Bài giảng Cơ sở dữ liệu nâng cao - Chương 3: Cơ sở dữ liệu suy diễn - Đỗ Thanh Nghị

Cơ sở dữ liệu nâng cao
Cơ sở dữ liệu suy diễn
Đỗ Thanh Nghị, Phạm Nguyên Khang 
1
[email protected]
Cần Thơ
11-10-2016
HQTCSDL suy diễn
 Mục tiêu
 Giới thiệu các khái niệm CSDL suy diễn
 Giới thiệu sử dụng logic
 Tìm hiểu vấn đề hình thức hóa và đánh giá các câu truy 
vấn đệ quy
2
 Tìm hiểu các tiếp cận cài đặt
Tài liệu tham khảo
[Ramakrishnan, 1997] 
Ramakrishnan, R. (1997)
Database Management Systems
Mc Graw Hill
chapitre 20
3
[Bidoit, 1992] 
Bidoit, N. (1992)
Bases de données déductives: présentation de Datalog
Armand Colin
Động lực
 Tích hợp các chức năng của HQTCSDL và 
hệ chuyên gia
 Lưu trữ 
 Tìm kiếm
Suy diễn
4

 Cung cấp một hệ thống hoàn chỉnh hỗ trợ 
việc phát triển ứng dụng và cho phép điều 
khiển dữ liệu
Các chức năng
 Cho phép biểu diễn tri thức
 Ngôn ngữ biểu diễn tri thức
 Tri thức cơ bản (đối tượng hoặc sự kiện)
 Mối quan hệ giữa các đối tượng
Suy diễn thông tin mới từ:
5

 dữ liệu trong CSDL
 các luật mô hình hóa tri thức
Các chức năng
 Đảm bảo thực thi hiệu quả quá trình suy 
diễn
 Lưu trữ luật
 Tối ưu hóa chương trình luật
Điều khiển thực thi
6

Ví dụ
 CSDL mô tả mối quan hệ huyết thống
 Quan hệ PARENT (cha, con)
 Quan hệ ANCETRE (tổ tiên, hậu duệ)
 Câu hỏi của người dùng có dạng:
7
 Tìm các hậu duệ của Jean
 Tìm các tổ tiên của Paul
 Cần định nghĩa
 làm thế nào để có được hậu duệ và tổ tiên
 và làm thế nào chúng ta có thể suy diễn được từ dữ liệu 
của CSDL
NẾU PARENT(X,Y) VÀ PARENT(Y,Z)
THÌ ANCETRE(X,Z)
Vấn đề cần giải quyết
 Định nghĩa tri thức
 Ngôn ngữ luật (rules)
 Ngôn ngữ khung (frames)
 Ngôn ngữ kịch bản (scripts)
 Vấn đề biểu diễn tri thức trong trí tuệ nhân tạo
8
 Chiến lược suy diễn
 Suy diễn tiến
 Suy diễn lùi
 Suy diễn kết hợp tiến và lùi
 Điều khiển thực thi
 Phân tầng chương trình
 Tương hợp các luật
Tri thức
 Định nghĩa tri thức
 Thông tin tổng quát
Ví dụ : Các loại bằng cấp khác nhau
 Tri thức riêng của một lĩnh vực
Ví dụ: Ở Bắc Mỹ, bachelor là một bằng cấp ở bậc đại học
9
 Chiến lược suy luận
Ví dụ: Nếu một sinh viên học ở Québec và anh ta có bằng 
bachelor thì anh ta có bằng đại học
Biểu diễn tri thức
 Biểu diễn tri thức
 Sử dụng trừu tượng hóa: các khái niệm
 Công cụ biểu diễn tri thức
 Tổ chức tri thức
Ngôn ngữ hình thức
10

