Methoden wissensbasierter Sy steme

Transkript

1 Christoph Beierle Gabriele Kern-lsberner Methoden wissensbasierter Sy steme Grundlagen, Algorithmen, Anwendungen 4., verbesserte Auflage Mit 147 Abbildungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Xlll Vorwort zur 1. Auflage Vorwort zur 3., iiberarbeiteten und erweiterten Auflage Vorwort zur 4. Auflage vii ix xi xiii 1 Einleiturxg Uber dieses Buch Themenbereiche des Buches 2 2 Wissensbasierte Systeme im Uberblick Beispicle fur wissensbasierte Systeme Geldabheben am Automaten Medizinischc Diagnose Wissensbasierte Systeme und Expertensysteme Eigenschaften von Experten und Expertensystemen Zur Geschichte wissensbasierter Systeme Das medizinischc Diagnosesystem MYCIN Aufbau und Entwicklung wissensbasierter Systeme Architektur eines wissensbasierten Systems Entwicklung eines wissensbasierten Systems 19 3 Logikbasierte Wissensreprasentation und Inferenz Formen der Inferenz Menschlich&s Schliefien und Inferenz Charaktorisierung der Inferenzrelation nach Peirce Deduktives SchlieBen Unsicheres Schliefien Logische Systeme Signaturen Formeln Interpret at ionen Erfiillungsrelation Eigenschaften klassisch-logischer Systeme Erfiillungsrelation und Wahrheitsfunktionalitat Modelle und logische Folgerung Inferenzregeln und Kalkiile Korrektheit und Vollstandigkeit von Kalkiilen Logisches Folgern durch Widerspruch Entscheidbarkeitsresultate Logische Grundlagen: Aussagenlogik Syntax 42

3 Inhalt sver zeichnis Semantik Aquivalenzen und Normalformen Wahrheitstafeln und Ableitungen in der Aussagenlogik Logische Grundlagen: Pradikatenlogik 1. Stufe Signaturen und Interpretationen Terme und Termauswertung Formeln und Formelauswertung Aquivalenzen Ableitungen in der Pradikatenlogik 1. Stufe Normalformen Unifikation Der Resolutionskalkiil Erweiterungen Wie kommt der Delphin in den Karpfenteich? 69 4 Regelbasierte Systeme Was sind Regeln? Die Wissensbasis eines regelbasierten Systems Inferenz in einem regelbasierten System Regelnetzwerke Datengetriebene Inferenz (Vorwartsverkettung) Zielorientierte Inferenz (Ruckwartsverkettung) Das Problem der Widerspruchlichkeit Die Erklarungskomponente Signalsteuerung im Eisenbahnverkehr durch Regeln MYCIN - ein verallgemeinertes regelbasiertes System Modularitat und Effizienz regelbasierter Systeme Ausblick 97 5 Maschinelles Lernen Definition des Lernens Klassifikation der Ansatze zum maschinellen Lernen Klassifikation gemafi der benutzten Lernstrategie Klassifikation gemafi dem geiernten Typ von Wissen Klassifikation gemafi dem Anwendungsbereich Erlernen von Entscheidungsbaumen Entscheidungsbaume Erzeugung von Regeln aus Entscheidungsbaumen Generieren von Entscheidungsbaumen Bewertung des Lernerfolges und Anwendungen Die induktiven Lernverfahren ID3 und C Lernen von Konzepten Eine Konzeptlernaufgabe Allgemeine Problemstellung Representation von Beispielen und Konzepten Lernen von Konzepten als Suchproblem 125

4 5.4.5 Versionenraume Das Versionenraum-Lernverfahren Anwendungsbeispiel Eigenschaften des Versionenraum-Lernverfahrens Konzeptlemen mit Merkmalsbauinen Data Mining und Wissensfindung in Daten KDD - Knowledge Discovery in Databases Der KDD-Prozess Data Mining Assoziationsregeln Warenkorbanalyse 152 Fallbasiertes Schliefien Motivation Ein Beispiel Fallbasiertes SchlieBen und CBR-Systeme Grundziige des fallbasierten Schliefiens CBR-Systeme Anwendungsgebiete des fallbasierten Schliefiens Fallbasiertes SchlieBen im Vergleich mit anderen Methoden Die Grundtypen fallbasierten Schliefiens Der Prozess des fallbasierten Schliefiens Der CBR-Zyklus Die Prozesse im Einzelnen Die Reprasentation von Fallen Die Komponenten eines Falles Problem- und Situationsbeschreibung Die Reprasentation von Losungen Das Resultat eines Falles Methoden der Fallreprasentation Die Indizierung von Fallen Das Indexvokabular Die Kennzeichnung eines Falles durch Indizes Suche nach geeigneten Fallen Organisationsformen der Fallbasis Die Bestimmung der Ahnlichkeit Die Hamming-Ahnlichkeit Die gewichtete Hamming-Ahnlichkeit Verallgemeinerte Ahnlirhkeiten Beispiel: Ahnlirhkoitrn im PATDEX/2 - System Andere Ahnlichkoitsbestiinmungen Adaption Submit utionsmethodon 2i) Andcre Adaptionsmcthoden Wie ein fallbasiertes System lernt Einige abschlieficnde Bemcrkungen 201

