prvého

rádu?

• logika 1. rádu bez dodatočných obmedzení:

– rozpadne sa štruktúra znalostí

– ťažko mať základ pre odvodzovanie

– príliš veľká vyjadrovacia sila na získanie rozhodnuteľných a efektívnych odvodzovacích problémov

– potenciálne primalá odvodzovacia sila na vyjadrenie zaujímavých a rozhodnuteľných teórií

Page 18: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Štruktúrované siete dedičnosti:

KL-One

• structured inheritance networks

• štruktúrované opisy:

– zodpovedajú zložitým štruktúram objektov prepojených

asociáciami/reláciami

– postavené na redukovanej množine logických konštruktov

• dva druhy znalostí:

– koncepty (terminológia) + inštancie (tvrdenia)

• centrálnu rolu hrá automatická klasifikácia, ktorou sa určí

subsumpcia

– možno postaviť zväz

• striktné odvodzovanie bez implicitných znalostí

Page 19: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Teória deskripčnej logiky

• definícia predikátov

– TBox

– terminologies

• tvrdenia nad konštantami

– ABox

– assertions

Page 20: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Elementy jazyka TBox

Koncepty

• označujú entity

• unárne predikáty

• triedy

{ x | STUDENT(x) }

{ x | ŽENATÝ(x) }

Roly

• označujú vlastnosti

• binárne predikáty

• relácie

{ <x,y> | PRIATEĽ(x,y) }

{ <x,y> | MILUJE(x,y) }

Page 21: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Výrazy pre koncepty

• DL organizuje informácie do tried

• koncepty!

• homogénne dáta klasifikované podľa

relevantných spoločných vlastností, ktoré

majú inštancie

Študent ⊓ Priateľ. Ženatý

𝑥 Študent 𝑥 ∧ ∃𝑦. Priateľ 𝑥, 𝑦 ∧ Ženatý(𝑦)

Page 22: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Poznámka k -výrazom

• je mechanizmus pomenovávania funkcií

• 𝜆 𝑥 . 𝑓(𝑥) = funkcia, ktorá pre vstup x vráti

f(x)

• platí:

• vieme pomenovávať funkcie

Page 23: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Definícia predikátov pomocou

• predikát = pravdivostná funkcia

• potom je funkcia:

– definičný obor: individuály z domény

– obor hodnôt: pravdivostné hodnoty

• P potom určuje množinu individuálov, pre ktoré je pravdivá

• pretože P(a) znamená, že pre a je predikát splnený

• a je rozšírenie P

Page 24: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Definícia predikátov pomocou

• pre unárny predikát Osoba:

Osoba := (x).Osoba(x)

• tvrdí, že Osoba určuje množinu osôb:

OsobaI = { x | Osoba(x)}

Osoba(peter) akk peterI OsobaI

• to isté pre binárny predikát:

• Priateľ := (x, y).Priateľ(x, y)

• Priateľ I := { <x,y> | Priateľ(x, y)}

Page 25: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Definícia predikátov pomocou

• Funkcie, ktoré definujeme lambdou, môžu

byť parametrické

Page 26: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Interpretácia konceptových

výrazov

Page 27: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Objekty a triedy

• trieda Študent:

Osoba

Meno: String

Adresa: String

Zapísaný: [Predmet]

Page 28: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Sémantické siete

Page 29: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Kvantifikátory

• Žaba ⊑ ∃MÁ-FARBU.Zelená

– každá žaba je aj zelená

• Žaba ⊑ ∀MÁ-FARBU.Zelená

– každá žaba je len zelená

Žaba Zelená

má farbu

Page 30: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Kvantifikátory: existenčný

• Každá žaba je aj zelená

– Žaba ⊑ ∃MÁ-FARBU.Zelená

Žaba Zelená

má farbu

Cvičenie: je toto modelom?

Žaba(oscar), Zelená(zelená), MÁ-FARBU(oscar, zelená),

Červená(červená), MÁ-FARBU(oscar, červená)

Page 31: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Kvantifikátory: všeobecný

• Každá žaba je len zelená

– Žaba ⊑ ∀MÁ-FARBU.Zelená

Žaba Zelená

má farbu

Cvičenie: je toto modelom?

Žaba(oscar), Zelená(zelená), MÁ-FARBU(oscar,

zelená),

Červená(červená), MÁ-FARBU(oscar, červená)

A toto?

Žaba(felix),

AGENT(felix, oscar)

Page 32: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Analytické odvodzovanie

[intuícia]

• Osoba

subsumuje

• Osoba, ktorá má priateľov, je lekárom

subsumuje

• Osoba, ktorá má priateľov, je chirurgom

Page 33: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Analytické odvodzovanie

[intuícia]

• Osoba, ktorá má aspoň dve deti

subsumuje

• Osoba, ktorá aspoň troch synov

• Osoba, ktorá má aspoň tri malé deti

disjunktná s

• Osoba s najviac dvoma deťmi

Page 34: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Logika

• zamerajme sa na najjednoduchšiu možnú štrukturálnu DL:

• hovorme o jazyku logiky – syntax

– sémantika

– problémy v odvodzovaní: • rozhodnuteľnosť

• zložitosť

– procesy v rozhodovaní: • korektnosť

• úplnosť

• asymptotická zložitosť

Page 35: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Gramatika

Page 36: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Alternatívna gramatika

Page 37: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Intuitívna sémantika

• Koncepty = triedy = množiny individuálov

– atomické koncepty: mená primitívnych konceptov

• ďalej ich nedefinujeme

• Roly = vzťahy medzi dvojicami individuálov

• :and = zodpovedá konjugovaným konceptom

– v definícii môžeme spojiť viacero vlastností

– využijeme nadkoncepty

– realizujeme reštrikciu atribútov

Page 38: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Kvantifikátory

:all

• reštrikcia konceptu na hodnoty atribútu

• x je (:all R C) akk

každý prvok v relačnom páre s x je konceptom C

• (:all MÁ-DIEŤA Lekár) – niečo, koho všetky deti sú

lekármi

– predpokladáme, že MÁ-DIEŤA(x, y) = x je otcom y

• použité na obmedzenie hodnoty slotu v rámci

:some

• existuje aspoň jedna

hodnota pre atribút

• x je (:some R) akk

existuje aspoň jeden prvok

v relačnom páre s x

• (:and Osoba (:some MÁ-

DIEŤA))

– reprezentuje koncept ,,rodič"

• spôsob ako zaviesť do

rámca slot

Page 39: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vzťah s databázami

• atomické koncepty = jednostĺpcové tabuľky – CREATE TABLE Samec (VALUE VARCHAR)

– na dátovom type stĺpca nezáleží

– prítomnosť riadka v tabuľke je ekvivalentné situácii, keď predikát vráti TRUE

• roly = dvojstĺpcové tabuľky – opäť nezáleží na dátových typoch

• closed-world assumption: elementy, ktoré nie sú v riadkoch, sú FALSE

• open-world assumption: o elementoch neprítomných v riadkoch nevieme nič skonštatovať

Page 40: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vzťah s databázami

• (:all MÁ-DIEŤA Lekár)

– SELECT MÁ-DIEŤA.x

FROM MÁ-DIEŤA, Lekár

WHERE MÁ-DIEŤA.y = Lekár.x

Lekár.X

Hippokrates

Thessalus

Draco

Vesalius

Schweitzer

MÁ-DIEŤA.X MÁ-DIEŤA.Y

Heraclides Hippokrates

Hippokrates Thessalus

Hippokrates Draco

Vesalius Anne

Page 41: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vzťah s databázami

• (:some MÁ-DIEŤA)

– SELECT DISTINCT MÁ-DIEŤA.x

FROM MÁ-DIEŤA

MÁ-DIEŤA.X MÁ-DIEŤA.Y

Heraclides Hippokrates

Hippokrates Thessalus

Hippokrates Draco

Vesalius Anne

Page 42: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Formálna sémantika

• Interpretácia pozostáva z:

– domény: neprázdna množina

– interpretačná funkcia mapujúca

• každý koncept na podmnožinu

• každú rolu na podmnožinu

• je extenzionálna funkcia akk

Page 43: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Poznámky k definícii

• množina je množina individuálov v

rozšírení C

• má rovnakú pravdivostnú hodnotu

ako C(x)

• je ekvivalentné R(x, y)

Page 44: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Príklad

• Vyberme si doménu a extenzionálnu

funkciu nad

• vypočítajme rozšírenia nasledovných

konceptov

– (:and Dospelý Samec)

– (:and Dospelý Samec Bohatý)

– (:all MÁ-DIEŤA (:and Dospelý Samec))

– (:some MÁ-DIEŤA)

Page 45: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Problém subsumpcie

• koncept C je subsumovaný konceptom D

akk

• pre každú doménu z

• pre každú rozširujúcu funkciu nad

• platí

• t. j.

Page 46: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Jednoduché príklady

• (:and Dospelý Samec) ⊑ Dospelý

• (:and Dospelý Samec Bohatý) ⊑ (:and Dospelý Samec)

• (:all MÁ-DIEŤA (:and Dospelý Samec) ⊑ (:all MÁ-DIEŤA Dospelý)

• (:and (:all MÁ-DIEŤA Dospelý) (:some MÁ-DIEŤA)) ⊑ (:all MÁ-DIEŤA Dospelý)

Page 47: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Jednoduché protipríklady

• (:all MÁ-DIEŤA Dospelý) ⋢ (:some MÁ-DIEŤA)

• (:some MÁ-DIEŤA) ⋢ (:all MÁ-DIEŤA Dospelý)

všetky deti sú

dospelé má aspoň 1 dieťa vs

Page 48: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vlastnosti súvisiace s

vypočitateľnosťou

• Subsumpcia pre

Rozhodnuteľná

Zložitosť v P

urobíme

konštruktívny

dôkaz!

Page 49: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Štrukturálny algoritmus

subsumpcie

• založený na štrukturálnom porovnávaní konceptových výrazov

• každý konceptový výraz pozostáva z podvýrazov

• každý podvýraz z prvého konceptového výrazu porovnáme so všetkými podvýrazmi druhého konceptového výrazu

• dve fázy: 1. Prepíšme koncepty do normálnej formy

2. Porovnajme ich štruktúry

Page 50: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Normálna forma

1. Zbavíme sa zátvoriek vo vnorených

konjunkciách

2. Konjunkcie univerzálnych kvantifikátorov

prepíšeme na kvantifikovanú konjunkciu

Prepisovacie pravidlá vedú k ekvivalentným formulám!

(Dôkaz na domácu úlohu ).

Page 51: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Základný algoritmus

pre subsumpciu

• Majme koncepty v normálnej forme

• Algoritmus SUBS?[C, D] vráti TRUE akk

pre každý podkoncept :

– buď ide o atomický koncept alebo koncept

tvaru

• potom existuje také, že

– alebo ide o koncept tvaru , a potom

existuje tvaru (s rovnakou

atomickou rolou ), takou, že SUBS? [C', D']

Page 52: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Asymptotická zložitosť

• indukciou cez všeobecné kvantifikátory vieme

dokázať, že zložitosť je O(|C| x |D|)

– kvadratická vzhľadom na dĺžku ,,dlhšieho" konceptu

• optimalizácia:

– usporiadajme lexikograficky podvýrazy každého

konceptu

– zložitosť bude len O(n . log(n))

• binárne vyhľadávanie

• n je dĺžka ,,dlhšieho" konceptu

– ale dominantným faktorom bude zložitosť algoritmu

usporiadavania konceptov

Page 53: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Korektnosť

• odvodzovací algoritmus je korektný, ak

každé riešenie, ktoré sa pomocou neho

získa, je aj skutočným riešením

• Tvrdenie: Algoritmus štrukturálnej

subsumpcie je korektný.

