1人工智能与专家系统()61

1学科选修课2教材及参考资料人工智能及其应用，王万良，高等教育出版社，2008ArtificialIntelligence人工智能NilssonN.J.尼尔逊（美），《机械工业出版社》人工智能.马少平.北京：清华大学出版社，2005；人工智能基础.高济等.高等教育出版社，2008；计算机决策支持系统，孟波，武汉：武汉大学出版社，2003；数据挖掘原理与技术，张云涛、龚玲，北京：电子工业出版社，20043人工智能课程的特点没有专业限制：人工智能（AI）属于计算机科学研究领域，但AI是研究机器智能，凡是运用人脑的地方都可运用AI，因此，AI可应用于各专业领域。永远不过时：AI是研究机器智能，对人类智慧的不断逼近，但永远不会超过人类智慧，因此，AI永远不会过时。研究方法自然：AI模拟人类解决问题，因此，AI的研究方法非常自然，容易理解。4第1章绪论1956年正式提出人工智能（artificialintelligence,AI）这个术语并作为一门新兴科学的名称。20世纪三大科学技术成就：空间技术原子能技术人工智能5双腿有膝机器人MABEL最高速度可达每小时10.9公里，世界上速度最快的双腿有膝机器人6智能路灯“响应路灯系统”由印度尼西亚万隆技术研究所开发，它由摄像头、路灯和微型电脑组成。摄像头以25帧/秒的速度捕捉即将驶过的车辆的画面，电脑在识别后会在车辆通过时自动点亮。7德科学家研制终结者机器人手臂它的手指由38根腱控制，每一根腱由前臂内部自带的发动机驱动，每个关节由2根腱组成。关节每秒钟可以旋转500度。手指可产生30牛顿的压力，可以完成刺激按摩，手指抓紧时可以使人窒息死亡。8“数字蚂蚁”部队为电网保驾护航美国维克森林大学计算机专家正在训练一支特殊的“数字蚂蚁”部队，将来可把它们放到电网中巡逻，搜寻那些蓄意破坏系统的计算机病毒。网络上到处巡游，寻找像计算机蠕虫、盗取信息的自复制程序、降低未授权访问权限等威胁。一旦探测到危险，就会召来蚂蚁大军向事发地点会合，吸引人类操作员注意调查问题。“数字蚂蚁”技术曾在2010年被《科学美国人》杂志评为“可改变人们生活的十大技术”之一。92010年“首届中国脑－机接口比赛”（ChinaBCI2010）脑－机接口（Brain－ComputerInterface，BCI）是在大脑与外部设备之间建立的一种直接的交流通道。脑－机接口通过实时记录人脑的脑电波，在一定程度上解读人的思维，并将其“翻译”成控制命令，由此来实现对计算机、家用电器、机器人等设备的控制。102011中国机器人大赛暨RoboCup公开赛11中国无人驾驶汽车高速公路试车成功国防科技大学自主研制的红旗HQ3无人车，2011年7月14日首次完成了从长沙到武汉286公里的高速全程无人驾驶实验，创造了我国自主研制的无人车在复杂交通状况下自主驾驶的新纪录，标志着我国无人车在复杂环境识别、智能行为决策和控制等方面实现了新的技术突破，达到世界先进水平。12人工智能与现代生活智能家居131997年,世界国际象棋冠军斯卡帕罗夫(Kasparow)与特殊的对手进行了一次比赛。这位特殊的对手不是人类，而是IBM公司制造的超级计算机—(Deepblue)14由于第六局戏剧性的大胜，深蓝以3.5比2.5的总比分迫使斯卡帕罗夫低头认输。人们惊呼：电脑战胜了人脑！深蓝创造了历史！深蓝又是如何做到这一点的呢?15归根结底，深蓝能够取得这样的成功，其实是人工智能不断发展的结果。那么，什么是人工智能呢？16第1章绪论1.1人工智能的基本概念1.2人工智能的发展简史1.3人工智能研究的基本内容1.4人工智能研究途径与学派1.5人工智能的主要研究领域171.1.1智能的概念自然界四大奥秘：物质的本质、宇宙的起源、生命的本质、智能的发生。对智能还没有确切的定义，主要流派有：（1）思维理论：智能的核心是思维（2）知识阈值理论：智能取决于知识的数量及一般化程度（3）进化理论：用控制取代知识的表示智能是知识与智力的总和。知识是一切智能行为的基础获取知识并应用知识求解问题的能力181.感知能力：通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等感觉器官感知外部世界的能力。80%以上信息通过视觉得到，10%信息通过听觉得到。1.1.2智能的特征存储由感知器官感知到的外部信息以及由思维所产生的知识对记忆的信息进行处理2.记忆与思维能力19（1）逻辑思维（抽象思维）依靠逻辑进行思维。思维过程是串行的。容易形式化。思维过程具有严密性、可靠性。1.1.2智能的特征（2）形象思维（直感思维）o依据直觉。o思维过程是并行协同式的。o形式化困难。o在信息变形或缺少的情况下仍有可能得到比较满意的结果。204.行为能力（表达能力）1.1.2智能的特征（3）顿悟思维（灵感思维）不定期的突发性。非线性的独创性及模糊性。穿插于形象思维与逻辑思维之中。3.学习能力学习既可能是自觉的、有意识的，也可能是不自觉的、无意识的；既可以是有教师指导的，也可以是通过自己实践的。人们的感知能力：用于信息的输入。行为能力：信息的输出。21人工智能：用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能；或者说是人们使机器具有类似于人的智能。1.1.3人工智能人工智能学科：一门研究如何构造智能机器（智能计算机）或智能系统，使它能模拟、延伸、扩展人类智能的学科。图灵测试：1950年图灵发表的《计算机与智能》中设计了一个测试，用以说明人工智能的概念。智者询问者22人的智能与人工智能人的智能：人类思维活动表现出来的能力（解决智能问题的能力）感知和理解能力思维与演绎能力学习能力与适应环境能力行为能力人工智能：通过某些方法使机器有类似于人的智能。研究如何使机器能听、会说、能看、会写、能思考推理、会学习，能解决各种实际问题。23智能问题重排九宫问题（拼图游戏）旅行商问题（travellingsalesmanproblem,TSP问题）“梵塔”问题(TowerofHanoiProblem):寻宝问题博弈问题24重排九宫问题2831647■5初始状态1238■4765目标状态请用尽可能少的棋步从初始状态达到目标状态。25传教士和野人问题（MissionariesandCannibals)(M-C）有个N传教士和N个野人来到河边准备渡河，河岸有一条船，每次至多可供K(N)个人乘坐，传教士为了安全起见，考虑在任何情况下（河两岸和船上）和任何时刻都不允许野人数目超过传教士的人数,请给出N=3的摆渡方案。26M-C问题求解2个野人去，1个野人回2个野人去，1个野人回2个传教士去，1个野人与1个传教士回2个传教士去，1个野人回2个野人去，1个野人回2个野人去，完成。27旅行商问题（travellingsalesmanproblem,TSP问题）销售员到几个城市去推销商品，城市之间的距离是已知的，他现在从某一个城市出发，经过每个城市一次，最后又回到出发的城市。要求归划好一条最短路线。7710101013656ABEDC28“梵塔”问题(TowerofHanoiProblem)3阶“梵塔”问题:有三个柱子(1，2和3)和两个不同尺寸的圆盘(A，B，C)。在每个圆盘的中心有个孔，所以圆盘可以堆叠在柱子上,最初,全部三个圆盘都堆在柱子1上(最大的在底部,最小的在顶部)。要求把所有圆盘都移到另一个柱子上，搬动规则为：(1)一次只能搬一个圆盘(2)不能将大圆盘放在小圆盘上(3)可以利用空柱子。29图梵塔132C123AB123ABABCC303阶“梵塔”问题分解(1,1,1)(3,3,3)(1,1,1)(1,2,2)(1,2,2)(3,2,2)(3,2,2)(3,3,3)(1,1,1)(1,1,3)(1,2,3)(1,2,2)(1,1,3)(1,2,3)(3,2,2)(3,3,3)(3,2,2)(3,2,1)(3,3,1)(3,3,3)31寻宝问题有三个盒子（金,银,铜）其中一个盒子里放有一颗宝石，每个盒子外写有一句话，其中只有一句是真话，问宝石在哪里。金盒：宝石在这只金盒子里。银盒：宝石不在这只银盒子里铜盒：宝石不在金盒子里32推理方法正向推理反向推理推理过程：假设：分别假定宝石在三盒子里前题：一句对，其它两句错误33金盒：宝石在这只金盒子里银盒：宝石不在这只银盒子里铜盒：宝石不在金盒子里假设集合宝石在金盒子里假设1宝石在铜盒子里宝石在银盒子里假设2假设3宝石在这只金盒子里宝石不在金盒子里宝石不在这只银盒子里正确不正确正确矛盾123第一句第二句第三句第三句第二句第一句不正确正确正确矛盾不正确正确不正确满足前提条件宝石在银盒子里34博弈问题分钱币游戏：有一堆数目为N的钱币，两个选手轮流将它一分为二，规则是无论哪个选手分币时，一次只能挑选其中的一堆把它分为两小堆，而且必须满足分堆后两小堆的钱数不能相等，直到哪个选手无法再分时，即碰到每堆钱币数为1或2的情况，他即为输家。35问题表示：设N=6,选手MAX，MIN，数字序列x1,x2…xn为n堆钱币不同的个数。例（6，MAX）表示甲从一堆（6个）钱币开始分（5，1，MIN）MIN要分的状态。36分钱币的搜索树S0(6,MAX)S1(5,1,MIN)S4(3,2,1,MAX)S2(4,2,MIN)S6(2,2,1,1,MIN)S3(4,1,1,MAX)S7(2,1,1,1,1,MAX)S5(3,1,1,1,MIN)MIN输MAX输37你体验过“芝麻开门”的感觉吗？阿里巴巴对着山洞的门一念“芝麻开门”，山洞的门就打开了，再念“芝麻关门”，山洞的门又自动关上了。科幻片《X战警》中，X教授只要在实验室门口一站，实验室的门就会自动打开，并且发出声音欢迎X教授的到来，而其他人则没法进去。国内某些厂家生产的个人数字助理（PDA），给人们提供了一个微型书写板和笔，让信息的输入更符合人们的自然习惯。……38机器人图片欣赏▲咱们握握手！39机器人图片欣赏▲来一段舞怎样？40▲我是家用机器人！41中国智能机器人网：“Asimo”智能机器人42第1章绪论1.1人工智能的基本概念1.2人工智能的发展简史1.3人工智能研究的基本内容1.4人工智能研究途径与学派1.5人工智能的主要研究领域431.2人工智能的发展简史1.2.1孕育（1956年之前）公元前，亚里斯多德（Aristotle）：三段论培根（F.Bacon）：归纳法莱布尼茨（G.W.Leibnitz）：万能符号、推理计算布尔（G.Boole）：用符号语言描述思维活动的基本推理法则1936年，图灵：图灵机1943年，麦克洛奇（W.McCulloch）、匹兹(W.Pitts)：M－P模型44像人一样行动:图灵测试图灵预测2000年之前计算机有30%的概率蒙骗普通人达5分钟。而AI研究者相信研究智能的根本原则远比复制样本更重要。Source:lecturenotesbyDr.HweeTouNg,Singapore45图灵的梦想图灵测试：人通过特殊的方式，在不知情的条件下，和机器进行问答，如果在相当长时间内，分辨不出与他交流的对象是人还是机器，那么，就可以认为这台机器是能思维的。研究人工智能目的是让计算机能够像人一样思考。人工智能涉及到的学科与领域：计算机科学、认知心理学、哲学等，包括模式识别、自然语言处理、智能机器人、机器证明、神经网络、符号运算等。46图灵测试对计算机的要求自然语言处理知识表示自动推理机器学习完全图灵测试计算机视觉机器人技术47像人一样思考：认知模型方法确定人是怎样思考的通过内省通过心理测试（blackbox）通过计算机程序来表达关于思维的结论比较计算机输入/输出以及timingbehavior和人类行为，例子：GeneralProblemSolverbyNewell&Simon。认知科学：把AI的计算