Лекция 6
Принцип резолюций
Исчисление высказываний.
Опровержение резолюций.
Поиск доказательства в системе резолюций.
Еще в конце 1970-х годов стала отчетливо просматриваться тенденция к использованию в исследованиях в области искусственного интеллекта "формальных" методов, т.е. основанных на аппарате математической логики. Эти методы противопоставлялись более интуитивным и менее формализованным эвристическим методам.. Для того чтобы стало ясно, что все это значит, нужно познакомить вас с логическими языками, а затем показать, как соотносятся их свойства с теми методами рассуждений, которые должны поддерживать типовые экспертные системы.
Математическая логика является формальным языком в том смысле, что в отношении любой последовательности символов она позволяет сказать, удовлетворяет ли эта последовательность правилам конструирования выражений в этом языке (формулам). Обычно формальным языкам противопоставляются естественные, такие как французский и английский, в которых грамматические правила не являются жесткими. Утверждение, что логика является исчислением с определенными синтаксическими правилами логического вывода, означает, что влияние одних членов выражения на другие зависит только от формы выражения в данном языке и ни коим образом не зависит от каких-либо посторонних идей или интуитивных предположений.
Под автоматическим формированием суждений (automated reasoning) понимается поведение некоторой компьютерной программы, которая строит логический вывод на основании определенных законов. Так, нельзя отнести к классу программ автоматического формирования суждений программу, которая моделирует подбрасывание монетки, чтобы определить, следует ли одна формула из набора других. (В литературе также часто встречается термин автоматическая дедукция (automated deduction), равнозначный по смыслу термину автоматическое формирование суждений.)
При реализации автоматического формирования суждений, как правило, стремятся к максимально возможному единообразию и стандартизации в представлении формул, но в то же время в литературе часто приходится сталкиваться с самыми разнообразными системами обозначений, относящихся к логике. Основными синтаксическими схемами представления выражений являются конъюнктивная нормальная форма (conjunctive normal form— CNF), полная фразовая форма (full clausal form) и фраза Хорна (Horn clause), последняя является подмножеством полной фразовой формы. Далее мы увидим, что эти формы представления значительно упрощают процедуру логического вывода, но сначала рассмотрим некоторые вопросы исчисления высказываний и предикатов.
Исчисление высказываний
Исчисление высказываний представляет собой логику неанализируемых предположений, в которой пропозициональные константы могут рассматриваться как представляющие определенные простые выражения вроде "Сократ — мужчина" и "Сократ смертен". Строчные литеры р, q, r,... в дальнейшем будут использоваться для обозначения пропозициональных констант, которые иногда называют атомарными формулами, или атомами.
Ниже приведены все синтаксические правила, которые используются для конструирования правильно построенных формул (ППФ) в исчислении высказываний.
(S. U) ЕслиU является атомом, то у является ППФ.
(S) Если U является ППФ, то —U также является ППФ.
(S. v) Если U и ф являются ППФ, то (U u ф) также является ППФ.
В этих правилах строчные буквы греческого алфавита (например, U и ф) представляют пропозициональные переменные, т.е. не атомарные формулы, а любое простое или составное высказывание. Пропозициональные константы являются частью языка высказываний, который используется для приложения исчисления пропозициональных переменных к конкретной проблеме.
Выражение -U читается как "не U ", а (U v ф) читается как дизъюнкция "U или ф (или оба)". Можно ввести другие логические константы — "л" (конъюнкция), "D" (импликация, или обусловленность), "=" (эквивалентность, или равнозначность), которые, по существу, являются сокращениями комбинации трех приведенных выше констант..
(U ^ ф) Эквивалентно(U v ф). Читается "U и ф".
(U 
ф) Эквивалентно (U v ф). Читается "U имплицирует ф".
(U==ф) Эквивалентно (U ф)^(ф U). Читается "U эквивалентно ф".
В конъюнктивной нормальной форме исчисления высказываний константы "импликация" и "эквивалентность" заменяются константами "отрицание" и "дизъюнкция", а затем отрицание сложного выражения раскрывается с помощью формул Де Моргана:
(U^ф) преобразуется в (Uvф), (U v ф) преобразуется в (-U^ф), U преобразуется в U.