– ak SUBS?[C, D] je TRUE, potom vo všetkých

interpretáciách je

Page 54: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Pozorovanie

• krok algoritmu, v ktorom prerábame výrazy

do normálnej formy nikdy nemení

rozširujúcu funkciu pre danú interpretáciu

• nemá teda vplyv na korektnosť

• ani úplnosť

Page 55: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Neformálny dôkaz

• Predpokladajme, že SUBS?[C, D] je pravdivé

• Uvažujme nad jedným z podkonceptov

• buď je rovný niektorému konceptu

• alebo je tvaru

– potom musí existovať medzi podkonceptami

D-čka , kde platí SUBS?[C', D']

– použitím indukčného kroku dostaneme, že rozšírenie

D' musí byť podmnožinou C'

– a teda každé rozšírenie Dj musí byť

podmnožinou Ci

Page 56: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Neformálny dôkaz

• bez ohľadu na tvar je Ci platí, rozšírenie D

musí byť podmnožinou Ci

– toto D je konjunkciou Dj-čiek

• toto navyše platí pre každé Ci

• teda rozšírenie D musí byť podmnožinou

rozšírenia C

– rozšírenie C je prienik všetkých rozšírení Ci

• teda vždy, keď SUBS vracia TRUE, C

subsumuje D a teda

Page 57: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Úplnosť

• ak existuje riešenie danej inštancie problému,

úplný odvodzovací algoritmus ho nájde.

• Vždy keď pre každú interpretáciu,

potom algoritmus povie, že C subsumuje D

Tvrdenie

Štrukturálny algoritmus je úplný.

Page 58: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Úplnosť: idea dôkazu

• Ukážeme, že vždy, keď SUBS?[C, D] vráti

FALSE, existuje interpretácia, ktorá priradí prvok

konceptu D, ale nie konceptu C

– teda interpretácia rozšírenia C nebude nadmnožinou

rozšírenia D

• Táto interpretácia je protipríkladom.

• Ak algoritmus vráti FALSE,

• ... znamená to, že nie je pravda, že

• .. a teda C ⋢ D (:and Dospelý Samec) ⊑ Dospelý

SUBS?[(:and Dospelý Samec), Dospelý]

Page 59: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Idea dôkazu

• Vždy, keď SUBS?[C, D] je FALSE, môžeme

nájsť podvýraz Ci v C taký, že preň neexistuje

súputník v koncepte D.

• V tom prípade ukážeme, že existuje

interpretácia, ktorá priraďuje objekt

akémukoľvek primitívnemu konceptu, ale nie

konceptu Ci

• Z toho vyplynie, že je nemožné, aby bolo

Page 60: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Štrukturálne algoritmy:

,,normalizuj a porovnaj"

• čo sa stane, ak obohatíme expresivitu?

• staršie systémy s neúplnými algoritmami – klasický, BACK, LOOM

• problémom sú interakcie medzi konštruktormi

– štrukturálne algoritmy sú založené na syntaktickom

porovnávaní podvýrazov

– neberú ich do úvahy

Príklad: A ⊔ A subsumuje ľubovoľný koncept, dokonca i taký, ktorý vo

svojej definícii nespomína A

Page 61: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Sumár: kde sa nachádzame

• deskripčné logiky sú formalizáciou OO

jazykov

• DL sú jazykmi na úrovni predikátov

– koncepty

– roly

• odvodzovanie (reasoning)

– problém subsumpcie

• najjednoduchšia DL z hľadiska štruktúry:

Page 62: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Aký má zmysel DL?

• ak je predikátový počet použitý bez

akýchkoľvek obmedzení

– strácame štruktúru znalostí

• bez premenných

• koncepty sú triedami

• roly sú vlastnosťami

– vyjadrovacia sila (expresivita) je priveľká

• na dobré vlastnosti súvisiace s vypočítateľnosťou

• na efektívne odvodzovacie procedúry

Page 63: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Axiómy, disjunkcie a negácie

• nutná podmienka pre lektora je

– nebyť študentom alebo byť profesorom

– absolvent, ktorý lektoruje nemusí byť profesorom

– môžeme mať profesora, ktorý nie je absolventom • v slovenskom systéme nemožné, v zahraničných áno ;-)

