《人工智能》課程教案131.doc

人工智能課程教案第一章 緒 論教學(xué)內(nèi)容：本章首先介紹人工智能的定義、發(fā)展概況及相關(guān)學(xué)派和他們的認(rèn)知觀，接著討論人工智能的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，最后簡(jiǎn)介本書(shū)的主要內(nèi)容和編排。教學(xué)重點(diǎn)：1從不同科學(xué)或?qū)W科出發(fā)對(duì)人工智能進(jìn)行的定義；2介紹人工智能的起源與發(fā)展過(guò)程；3討論人工智能與人類(lèi)智能的關(guān)系；4簡(jiǎn)介目前人工智能的主要學(xué)派；5簡(jiǎn)介人工智能所研究的范圍與應(yīng)用領(lǐng)域。教學(xué)難點(diǎn)：1怎么樣理解人工智能；2人工智能作為一門(mén)學(xué)科有什么意義；3人工智能的主要學(xué)派與其爭(zhēng)論焦點(diǎn)；教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來(lái)表示抽象概念。教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握人工智能的幾種定義，掌握目前人工智能的三個(gè)主要學(xué)派及對(duì)人工智能的理解，一般了解人工智能的主要研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。1.1 人工智能的定義與發(fā)展教學(xué)內(nèi)容：本小節(jié)主要介紹目前對(duì)人工智能的幾種定義，并對(duì)人工智能的起源和發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和分析。教學(xué)重點(diǎn)：幾種人工智能的定義和人工智能發(fā)展的幾個(gè)重要時(shí)期。教學(xué)難點(diǎn)：理解人工智能的定義與本質(zhì)。教學(xué)方法：課堂講授為主。教學(xué)要求：從學(xué)科和能力的角度深刻理解人工智能的定義，初步了解人工智能的起源及其發(fā)展過(guò)程。1.1.1 人工智能的定義定義1 智能機(jī)器能夠在各類(lèi)環(huán)境中自主地或交互地執(zhí)行各種擬人任務(wù)(anthropomorphic tasks)的機(jī)器。定義2 人工智能(學(xué)科)人工智能(學(xué)科)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中涉及研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能機(jī)器的一個(gè)分支。它的近期主要目標(biāo)在于研究用機(jī)器來(lái)模仿和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并開(kāi)發(fā)相關(guān)理論和技術(shù)。定義3 人工智能(能力)人工智能(能力)是智能機(jī)器所執(zhí)行的通常與人類(lèi)智能有關(guān)的智能行為，如判斷、推理、證明、識(shí)別、感知、理解、通信、設(shè)計(jì)、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問(wèn)題求解等思維活動(dòng)。為了讓讀者對(duì)人工智能的定義進(jìn)行討論，以便更深刻地理解人工智能，下面綜述其它幾種關(guān)于人工智能的定義。定義4 人工智能是一種使計(jì)算機(jī)能夠思維，使機(jī)器具有智力的激動(dòng)人心的新嘗試（Haugeland,1985）。定義5 人工智能是那些與人的思維、決策、問(wèn)題求解和學(xué)習(xí)等有關(guān)活動(dòng)的自動(dòng)化（Bellman,1978）。定義6 人工智能是用計(jì)算模型研究智力行為（Charniak和McDermott,1985）。定義7 人工智能是研究那些使理解、推理和行為成為可能的計(jì)算（Winston,1992）。定義8 人工智能是一種能夠執(zhí)行需要人的智能的創(chuàng)造性機(jī)器的技術(shù)（Kurzwell,1990）。定義9 人工智能研究如何使計(jì)算機(jī)做事讓人過(guò)得更好（Rick和Knight,1991）。定義10 人工智能是一門(mén)通過(guò)計(jì)算過(guò)程力圖理解和模仿智能行為的學(xué)科（Schalkoff,1990）。定義11 人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)中與智能行為的自動(dòng)化有關(guān)的一個(gè)分支（Luger和Stubblefield,1993）。其中，定義4和定義5涉及擬人思維；定義6和定義7與理性思維有關(guān)；定義8和定義9涉及擬人行為；定義10和定義11與擬人理性行為有關(guān)。1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展人工智能的發(fā)展是以硬件與軟件為基礎(chǔ)的，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。特別是20世紀(jì)30年代和40年代的智能界，發(fā)現(xiàn)了兩件重要的事情：數(shù)理邏輯和關(guān)于計(jì)算的新思想。以維納（Wiener）、弗雷治、羅素等為代表對(duì)發(fā)展數(shù)理邏輯學(xué)科的貢獻(xiàn)及丘奇(Church)、圖靈和其它一些人關(guān)于計(jì)算本質(zhì)的思想，為人工智能的形成產(chǎn)生了重要影響。1956年夏季，人類(lèi)歷史上第一次人工智能研討會(huì)在美國(guó)的達(dá)特茅斯(Dartmouth)大學(xué)舉行，標(biāo)志著人工智能學(xué)科的誕生。1969年召開(kāi)了第一屆國(guó)際人工智能聯(lián)合會(huì)議(International Joint Conference on AI, IJCAI),此后每?jī)赡暾匍_(kāi)一次。提問(wèn)：為什么人工智能在1956年才正式誕生？1970年人工智能?chē)?guó)際雜志(International Journal of AI)創(chuàng)刊。這些對(duì)開(kāi)展人工智能?chē)?guó)際學(xué)術(shù)活動(dòng)和交流、促進(jìn)人工智能的研究和發(fā)展起到積極作用。20世紀(jì)7080年代，知識(shí)工程的提出與專(zhuān)家系統(tǒng)的成功應(yīng)用，確定了知識(shí)在人工智能中的地位。近十多年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等和行為主義的研究深入開(kāi)展，形成高潮。同時(shí)，不同人工智能學(xué)派間的爭(zhēng)論也非常熱烈。這些都推動(dòng)人工智能研究的進(jìn)一步發(fā)展。1.2 人類(lèi)智能與人工智能教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)主要討論人類(lèi)智能與人工智能的關(guān)系問(wèn)題。教學(xué)重點(diǎn)：智能信息處理系統(tǒng)，人類(lèi)智能與人工智能的關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)：智能信息處理系統(tǒng)的假設(shè)。教學(xué)方法：課堂講授為主。教學(xué)要求：了解人類(lèi)認(rèn)知活動(dòng)與計(jì)算機(jī)的比較關(guān)系，基本了解智能信息處理系統(tǒng)。1.2.1 智能處理信息系統(tǒng)的假設(shè)1、符號(hào)處理系統(tǒng)的六種基本功能信息處理系統(tǒng)又叫符號(hào)操作系統(tǒng)(Symbol Operation System)或物理符號(hào)系統(tǒng)(Physical Symbol System)。所謂符號(hào)就是模式(pattern)。一個(gè)完善的符號(hào)系統(tǒng)應(yīng)具有下列6種基本功能：(1)輸入符號(hào)(input)；(2)輸出符號(hào)(output);(3)存儲(chