深入探索 SPARQL，使用复杂图模式和聚合函数 (6)

本文内容预告

继上一篇文章对SPARQL基础语法的介绍后，本期我们将深入探讨SPARQL中的高级概念，包括Triple Pattern（三元组模式），Basic Graph Pattern（基本图模式），Graph Pattern（图模式），以及Aggregation Function（聚合函数）。我们将一步步展示如何利用这些高级特性，从RDF（资源描述框架）知识图谱中有效地检索和转换数据。

RDF 图模型 (参考第 4 期)

RDF图由三元组集合构成，每个三元组包含主语（URI或Blank Node），谓语（URI）和宾语（URI, Blank Node或Literal）。例如，以下朋友关系图的一个实例：

Triple Pattern (三元组模式)

给点无穷变量集合 $\mathbf{Var}$ ，一个三元组模式定义为 $(s,p,o)\in (\mathbf{R}\cup\mathbf{B}\cup\mathbf{Var})\times(\mathbf{R}\cup\mathbf{Var})\times(\mathbf{R}\cup\mathbf{B}\cup\mathbf{L}\cup\mathbf{Var})$ 。它跟三元组很像，唯一差别就是 $s$ , $p$ , $o$ 还可以是变量。

三元组模式例子:
普通三元组：ex:jason ex:friend ex:saber_lion，这种模式不包含变量，因此不执行查询。

带变量的三元组：例如 ?A ex:friend ?B 用于检索满足条件的 ?A 和 ?B。

Basic Graph Pattern (基本图模式)

基本图模式可以用归纳法定义：
(1) 基本case: 如果 P 为一个三元组模式，那么 P 是一个基本图模式；
(2) 归纳case: 如果 P1 和 P2 是两个基本图模式，那么 P1 . P2 是一个基本模式。
白话就是说，基本图模式是多个三元组模式的联结 (conjunction，即逻辑 与)

基本图模式例子：
ex:lily ex:friend ?P . ?P ex:friend ex:jason 查找既是 ex:lily 的朋友，又是 ex:jason 朋友的人。

ex:lily ex:friend ?A . ?B ex:friend ex:jason 这个图模式中两个三元组模式不共用同一个变量，结果是 ?A 的检索结果 { ex:saber_lion, ex:maria} 和 ?B 的检索结果 { ex:saber_lion} 的笛卡尔积。

Graph Pattern (图模式)

图模式也用归纳法定义：
(1) 基本 case: 如果 P 是一个基本图模式，那么 P 是一个图模式；
(2) 归纳 case 1: 如果 P1 和 P2 是两个图模式，那么 {P1 . P2}，{P1 UNION P2} 和 {P1 OPTIONAL P2} 是图模式。其中 . 表示 Jion运算 (类似关系代数中的 Join)，UNION 表示 并 运算 (类似关系代数中的 UNION)，OPTIONAL 表示 P2 在图模式中可选 (类似关系代数中的 Left Outer Join)。
(3) 归纳 case 2: 如果 P 是一个图模式，R 是一个 SPARQL 条件（使用的变量要出现在 P 中），那么 P FILTER(R) 是一个图模式。

图模式例子：
?F ex:friend ?P OPTIONAL {?P ex:girlfriend ?GF} 查询所有有朋友的人，不论是否有女朋友。

?P ex:friend ?F FILTER(?P != <http://example.org/lily>) 用于查询所有不是 ex:lily 朋友的人，结果如下

Aggregation Function (聚合函数)

SPARQL 支持多种聚合函数 (1) 针对数值属性：SUM, AVG, MIN, MAX，(2)其他聚合函数：COUNT, GROUP_CONCAT。与 GROUP BY 一起使用。

聚合函数使用例子
统计每个人的朋友数量

SELECT ?P (COUNT(?F) AS ?Friend_Num) WHERE{
	?P ex:friend ?F
} GROUP BY ?P

把每个人的朋友都聚合起来，用 seperate 关键字来指定用于分割符。

SELECT ?P (GROUP_CONCAT(?F; separator="; ") AS ?Friend_Num) WHERE{
	?P ex:friend ?F
} GROUP BY ?P

扩展查询例子

拓展一个 FILETER NOT EXISTS 的语法，查询所有不是 ex:lily 朋友的人

SELECT * WHERE{
	?P ex:friend ?F FILTER NOT EXISTS {<http://example.org/lily> ex:friend ?F}
}

后面的否定针对变量 ?F。用谓词逻辑表示 ∃?P ∃?F (Friend(?P, ?F) ∧ ¬Friend(Lily, ?F))。

VALUES 语法使用，用于限定变量取值，查找 ex:jena 和 ex:saber_lion 的朋友

SELECT * WHERE{
	VALUES ?P {<http://example.org/jena> <http://example.org/saber_lion>}
	?P ex:friend ?F 
}

之前的文章

知识图谱 (1)
本体论介绍 (2)
动手构建你的第一个知识图谱 by RDF (3)
图数据模型介绍 (4) 数学符号警告
 SPARQL查询：如何高效检索Web数据 (5)

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参考

Scientific Data Management & Knowledge Graph, by Maria-Esther Vidal