Lektor ⊑ Študent ⊔ Profesor

∀x. Lektor(x) →Študent(x) ∨ Profesor(x)

Page 64: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Axiómy, disjunkcie a negácie

• pre atomický koncept na ľavej strane

– symbol ⊑ reprezentuje primitívnu definíciu

– udáva len nutné podmienky

– symbol ≐ udáva skutočnú definíciu

– nutné aj postačujúce podmienky

Lektor ≐ Študent ⊔ Profesor

∀x. Lektor(x) ↔ Študent(x) ∨ Profesor(x)

Page 65: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

najjednoduchšia

výroková DL

Primitívny koncept

Primitívna rola

Top koncept

Bottom koncept

Komplement

Konjunkcia

Disjunkcia

Všeobecný kvantifikátor

Existenčný kvantifikátor

Page 66: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Uzavretý jazyk predikátového

počtu

• konjunkcia – interpretovaná ako

prienik množiny individuálov

• disjunkcia – interpretovaná ako

zjednotenie množiny individuálov

• negácia – interpretovaná ako

komplement množiny individuálov

Page 67: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Negácia kvantifikátorov

porovnajme s expresivitou

Page 68: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Formálna sémantika

• Interpretácia pozostáva z:

– domény: neprázdna množina

– interpretačná funkcia mapujúca

• každý koncept na podmnožinu

• každú rolu na podmnožinu

• každý individuál na prvok z množiny

• interpretačná funkcia je rozširujúcou

funkciou akk spĺňa sémantické definície

jazyka

Page 69: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Základné znalosti

Page 70: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

TBox: deskripčná sémantika

• pre TBox je navrhnutých viacero sémantík

– typické kritérium: povoľujeme cyklické tvrdenia?

• budeme uvažovať sémantiku založenú na

klasickej logike

Interpretácia spĺňa tvrdenie C ⊑ D ak

Interpretácia spĺňa tvrdenie C ≐ D ak

Interpretácia je modelom TBoxu, ak spĺňa

všetky tvrdenia v ňom.

Page 71: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

ABox

• Ak je interpretácia, potom platí

– C(a) je splniteľné v tejto interpretácii ak

– R(a, b) je splniteľné, ak

• Množina obsahujúca výroky (assertions) sa nazýva ABox

• Interpretáciu nazývame modelom ABoxu, ak každý výrok v tomto Aboxe je v nej splniteľný.

• ABox je splniteľný, ak má model

Page 72: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

ABox

• Interpretácia sa nazýva

modelom základnej znalosti Σ, ak každá

axióma z tejto základnej znalosti je v

splniteľná

• Základná znalosť je splniteľná, ak má

model.

Page 73: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Logická implikácia

• Ak každý model základnej znalosti je

modelom výroku φ, označujeme to

Page 74: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Logické dôsledky: čo ak...

Page 75: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Splniteľnosť konceptu

– je koncept splniteľný v základnej znalosti?

– existuje model základnej znalosti, ktorý

interpretuje koncept do neprázdnej množiny?

Študent ⊓ Osoba

Page 76: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Subsumpcia

– je koncept C subsumovaný konceptom D

vzhľadom na základnú znalosť?

– platí pre každý model základnej znalosti, že

Študent ⊑ Osoba

Page 77: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Splniteľnosť

– má základná znalosť model?

– otázka, či je základná znalosť splniteľná

Študent ≐ Osoba

Page 78: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Overenie inštancie (instance check)

– je daný výrok C(a) splniteľný v každom modeli

základnej znalosti Σ?

