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Inferenzmaschine: Fakten und Regeln Schritt für Schritt verknüpfen
Eine regelbasierte Inferenzmaschine verarbeitet eine Wissensbasis: Sie verknüpft gespeicherte Fakten mit Regeln und leitet daraus Antworten auf Anfragen ab. Sie ergänzt dabei keine Voraussetzungen aus eigener Vermutung, sondern folgt den festgelegten Schlussregeln.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was macht eine Inferenzmaschine?
Hier lernst du einfache regelbasierte Systeme kennen. Die folgenden Wissensbasen und Aufgaben sind erfundene Lernbeispiele; ihre Fakten und Regeln gelten jeweils als vorgegeben.
Stell dir ein System vor, das eine Frage beantworten soll. In seiner Wissensbasis stehen Aussagen und Regeln. Die Inferenzmaschine ist der Verarbeitungsteil: Sie sucht passende Regeln, prüft deren Voraussetzungen und erzeugt daraus eine Schlussfolgerung.
Inferenzmaschine
Eine Inferenzmaschine ist der Teil eines wissensbasierten Systems, der Fakten und Regeln aus einer Wissensbasis verarbeitet, um neue Aussagen oder Entscheidungen abzuleiten.
Der Grundzusammenhang lautet:
Fakten + Regeln → Inferenzmaschine → abgeleitete Aussage
Ein Expertensystem unterstützt die Lösung von Problemen in einem begrenzten Fachgebiet mit gespeichertem Fachwissen. Es kann zusätzlich eine Benutzerschnittstelle, eine Erklärungskomponente und Werkzeuge zum Pflegen der Wissensbasis besitzen. Für das Schlussfolgern sind aber vor allem Wissensbasis und Inferenzmaschine entscheidend.
In der Wissensbasis stehen die Regel Wenn die Osterglocken blühen, dann ist Frühling und der Fakt Die Osterglocken blühen. Die Voraussetzung der Regel ist erfüllt. Deshalb leitet die Inferenzmaschine ab: Es ist Frühling. Das zeigt einen gültigen Schluss aus den vorgegebenen Annahmen. Ob die angenommene Regel in der Wirklichkeit zuverlässig ist, musst du getrennt prüfen.
Die Wissensbasis enthält Wissen. Die Inferenzmaschine verarbeitet dieses Wissen.
Wie werden Fakten, Regeln und Anfragen dargestellt?
Für einen überschaubaren Wissensbereich, auch Domäne genannt, verwenden wir drei Bausteine. Die Schreibweise ist eine vereinfachte logische Notation, keine bestimmte Programmiersprache.
Fakt
Ein Fakt ist eine Aussage, die in der Wissensbasis als gegeben gespeichert ist. Beispiel: markiert(heft1).
Regel
Eine Regel verbindet Voraussetzungen mit einer Folgerung. Beispiel: Wenn markiert(x), dann pruefen(x). Das x steht für ein beliebiges Objekt.
Anfrage
Eine Anfrage ist die Frage, ob eine bestimmte Aussage aus der Wissensbasis folgt. Beispiel: pruefen(heft1)?
Ein Prädikat beschreibt eine Eigenschaft oder Beziehung; markiert und pruefen sind hier seine Namen. heft1 bezeichnet ein bestimmtes Heft. Du liest markiert(heft1) als „Heft 1 ist markiert“ und pruefen(heft1) als „Heft 1 soll geprüft werden“.
Wird in der Regel x durch heft1 ersetzt, nennen wir die Zuordnung x = heft1 eine Belegung. Das Einsetzen heißt auch Substitution. Dabei ersetzt du jedes Vorkommen von x in derselben Regel durch dasselbe Objekt.
Gegeben sind der Fakt markiert(heft1) und die Regel Wenn markiert(x), dann pruefen(x). Für die Belegung x = heft1 ist die Voraussetzung erfüllt. Die Inferenzmaschine darf deshalb pruefen(heft1) ableiten. Die Anfrage pruefen(heft1)? wird mit Ja beantwortet.
Wie funktioniert Vorwärtsverkettung?
Bei der Vorwärtsverkettung beginnt die Inferenzmaschine mit vorhandenen Fakten. Sie wendet passende Regeln an, fügt neue Aussagen hinzu und wiederholt diesen Vorgang.
Die Buchstaben A, B und C stehen jeweils für eine Aussage. Der Pfeil → bedeutet „wenn …, dann …“; A → B liest du also als „Wenn A gilt, dann gilt B“. In einer vereinfachten Wissensbasis gelten:
- Fakt F1:
A - Regel R1:
Wenn A, dann B - Regel R2:
Wenn B, dann C - Anfrage:
C?
Die Ableitung verläuft in zwei Schritten:
- F1 erfüllt die Voraussetzung von R1. Daraus folgt
B. - Das neue
Berfüllt die Voraussetzung von R2. Daraus folgtC.
Damit ist die Anfrage C? mit Ja beantwortet. Entscheidend ist, dass das Zwischenergebnis B weiterverwendet wird.
