Основные формы представления знаний в ИИ

Искусственный интеллект решает фундаментальную задачу: на основе разрозненных экспериментальных данных установить общие зависимости, а в идеале — найти наиболее простые законы, управляющие наблюдаемыми явлениями. Эти законы затем используются для преобразования доступных ресурсов в недостающий результат, извлечения пользы, обеспечения безопасности и повышения эффективности человеческих усилий.

В сложных технических системах, создаваемых для достижения многоплановых целей, элементарные законы выстраиваются в цепочки, образуя многосоставные зависимости выходных величин от входных. Конечная цель всего этого процесса — снижение рисков для человека и общества. Чем точнее выявлен закон, тем точнее принятое на его основе решение и тем меньше вероятность неудачи.

Искусственный интеллект превращает данные в модели — это его главная трансформационная функция.

При визуализации элементарные понятия предметного мира (признаки) представляются осями координат, данные (конкретные факты) — положением точек в системе координат, а законы — фигурами в этой системе. Области могут образовывать ещё более сложные понятия и абстракции. Для описания реальных систем, характеризующихся множеством признаков, используют многомерное пространство признаков. Экспериментальные данные — это множество точек в таком пространстве. Модели представляются областями и их границами. Наличие сложных связей в системе выражается нелинейностью этих границ.

Как извлекать знания?

Современный инструментарий ИИ включает четыре основных группы методов:

Регрессионные модели — заменяют множество точек (фактов, данных) на средние линии (тренды), зависимости и уравнения, описывающие поведение данных в целом.

Методы кластеризации — выделяют области из точек, расположенных более плотно относительно остального пространства, разбивают данные на кластеры и определяют их границы.

Методы классификации — обозначают базовые понятия мышления, определяют оси координат, отбирают наиболее независимые друг от друга признаки и формируют определения сущностей и явлений.

Методы выявления ассоциаций — устанавливают причинно-следственные отношения между фактами и строят цепочки «причина → следствие».

Средние линии, области и их границы — это и есть знания, которые ИИ добывает из данных.

Разные методы ИИ дают схожие результаты на одних и тех же данных, но различными способами. Основные различия между методами заключаются в точности результатов и быстродействии при работе с большими объёмами данных и сложными зависимостями. Геометрический образ модели в пространстве осей координат характеризуется расстояниями, площадями, объёмами и углами образуемых ею фигур.

Учёные и инженеры вместе

Естественный мир чрезвычайно сложен, безграничен и бесконечен. Учёные постигают эту сложность, разбивая её на простые составляющие — элементы. Этот процесс называется анализом, а его результатом становятся открытия. Элементарное всегда опирается на простые законы.

Законы не могут существовать хаотично. Поскольку в мире всё взаимосвязано, законы вынуждены соотноситься друг с другом. По мере усложнения организации мира законы тоже усложняются. Критически важно представить все эти законы в единой системе. Такая система начинается с поиска элементарных законов, которые в своей совокупности:

• полны (описывают всё необходимое множество явлений);
• независимы друг от друга (не выводимы один из другого);
• минимальны (не содержат лишних элементов);
• достаточны (позволяют описывать более сложные системы).

Такая система называется базисом.

Сборка через анализ и синтез

Следующий шаг после построения базиса — сборка полученных элементов путём их связывания в сложные системы. Процесс образования сложного из простого называют синтезом.

На столе инженера можно увидеть проволочки, колёсики, стёклышки, кнопки, шурупы, шарики, шестерёнки. По отдельности ничто из этого не летает. Но если правильно связать все эти элементы в единую конструкцию, мы получим систему «самолёт» с новым свойством «летать».

Система — это элементы, связанные между собой, проявляющие в своём единстве новые свойства, не достижимые у каждого из них в отдельности.

Инженер создаёт сложные системы, связывая элементы, предоставленные учёными. Он делает искусственное сложное из простого. Цель инженерной деятельности — удовлетворять потребности общества, увеличивать его КПД, усиливать способности людей и снижать риски за счёт сохранения и развития систем. Задача инженера — регулировать, организовывать материю и управлять ею. Средством преобразования вещества служат энергетические воздействия, извлекаемые из природы и направляемые информационными потоками.

Поскольку в природе есть всё необходимое, но не в удобной для нас форме, учёные и инженеры совместно преобразуют окружающий мир. Они превращают естественные сложные системы (деревья, горы, реки) в искусственные (одежда, дома, электростанции) через операции разборки и сборки. Учёные разрывают связи для упрощения понимания — разбивают мир на элементы. Инженеры связывают эти элементы в новых комбинациях для достижения ранее недосягаемых целей.

Связи, элементы, свойства

Рассмотрим цепочку: «зелёное, сладкое, маленькое, сочное». В вашей голове почти наверняка возникло слово «яблоко». Как это произошло?

После слова «зелёное» вы могли представить зелёное платье, арбуз, капусту, траву или яблоко. После слова «сладкое» — сахар, конфету, арбуз, торт или яблоко. Пересечение этих множеств сузило область до «арбуз и яблоко». Свойство «маленькое» позволило сделать выбор окончательным: яблоко.

Свойства образуют элементы.

Таким образом, отдельные свойства, собираясь вместе, формируют целостный элемент — объект или сущность.