 Định nghĩa và sử dụng ngôn ngữ hình thức để biểu diễn 
tất cả các loại tri thức
logic
Ngôn ngữ luật
Ngôn ngữ đối tượng
Sử dụng tri thức
 Sử dụng tri thức
 Tìm kiếm
Tri thức được lưu trữ đâu đó, ta phải tìm kiếm được các 
kết quả tiềm năng
 Đạt được
11
Cần phải đạt được tri thức mới
 Suy luận
Suy luận thông tin mới từ thông tin đang có
Logic
Sử dụng logic
 Logic bậc 1
 Ngôn ngữ hình thức cho phép biểu diễn
đối tượng
quan hệ giữa các đối tượng
 được định nghĩa bởi
13
tập từ vựng
văn phạm
 Cho phép chúng ta 
xây dựng công thức
diễn dịch công thức
Logic bậc 1
 Ký hiệu
 Biến: x, y, z
 Hằng: a, b, c
 Vị từ: P, Q, R, theo sau là các đối số được đặt trong cặp 
dấu ngoặc ()
14
 Phép toán logic:   
 Hàm : f, g, h theo sau là các đối số được đặt trong cặp 
dấu ngoặc ()
 Lượng tử:
Logic bậc 1
 Văn phạm cho phép xây dựng công thức
 Mục (term): được định nghĩa đệ quy
Hằng: "Paul"
Biến: x
Áp dụng hàm: f(x); f(g(y))
15
 Luật nguyên tử
Nếu t1, t2, tn là các mục (vd: "Paul"; x)
Thì P(t1, t2, tn) là một luật nguyên tử (vd: P("Paul", x))
Logic bậc 1
 Biểu thức
- Nếu F1, F2 là biểu thức
thì F1 F2, F1 F2, F1 F2 và F1 là biểu thức
và x F1, x F2 cũng là biểu thức
16
Thông dịch công thức
 Thông dịch công thức của logic bậc 1
 kết hợp một giá trị luận lý (đúng, sai) vào một công thức
 Cần định nghĩa
 Lĩnh vực đang nói đến D
17
Biến và hằng
 Quan hệ giữa các đối tượng trong lĩnh vực D
Vị từ
 Hàm Dn D
Kí hiệu hàm
Thông dịch công thức
 Thông dịch công thức :
 F1 F2 F1 F2
 F1 F2 F1
 x F1 x F2 
18
Ví dụ
 Những người chơi tennis đều là người 
thích thể thao
 x Person (x) Play ( tennis, x) Sportive(x) 
 Paul là người
19
Person(Paul)
 Nếu người x đặt hàng món hàng y thì y là 
một sản phẩm
 x ( y (Command (x, y) (Product(y))
 Tổ tiên của Paul là ai ?
Ancetres (x, Paul) ?
CSDL logic
CSDL và logic
 Các việc cần phải làm với CSDL suy diễn
 Hiểu CSDL thông qua logic
 Sử dụng logic để định nghĩa (hoặc định nghĩa lại) các 
phép toán đại số quan hệ
 Sử dụng logic để định nghĩa cơ chế suy diễn
21
 Sử dụng logic trong CSDL hướng đối tượng
 Sử dụng logic trong CSDL
 Sử dụng logic vị từ
 Định nghĩa phép tính quan hệ giữa các mẫu tin
 Giới thiệu câu truy vấn đệ quy
CSDL suy diễn
 CSDL ngoại diên
 tương ứng với tập sự kiện đang có
 được xây dựng từ nội dung của CSDL
 trong CSDL quan hệ: tập các quan hệ
CSDL nội hàm
22

 tương ứng với các sự kiện có thể được suy diễn ra
 sự kiện không có sẵn trong CSDL
 tập luật chính là phương tiện để sinh ra các sự kiện mới
Datalog 
 Ngôn ngữ logic
 tương tự như prolog
 dành cho CSDL
 Ngôn ngữ CSDL
23
 DATA và LOGic
 thao tác dữ liệu dựa trên logic
 Khả năng biểu diễn tốt hơn SQL
 Ngôn ngữ cho CSDL suy diễn
 dựa trên kiểu mẫu (prototypes)
 cho phép so sánh khả năng biểu của các ngôn ngữ khác
Datalog
 Tiên đề của 1 CSDL suy diễn
 Tiên đề của CSDL ngoại diên
Parent (Jacques, Olivier)
 Tiên đề của CSDL nội hàm: các biểu thức logic
Parent (x, y)  Ancetre (x,y)
24
 Ngôn ngữ luật
 là ngôn ngữ mô tả
 cho phép thực hiện các thao tác cơ bản trong CSDL:
chọn, chiếu, kết nối, ... 
 cách tiếp cận tương tự như Prolog
Datalog
 Cú pháp của Datalog
 Ngôn ngữ luật cho CSDL
 Mô tả quan hệ suy diễn dựa trên mệnh đề Horn
 Các mệnh đề theo chuẩn Horn :
25
Q  P1 P2  ...  Pn
 biểu thức không chứa lượng tử
 có dạng chuẩn VÀ
 chỉ có 1 biến ở vế trái
 Biến đổi
 Tất cả các biểu thức logic đều có thể được chuyển về
chuẩn Horn
Datalog
 Ví dụ chương trình Datalog
{
parent (jacques, olivier) 
ancetre(x, y)  parent (x, y) 
26
parent (olivier, adrien) 
ancetre (x, z)  ancetre (x, y)  parent (y, z) 
parent (suzanne, jacques) 
parent (olivier, juliette) 
}
Chú ý
 Thứ tự luật trong chương trình không 
quan trọng
 Vế trái: kết luận
 Vế phải: các tiền đề
27
Đại số quan hệ và
DataLog
Diễn đạt các phép toán
 Cho các quan hệ sau:
 Person (NP, LName, FName, City)
 Student (NS, LNameStd, FNameStd, City, Age)
 Inscription (NS, NC, Session, Date)
Hợp (union): trích tên và họ của người 
29