5 xvi 7 Truth Maintenance-Systeme Die Rolle des nichtmonotonen Schliefiens in der KI Monotone vs. nichtmonotone Logik Truth Maintenance-Systeme Justification-based Truth Maintenance-Systeme - JTMS In's und Out's - die Grundbegriffe eines JTMS Der JTMS-Algorithms Anwendungsbeispiele Die JTMS-Inferenzrelation Assumption-based Truth Maintenance-Systeme - ATMS Grundbegriffe Arbeitsweise eines ATMS Verschiedene TMS im Vergleich Ausblicke Default-Logiken Default-Logik nach Reiter Aussehen und Bedeutung eines Defaults Die Syntax der Default-Logik Die Semantik der Default-Logik Ein operationaler Zugang zu Extensionen Prozessbaume., Berechnung von Prozessbaumen Eigenschaften der Reiter'schen Default-Logik Normale Defaults Die Poole'sche Default-Logik Nichtmonotone Inferenzrelationen fur Default-Logiken Probleme und Alternativen Logisches Programmieren und Anwortmengen Klassische logische Programme Anfragen und Antwortsubstitutionen Resolution von Hornklauseln SLD-Ableitungen Berechnete Antwortsubstitutionen Suchraum bei der SLD-Resolution Fixpunktsemantik logischer Programme Erweiterte logische Programme Die stabile Semantik normaler logischer Programme Die Ant wort mengen-semantik erweiterter logischer Programme Stabile Semantik und Antwortmengensemantik Truth Maintenance-Systeme und Default-Theorien Erweiterungen der Antwortmengensemantik Implement at ionen und Anwendungen Kriterien zur Beurteilung nichtmonotoner Inferenzoperationen Riickblick 305

6 XV11 10 Aktionen und Planen Planen in der Blockwelt Logische Grundlagen des Planens Der Situationskalkul Aktionen Situationen Veranderungen zwischen Situationen Ausfiihrungsbedingungen und Effektaxiome Zielbeschreibungen Probleme Das Rahmenproblem Das Qualifikationsproblem Das Verzweigungsproblem Plangenerierung im Situationskalkul Planen mit STRIPS Zustande und Zielbeschreibungen STRIPS-Operatoren Planen mit Vorw&rtssuche Planen mit Riickwartssuche Behandlung des Rahmenproblems in STRIPS Nichtklassische Planungssysteme Planen mit Antwortraengen Systeme zur Berechnung von Antwortmengen Planen mit SMODELS Behandlung des Rahmenproblems Ausblick und Anwendungen Agenten Das Konzept des Agenten Abstrakte Agentenmodelle Umgebungen. Aktionen und Laufe einps Agenten Wahrnehmungen Innerer Zustand Aufgabe und Erfolg eines Agenten Reaktive Agenten und Schichtenarchitekturen Logikbasierte Agenten 3o Belief-Desire-Intention-(BDI)-Agenten Praktisches Dcnkcu BDI-Architektur Procedural Reasoning System (PRS) Mult iagentensyst erne 3(>.S 12 Quantitative Methoden I - Probabilistische Netzwerke Ungcrichtetc Graphen Markov-Netze 3(>(i Separation in Grapiien und probabiiistische I'nahhangigkeit..'W(> Markov-Eigenschaftcn und Mnrkov-Giaphon 370

7 xviii Konstruktion von Markov-Graphen Potential-und Produktdarstellungen Gerichtete Graphen - Bayessche Netze Inferenz in probabilistischen Netzen Bayes-Netze und Potentialdarstellungen Der permanente Cliquenbaum als Wissensbasis Der Algorithmus von Lauritzen und Spiegelhalter Beriicksichtigung fallspezifischer Daten Bayessche Netzwerke in praktischen Anwendungen Erlernen Bayesscher isetze aus Daten Probabilistische Inferenz unter informationstheoretischen Aspekten4Q Weitere Anwendungen Proteinklassifikation mittels Hidden Markov Models (HMM) Herzerkrankungen bei Neugeborenen Suchterkrankungen und psychische Storungen Quantitative Methoden II - Dempster-Shafer-Theorie, Fuzzy- Theorie und Possibilistik Verallgemeinerte Wahrscheinlichkeitstheorie Die Dempster-Shafer-Theorie Basismafle und Glaubensfunktionen Dempsters Kombinationsregel Sensorenauswertung in der mobilen Robotik mittels Dempster-Shafer-Theorie Fuzzy-Theorie und Possibilistik Fuzzy-Theorie Possibilitatstheorie Expertensysteme mit Fuzzy-Regeln 433 A Wahrscheinlichkeit und Information 437 A.I Die Wahrscheinlichkeit von Formeln 437 A.2 Randverteilungen 442 A.3 Bedingte Wahrscheinlichkeiten 443 A.4 Der Satz von Bayes 445 A.5 Mehrwertige Aussagenvariable 447 A.6 Abhangigkeiten und Unabhangigkeiten 449 A.7 Der Begriff der Information. 453 A.8 Entropie 454 B Graphentheoretische Grundlagen 458 B.I Graphen und Cliquen 458 B.2 Triangulierte Graphen 462 B-3 Die running intersection property RIP 468 B.4 Hypergraphen 470 Literaturverzeichnis 473 Index 485