Profesor(knuth)

Page 79: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Získanie inštancií

– chceme všetky individuály, pre ktoré je daný

koncept splniteľný v danej základnej znalosti

Profesor => {knuth}

Page 80: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Realizácia

– chceme všetky koncepty, ktoré sú s daným

individuálom splniteľné v danej základnej

znalosti

knuth => Profesor

Page 81: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Redukcia na splniteľnosť

• niektoré odvodzovacie procedúry vieme

previesť na problém splniteľnosti

• splniteľnosť konceptu:

– ekvivalentné problému:

– existuje x také, že má model

• sumsumpcia

– ekvivalentné problému

– nemá

žiaden model

Page 82: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Redukcia na splniteľnosť

• niektoré odvodzovacie procedúry vieme

previesť na problém splniteľnosti

• overenie inštancie

– ekvivalentné problému:

– existuje x také, že nemá

model

Page 83: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Taxonómie

• subsumpcia je relácia čiastočného usporiadania na množine konceptov

• ak berieme do úvahy len pomenované koncepty, subsumpcia indukuje taxonómiu, kde explicitne kreslíme len priame subsumpčné vzťahy

Taxonómia

Minimálna relácia nad

množinou

pomenovaných

konceptov taká, že jej

reflexívno-tranzitívny

uzáver je reláciou

sumsumpcie.

Page 84: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Taxonómie

Page 85: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Klasifikácia

• Pre daný koncept C a TBox T a pre všetky koncepty D z TBoxu T chceme zistiť, či D subsumuje C alebo D je subsumované C.

• Intuitívne: chceme nájsť správne miesto pre koncept C v taxonómii, ktorá je implicitne daná v Tboxe

• Klasifikácia: úloha vkladania nových konceptov do taxonómie

– Triedenie nad čiastočným usporiadaním

Page 86: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Odvodzovacie procedúry

• Konečné, efektívne a úplné algoritmy pre rozhodnutie splniteľnosti sú k dispozícii. – rovnako pre ostatné spomenuté odvodzovacie

procedúry

– založené na technikách tableaux kalkulu

• úplnosť je dôležitá pre použitie deskripčných logík v reálnych aplikáciách

• tieto algoritmy sú efektívne pre priemerné základné znalosti – a to i v prípade, že problém v príslušnej logike je

z PSPACE, resp. EXPTIME

Page 87: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Niektoré rozšírenia ALC

Page 88: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Reštrikcie v kardinalitách

• Kvantifikátory v rolách nedokážu pokryť

niektoré prípady

• ,,Žena má aspoň tri [najviac 5] detí"

• Ide o rozšírenie klasických kvantifikátorov

Page 89: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Reštrikcie v kardinalitách

Page 90: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Roly ako funkcie

• Rola je funkcionálna, ak filler má funkčnú

závislosť na individuále

– ak rolu možno považovať za funkciu

– R(x,y) je ekvivalentné f(x) = y

• roly MÁ-POTOMKA a JE-RODIČOM nie sú

funkcionálne

• roly JE-MATKOU a MÁ-VEK sú funkcionálne

• ak je rola funkcionálna, označujeme operátorom

selekcie

Page 91: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Individuály

• predpokladáme, že v každej interpretácii

označujú rozličné individuály rôzne prvky

• pre každú dvojicu individuálov a, b a pre

každú interpretáciu I platí, že ak a <> b,

potom aI <> bI

• Unique Name Assumption: predpoklad

rozličných mien

• obvyklé v databázových aplikáciách

Page 92: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Individuály

• Koľko detí má táto rodina?

• Rodina(r)

• Je-otcom(r, ján), Je-matkou(r, zuzana)

• Je-synom(r, paľo), Je-synom(r, juraj),

• Je-synom(r, andrej)

Page 93: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vymenované typy

Page 94: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Vzťah logiky a OO modelu

Page 95: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Niektoré konštruktory pre rolové

výrazy

Page 96: Deskripčná logika - gursky.skgursky.sk/~gursky/uploads/Sk/swb-deskripcna-logika2.pdfŠtruktúrovaná logika • každý z variantov deskripčnej logiky je fragmentom logiky prvého

Rozšírenia deskripčných logík

• implicitné hodnoty

(defaults)

• beliefs (viera)

• pravdepodobnostné

odvodzovanie a

odvodzovanie založené

na podobnosti

• epistemické tvrdenia

– individuály, o ktorých

vieme, že spĺňajú koncepty

• closed world assumption

• záznamy, množiny,

kolekcie, agregácie

• konkrétne domény

– tvrdenia závisia od domény

• ontologické primitívy

– čas a akcie

– priestor

– časti a celky