(person) và của sinh viên (Student)
 R(y,z) <== Person (-, y, z, -)
 R(y,z) <== Students (-, y, z, -)
Đại số
 Hiệu: tìm người không phải sinh viên
 R(y,z) <== Person (-, y, z, -) and NOT Student (-, y, z, -)
 Giao: tìm người là sinh viên
 R(y,z) <== Person (-, y, z, -) and Student (-, y, z, -)
30
 Chiếu: tìm tên và họ của sinh viên
 R(y,z) <== Students (-, y, z, -)
Đại số quan hệ và Datalog
 Chọn: tìm mã số (NP) của những người 
sống ở Montréal
 R(x) <== Person (x, -, -, "Montréal")
hoặc:
R(x) <== Person (x, -,-,w) AND w="Montréal »
31

 Kết nối (join): tìm họ và tên của các sinh 
viên có đăng ký học
 R(y,z) <== Student (x, -, -, -) AND Inscription (x,-, -, -)
Chiến lược thực thi
Vấn đề
 Thực thi một chương trình luật
 Sử dụng Datalog để truy vấn CSDL suy diễn
 Thực thi một chương trình luật như thế nào?
 Một số chương trình rất phức tạp
 Sử dụng chiến lược nào?
33
 Cách tiếp cận:
 Suy diễn tiến
 Suy diễn lùi
 Cơ chế điều khiển
Suy diễn tiến
 Nguyên lý:
 Bắt đầu từ dữ liệu để thiết lập câu trả lời
 Tất cả các sự kiện (fact) phải suy diễn đều được suy 
diễn
 Lọc các sự kiện phù hợp với câu truy vấn
34
Suy diễn tiến
 Ví dụ :
 parent (x, adrien)?
 Bước 1 :
 Sinh ra tất cả các tổ tiên bằng cách áp dụng luật lên tất 
cả các sự kiện ban đầu (được khởi tạo trước)
35
 Bước này dừng khi không thể áp dụng được luật nào 
nữa
 Bước 2 :
 Lọc lại để tìm kết quả
Suy diễn tiến
Luật : parent(x, y)  father (x, y) 
parent (x, y)  mother (x, y) 
Câu truy vấn: parent (x, adrien)
Bước 1 : sự kiện kết quả (sự kiện mới)
father (jacques, olivier) parent (jacques, olivier) 
36
father (olivier, adrien) parent (olivier, adrien)
mother (suzanne, jacques) parent (suzanne, jacques)
mother (brigitte, adrien) parent (brigitte, adrien) 
mother (colette, olivier) parent (colette, olivier) 
Etape 2 : lọc
parent (olivier, adrien) 
parent (brigitte, adrien) 
Suy diễn lùi
 Nguyên lý:
 bắt đầu từ câu truy vấn của người dùng
 quay lên các giá trị đã biết của các vị từ thông qua luật 
khi suy diễn lùi
 việc quay lên dừng lại khi ta nhận được các sự kiện đã 
37
được lưu trữ trong CSDL
 nếu các sự kiện đều được tìm thấy trong CSDL, câu trả 
lời cho câu truy vấn là đúng.
 Ưu điểm:
 Ta chỉ tìm các sự kiện phù hợp với câu truy vấn
Suy diễn lùi
Câu truy vấn: ancêtre (x, adrien) ?
luật 1: parent(x, y)  father (x, y) 
luật 2: parent (x, y)  mother (x, y) 
38
Sự kiện phù hợp :
luật 1 : father (x, adrien) ?
kết quả : father (olivier, adrien)
luật 2 : mother (x, adrien) ?
kết quả : mother (brigitte, adrien)
Đánh giá các luật đệ quy
 Luật đệ quy:
 Trong định nghĩa luật có sử dụng lại khái niệm cần định 
nghĩa
 Ví dụ: định nghĩa khái niệm tổ tiên 
ancetre(x, y)  parent (x, y) 
39