Sind mehrere Voraussetzungen mit und verbunden, müssen alle erfüllt sein. Aus A und B → C darfst du C nicht schon allein aus A ableiten. Aus der gemeinsamen Aussage A und B kannst du außerdem jeweils A und B gewinnen. Diesen Schluss auf die einzelnen Bestandteile nennt man Und-Elimination.
Vorwärtsverkettung fragt: Was folgt aus den Fakten, die schon vorhanden sind?
Wie funktioniert Rückwärtsverkettung?
Bei der Rückwärtsverkettung startet die Inferenzmaschine mit dem Ziel der Anfrage. Sie sucht eine Regel, deren Folgerung zum Ziel passt, und prüft deren Voraussetzungen als neue Teilziele.
Nutze wieder F1: A, R1: A → B und R2: B → C. Gesucht ist C.
- Für
Cpasst R2. Dafür mussBgelten. - Für
Bpasst R1. Dafür mussAgelten. Aist als Fakt gespeichert.
Damit sind die Teilziele erfüllt, und C ist ableitbar. Die Rückwärtsverkettung erzeugt dieselbe begründete Antwort, beginnt aber beim Ziel.
Vorwärts- und Rückwärtsverkettung sind Suchstrategien für Regeln. Sie sind nicht dasselbe wie Induktion und Deduktion: Deduktion leitet Aussagen ab, die aus den angenommenen Voraussetzungen logisch folgen, etwa aus einer allgemeinen Regel und einem passenden Fakt. Induktion verallgemeinert Beobachtungen zu vermuteten Zusammenhängen; diese müssen nicht in jedem neuen Fall zutreffen. Eine klassische regelbasierte Inferenzmaschine arbeitet im gezeigten Lernweg deduktiv.
Was bedeutet eine fehlende oder fehlerhafte Antwort?
Die hier betrachtete regelbasierte Inferenzmaschine kann nur mit den vorhandenen Fakten und Regeln arbeiten. Ist eine Anfrage nicht ableitbar, können verschiedene Ursachen vorliegen:
- Ein benötigter Fakt fehlt.
- Keine Regel führt zur Zielaussage.
- Eine Regel verwendet das falsche Prädikat oder verbindet die Bedingungen falsch.
- Eine mehrstufige Ableitung bricht an einem unerfüllten Teilziel ab.
Nicht ableitbar bedeutet zunächst nur: Aus dieser Wissensbasis lässt sich die Aussage mit den verwendeten Regeln nicht herleiten. Das ist nicht automatisch ein Beweis für das Gegenteil.
Gegeben sind markiert(heft1) und die fehlerhafte Regel Wenn markiert(x), dann ablegen(x). Die Anfrage lautet pruefen(heft1)?. Sie ist nicht ableitbar, weil keine Regel zur Folgerung pruefen(x) führt.
Wenn die beabsichtigte Bedeutung lautet „Markierte Hefte werden geprüft“, muss die Regel lauten: Wenn markiert(x), dann pruefen(x). Nun ergibt die Belegung x = heft1 die gesuchte Aussage.
Warum ist Inferenz nicht immer dasselbe?
Der Begriff Inferenz wird in der Informatik unter anderem in diesen zwei nah verwandten, aber technisch unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet.
| Zusammenhang | Was liegt vorher vor? | Was geschieht bei der Inferenz? |
|---|---|---|
| Regelbasiertes System | Fakten und ausdrücklich formulierte Regeln | Die Maschine wendet Regeln an und leitet Aussagen ab. |
| Maschinelles Lernen | Ein zuvor trainiertes Modell | Das Modell wird auf einen konkreten neuen Fall angewandt und erzeugt ein Ergebnis. |
Beim maschinellen Lernen ist Training die Lernphase: Aus Daten werden Muster oder Modellparameter gewonnen. Inferenz ist die spätere Anwendung dieses trainierten Modells, etwa wenn ein System ein Schriftzeichen erkennt.
Beide Bedeutungen betreffen die Anwendung vorhandenen Wissens auf einen Fall. Trotzdem darfst du eine regelbasierte Wissensbasis nicht einfach mit einem trainierten neuronalen Netz gleichsetzen. Auf dieser Seite steht die nachvollziehbare regelbasierte Ableitung im Mittelpunkt.
Auch ein korrekt ausgeführtes Schlussverfahren ist nur so brauchbar wie seine Wissensbasis. Fehlende Fakten oder unpassende Regeln begrenzen die Ergebnisse. Deshalb solltest du auch bei einer formal korrekten Ableitung prüfen, ob die Ausgangsaussagen zum betrachteten Fall passen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Inferenzmaschine
- verarbeitet eine Wissensbasis mit Fakten und Regeln
- beantwortet Anfragen durch Ableitung
- verkettet vorwärts von Fakten zu Folgerungen
- verkettet rückwärts vom Ziel zu Teilzielen
- meldet nicht ableitbar bei einer fehlenden Kette
Abschluss-Check
Wenn du bei jeder Antwort die verwendete Regel, die Belegung und mögliche Zwischenergebnisse nennen kannst, hast du die Arbeit einer einfachen Inferenzmaschine nachvollzogen.