人工智能与专家系统（2011）

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1、1,学科选修课,人工智能与专家系统,主讲人：黄解军 电 话：15327194085 Email ：,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 Artificial Intelligence 人工智能 Nilsson N.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； 据挖掘原理与技术，张云涛、龚玲，北京：电子工业出版社，2004,3,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A

2、I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（artificial intelligence, AI）这个术语并作为一门新兴科学的名称。,5,人工智能与现代生活,6,智慧城市与人工智能,7,8,智慧地球与人工智能,2009年1月，奥巴马与美国工商业领袖举行了一次 “圆桌会议”，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球” (

3、Smart Earth) ，建议投资新一代的智慧型基础设施。 提出：把新一代的IT技术充分运用到各行各业之中，即要把传感器装备到生活中的各种物体当中，并且连接起来，形成“物联网”，通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现网上数字地球与人类社会和物理系统的整合。 人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态。在智慧地球上，将看到智慧医疗、智慧电网、智慧油田、智慧城市、智慧企业等。,9,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,10,1997年,世

4、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 (Deep blue),11,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,12,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？,13,1.1.1 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

5、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,14,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,15,（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） 依据直觉。 思维过程是并行协同

6、式的。 形式化困难。 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。,16,4. 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。,人们的感知能力：用于信息的输入。 行为能力：信息的输出。,17,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

7、念。,18,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。,19,智能问题,重排九宫问题（拼图游戏） 旅行商问题（travelling salesman problem,TSP问题） 梵塔”问题(Tower of Hanoi Problem): 寻宝问题 博弈问题,20,重排九宫问题,8 3 6 4 7 5,初始状态,1 2 3 8 4 7 6 5,目标状态,请用尽可能少

8、的棋步从初始状态达到目标状态。,21,传教士和野人问题（Missionaries and Cannibals) (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,请给出摆渡方案。,22,M-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。,23,旅行商问题（travelling salesman problem,TSP问题）,销售员到几个

9、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。,7,7,10,10,10,13,6,5,6,A,B,E,D,C,24,“梵塔”问题(Tower of Hanoi Problem),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。,25,图梵塔

10、,1,3,2,C,1,2,3,A,B,1,2,3,A,B,A,B,C,C,26,3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),27,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

11、盒子里,28,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,29,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,1,2,3,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,30,博弈问题,分钱币游戏：有一堆数目为的钱币，两个选手轮流将它一分为二，规则是无论哪个选手分

12、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。,31,问题表示： 设N=6,选手MAX，MIN，数字序列x1,x2xn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。,32,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,

13、33,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。 ,34,机器人图片欣赏,咱们握握手！,35,机器人图片欣赏,来一段舞怎样？,36,我是家用机器人！,37,中国智能机器人网 ： http:/www.e- 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

14、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,39,1.2 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)：MP模型,40,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

15、比复制样本更重要。,Source: lecture notes by Dr. Hwee Tou Ng, Singapore,41,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。,42,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,43,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（black box） 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timing behavior和人类行为，例子：General Problem Solver by Newell & Simon。 认知科学：把AI的计算机模型和心理学的实验相结合，试图创立一种精确且可检验的人类思维工作方式理论。,44,理性地思考：“思维法则”方法,“正确思考” 是不能辩驳的推理过程（ Aristotle） 三段论：前提正确结论正确 描述世界上一切事物及其彼此之间关系的精确的命题符