Последний этап преобразований — внесение дизъюнкций внутрь скобок: (£ v (U ^ф))) заменяется ((£vU\(U)^(£vф)).
Принято сокращать вложенность скобочных форм, отбрасывая в нормальной конъюнктивной форме знаки операций v и л. Ниже представлен пример преобразования выражения, содержащего импликацию двух скобочных форм, в нормальную конъюнктивную форму.
(pvq) (-p^A-q) Исходное выражение.
(pvg)v(-p^- q) Исключение~.
(pvq)v(-p^- q) Ввод - внутрь скобок.
(pv(pvq))v(pv(pvq)) Занесение v внутрь скобок.
{{-p, р, q}, {q, р, q} } Отбрасывание А и v в конъюнктивной нормальной форме.
Выражения во внутренних скобках — это либо атомарные формулы, либо негативные атомарные формулы. Выражения такого типа называются литералами, причем с точки зрения формальной логики порядок литералов не имеет значения. Следовательно, для представления множества литералов — фразы — можно позаимствовать из теории множеств фигурные скобки. Литералы в одной и той же фразе неявно объединяются дизъюнкцией, а фразы, заключенные в фигурные скобки, неявно объединяются конъюнкцией.
Фразовая форма очень похожа на конъюнктивную нормальную форму, за исключением того, что позитивные и негативные литералы в каждой дизъюнкции группируются вместе по разные стороны от символа стрелки, а затем символ отрицания отбрасывается. Например, приведенное выше выражение
преобразуется в две фразы:
p,q<q.
в которых позитивные литералы сгруппированы слева от знака стрелки, а негативные справа.
Более строго, фраза представляет собой выражение вида
в котором p1..., рт q1,..., qn являются атомарными формулами, причем т=>0 и п=>0. Атомы в множестве р1,..., рт представляют заключения, объединенные операторами дизъюнкции, а атомы в множестве q1 ..., qn — условия, объединенные операторами конъюнкции.
Фразы Хорна (Horn clause) представляют собой подмножество фраз, содержащих только один позитивный литерал. В общем виде фраза Хорна представляется выражением
В языке PROLOG эта же фраза записывается в таком виде (обратите внимание на символ точки в конце):
р:- q1,...,qn. Такая фраза интерпретируется следующим образом:
Для всех значений переменных в фразе p истинно, если истинны q1 и... и qn", т.е. пара символов ":-" читается как "если", а запятые читаются как "и".
PROLOG — это не совсем обычный язык программирования, в котором программа состоит в основном из логических формул, а процесс выполнения программы представляет собой доказательство теоремы определенного вида.
Фраза в форме
р:- q1,...,qn.
может рассматриваться в качестве процедуры.
Такая процедура предполагает следующий порядок выполнения операций.
Литерал цели сопоставляется с литералом р (унифицируется с р), который называется головой фразы.
Хвост фразы ql,...,qn конкретизируется подстановкой значений переменных (или унификаторов), сформированных в результате этого сопоставления.
Конкретизированные термы хвостовой части образуют затем множество подцелей, которые могут быть использованы другими процедурами.
Таким образом, сопоставление (или унификация) играет ту же роль, что и передача параметров функции в других, более привычных языках программирования.
Например, рассмотрим набор фраз языка PROLOG, представленных в листинге 1.
Предположим, что a, b и с — какие-то блоки в мире блоков. Две первые фразы утверждают, что а находится на (on) b, a b находится на (on) с. Третья фраза утверждает, что X находится выше (above) Y, если X находится на (on) Y. Четвертая фраза утверждает, что X находится выше (above) Y, если существует какой-то другой блок Z, размещенный на (on) Y, и X находится выше (above) Y.
Листинг 1. Простая программа на языке PROLOG, определяющая отношение on (на)
on(а, b).
on(b, с).
above(X, Y):- on(X, Y).
above(X, Y):- on(Z, Y),
above(X, Z).
Очевидно, что от программы требуется вывести цель above (а, с) из этого множества фраз. Можно сказать, что процесс формулировки выражения цели включает обработку двух процедур above и использование двух фраз on.
Опровержение резолюций
В языке PROLOG используется "интерпретация фраз Хорна для решения проблем" (см. [Kowalski, 1979, р. 88-89]). Фундаментальный метод доказательства теорем, на котором базируется PROLOG, называется опровержением резолюций (resolution refutation). Полное описание этого метода читатель найдет в книге Робинсона [Robinson, 1979], а в этом разделе мы попытаемся кратко изложить только основные идеи.