ancetre (x, z)  ancetre (x, y)  parent (y, z) 
 Cần thiết
 Giảm thời gian thực thi
 Giảm số lượng bộ (tuples) sinh ra
 Đảm bảo việc thực thi phải kết thúc
 Giảm tương tác với hệ thống lưu trữ 
Chiến lược
 Phương pháp ngây thơ (naïve)
 Sinh ra sự kiện mới bằng cách áp dụng tất cả các luật 
lên tất cả các sự kiện đang có cho đến khi không thể áp 
dụng được nữa
 Phương pháp nửa ngây thơ (semi-naïve)
40
 Suy diễn tiến bằng cách chỉ áp dụng các luật lên các sự 
kiện mới được sinh ra, ta sẽ giảm được các số lượng 
các sự kiện
 Phương pháp tập hợp ma thuật
 Trước khi áp dụng suy diễn tiến đánh dấu các quan hệ 
hữu ích lên các vị từ đệ quy bằng các vị từ ma thuật 
(magical predicates)
Điều khiển thực thi
 Vấn đề liên quan đến thực thi
 Chọn luật để kích hoạt
 Tối ưu hóa việc truy cập CSDL
 Điều khiển kết thúc
 Sắp thứ tự luật
41
 Giải pháp
 Phân tầng
 Giải thuật tối ưu
Phân tầng: ví dụ
 Cho các quan hệ sau:
 LIBRARY (Book) chứa tất cả các quyển sách trong thư 
viện
 LECTURE (Lecteur, Book) mô tả ai đọc quyển sách nào
42
Ví dụ
 Câu truy vấn SQL:
 Tìm các độc giả đọc tất cả các quyển sách
SELECT DISTINCT Lecteur
FROM Lecture L1
WHERE NOT EXISTS (SELECT *
43
FROM LIBRARY B1
WHERE NOT EXISTS (SELECT *
FROM Lecture
WHERE lecteur=L1.lecteur
AND Book=B1.Book))
Ví dụ
 Biểu diễn trong Datalog:
Time (x, y) <== Lecture (x, -) AND Library (y)
-------
Bad (x) <== Time (x, y) AND NOT Lecture (x, y)
44
-------
Solution (x) <== Lecture (x, -) AND NOT Bad (x)
Điều khiển thực thi
 Phân tầng
 Nếu có phép toán hiệu, cần phải sinh ra tất các mẩu tin 
cho một luật trước khi thực hiện luật kế tiếp
 Ta không thể làm phép toán hiệu (giữa kết quả của luật 1 
và của luật 2) khi việc thực thi luật 1 chưa kết thúc
45
 Trong ví dụ của chúng ta: cần phải có 2 tầng
SQL3 và câu truy vấn đệ quy
 Định nghĩa quan hệ nội hàm 
 Sử dụng vị từ WITH
WITH Rel AS 
 Khả năng sử dụng từ khóa RECURSIVE
 Sử dụng toán tử hợp (union) để định nghĩa quan hệ nội 
46
hàm
 Định nghĩa quan hệ nội hàm chỉ có giá trị trong ngữ 
cảnh của câu truy vấn WITH
 Kết quả của định nghĩa cho quan hệ này là tạm thời
SQL3 và câu truy vấn đệ quy
ancetre(Anc, Desc)  parent (Par, Chd) 
ancetre (Anc, Chd)  ancetre (Anc, x)  parent (x, Chd) 
WITH RECURSIVE Ancetres (Anc, Desc) AS
47
(SELECT Par, Chd FROM Parents)
UNION
(SELECT A.Anc, P.Chd
FROM Ancetres A, Parents P
WHERE A.Desc=P.Par)
SQL3 
SELECT * FROM Ancetres;
 Câu truy vấn này cho phép sinh ra tất cả các tổ tiên 
ancetres
 Mệnh đề SELECT có thể là câu truy vấn sinh ra kết quả 
của phép chọn:
48
SELECT * from Ancetres where Anc="Paul";
Kết luận
 CSDL suy diễn mang lại
 Khả năng diễn đạt
 Xử lý câu truy vấn đệ quy
 Khó khăn
49
 Thực thi hiệu quả các câu truy vấn đệ quy
 Tối ưu hóa câu truy vấn
50