Признаки, классы, отношения

Признак — это объединение возможных свойств. Например, цвет может быть зелёным, красным, розовым, синим и т. д. Свойства образуют признаки.

Признак — обобщение свойств.

Свойство — это конкретное значение признака. Свойства нужны нам, чтобы уловить различия объектов, а признаки — чтобы понимать их сходство. Точно так же, как свойства образуют признаки, элементы образуют классы. Например, «Птицы» — общее название класса, в который входят журавли, гуси, орлы и синицы. Класс — это то, что обладает определёнными признаками и свойствами.

Класс — обобщение элементов.

Поскольку сущность не может занимать место, уже занятое другой сущностью, они должны информировать друг друга: «Я здесь, это место занято». Сущности взаимодействуют через однородные поля — проявления свойств, интенсивность которых убывает или нарастает с увеличением расстояния.

Возникнув, сущности начинают взаимодействовать. Например, планеты притягиваются друг к другу.

Сущности порождают связи.

Связь выражается действием, поскольку связывает причину и следствие. На осуществление действия требуются энергия и время. В языке связи чаще всего выражаются глаголами.

Обобщением связей являются отношения.

Между элементами множества могут существовать, например, отношения порядка. Так, между натуральными числами существует отношение порядка, поскольку выполняются свойства:

• рефлексивность — для любого x выполняется x ≤ x;
• антисимметричность — если a ≥ b и b ≥ a, то a = b;
• транзитивность — если a ≥ b и b ≥ c, то a ≥ c.

Новые свойства системы

Наблюдается фундаментальная триада: «свойства — элементы — связи». Свойства порождают элементы, элементы порождают связи. А элементы, связанные между собой, образуют систему, которая проявляет новые эмерджентные свойства, не присущие ни одному из входящих в неё элементов в отдельности.

Например, две притянувшиеся друг к другу планеты, вращаясь вокруг общего центра масс, позволяют наблюдать новое свойство — «восход второй планеты над горизонтом первой».

В мире после появления систем возникают новые свойства, которые полагают начало новой триаде на следующем уровне организации. Развиваясь, природа последовательно усложняет свою организацию:

• кварки → элементарные частицы → атомы → молекулы → кристаллы → планеты → планетарные системы → галактики →...

Этот процесс демонстрирует, как из простого на одном уровне возникает сложное на следующем.

Пример. Самолёты в своём множестве проявляют качественное разнообразие: транспортные, пассажирские, санитарные — это классы. Самолёты в своём количестве проявляют сложность организации: звенья, эскадрильи, отряды — это уровни организации.

Определения

• Модель — формализованное описание связей между величинами, представленное в виде уравнений, графиков, областей и границ в многомерном пространстве признаков.
• Регрессия — метод построения зависимостей, заменяющих множество экспериментальных точек на среднюю линию (тренд) и её уравнение.
• Кластеризация — метод выделения плотных скоплений точек в пространстве признаков для разбиения данных на однородные группы.
• Классификация — метод отнесения объектов к заранее определённым классам на основе их признаков.
• Ассоциация — статистически значимая связь между событиями или признаками, позволяющая строить причинно-следственные цепочки.
• Анализ — процесс разбиения сложного целого на простые составляющие элементы с целью изучения их свойств.
• Синтез — процесс объединения простых элементов в сложные системы с новыми свойствами.
• Базис — минимальная и достаточная совокупность элементарных законов, полная и независимая, позволяющая описывать все явления данной предметной области.
• Система — совокупность элементов, связанных между собой и проявляющих эмерджентные (новые) свойства, отсутствующие у отдельных компонентов.
• Признак — обобщённая характеристика объекта, принимающая различные значения (свойства).
• Класс — множество элементов, обладающих общими признаками и свойствами.
• Отношение — обобщённая форма связи между элементами множества (например, порядок, эквивалентность, включение).
• Эмерджентность — возникновение у системы новых свойств, не присущих её отдельным элементам.

Факты

• Искусственный интеллект оперирует четырьмя основными типами моделей: регрессионными, кластерными, классификационными и ассоциативными.
• В многомерном пространстве признаков данные — это точки, модели — это области и их границы.
• Сложность модели определяется нелинейностью границ областей в пространстве признаков.
• Разные методы ИИ дают сходные результаты, но различаются по точности и быстродействию.
• Анализ (разборка) — метод учёных, синтез (сборка) — метод инженеров.
• Учёные открывают законы, инженеры создают системы на основе этих законов.
• Природа развивается по принципу «от простого к сложному» через последовательные уровни организации материи.
• Фундаментальная триада организации: свойства → элементы → связи.
• Связи между элементами требуют энергии и времени для своего осуществления.
• В языке свойства выражаются прилагательными, элементы — существительными, связи — глаголами.
• Системы характеризуются двумя аспектами: качественным разнообразием (классы) и количественной сложностью (уровни организации).
• Базис должен обладать четырьмя свойствами: полнотой, независимостью, минимальностью и достаточностью.

Материал создан по материалам учебника «Основы искусственного интеллекта» для 10-11 классов. Автор: О. И. Мухин. Специализация: Учебное пособие для технологического профиля. Издатель: Москва «Просвещение» 2026.