Ранее я уже вскользь упоминал о том, что мы стараемся упростить синтаксис исчисления таким образом, чтобы уменьшить количество правил влияния, необходимое для доказательства теорем. Вместо дюжины.или более правил, которые используются при доказательстве теорем вручную, системы автоматического доказательства для фразовых форм используют единственное правило вывода — принцип резолюций, — впервые описанное Робинсоном ([Robinson, 1965]).
Рассмотрим следующий пример из исчисления высказываний. В дальнейшем прописными буквами Р, Q, R,... будут обозначаться отдельные фразы, а строчными греческими U, ф и £ — пропозициональные переменные, как и раньше.
Если U и ф представляют две произвольные фразы, которые можно представить в конъюнктивной нормальной форме, и
U={ U1,..., Ui,...., Um},
и
ф= {ф1..., фi.....,фn}, и
Ui, = фi при 1[i[m m,1 [j [ n,
то новую фразу £ можно вывести из объединения U' и ф', где
U' = U{ Ui} и ф' = ф{ф,}.
Фраза £ = U' и ф' называется резольвентой шага резолюции, а U и ф являются родительскими фразами. Иногда говорят, что U и ф "сталкиваются" на паре дополняющих литералов Ui, и фj.
Мощность резолюции обеспечивается тем, что в ней суммируется множество других правил. Это станет очевидно после того, как обычные правила будут представлены в конъюнктивной нормальной форме.
В левой колонке табл. 1 перечислены наименования правил вывода, в средней показано, как они выглядят в обычных обозначениях, а в правой колонке — во фразовой форме. В каждой записи выражения в верхней части представляют схему предпосылок, а выражения в нижней части — схему заключений. Из этой таблицы видно, что каждое из цитированных выше пяти правил является одним из экземпляров резолюции!
Таблица 1. Обобщение резолюции
| Правило вывода | Обычная форма | Конъюнктивная нормальная форма | ||
| Modus ponens | (U ф,U)/Ф
| {U,Ф},{U}/{ф} | ||
| Modus fallens | (U ф.ф)/-U
| {U,ф},{-,ф}/{-U} | ||
| Сцепление | (U ф,ф £)(U £)
| {U,ф},{ф,£}/{U,£} | ||
| Слияние | (U ф,U ф)/ф
| {U,ф},{U,ф}/{ф} | ||
| Reductio | (U,U)/ | | {U},{U}/{} |
Обратите внимание на то, что противоречие в правиле, которое обычно обозначается значком 1, дает в результате пустую фразу— {}. Это означает, что предпосылки несовместимы. Если считать, что предпосылки описывают некоторое состояние предметной области, то такой набор предпосылок не может быть реально обеспечен в ней, т.е. такое состояние невозможно.
Главное, что нужно вынести из всего сказанного выше, что компонент автоматического доказательства теорем, который является основным компонентом большинства систем искусственного интеллекта и, в частности, языков программирования искусственного интеллекта, таких как PROLOG, является системой, опровержения резолюций. Для того чтобы доказать, что р следует из некоторого описания состояния (или теории) Т, нужно положить —р и попытаться доказать, что из этого предположения следует утверждение, противоречащее Т. Если это удастся сделать, то тем самым подтверждается утверждение р, а в противном случае оно опровергается.
В исчислении предикатов использование резолюций требует дополнительных усилий, поскольку в этом исчислении присутствуют переменные. Основная операция сопоставления в доказательстве теорем с помощью резолюций называется унификацией (подробное описание используемого при этом алгоритма читатель найдет, например, в работе Нильсона [Nilsson, 1980]). При сопоставлении дополняющих литералов отыскивается такая подстановка переменных, которая превращает оба выражения в идентичные.
Например, выражения БЕЖИТ_БЫСТРЕЕ_ЧЕМ (Х, улитка) и БЕЖИТ_БЫСТРЕЕ _ЧЕМ (черепаха, Y) превращаются в идентичные при подстановке {Х/черепаха, Y/улитка}. Такая подстановка называется унификатором. Наша цель — отыскать наиболее общую подстановку такого рода.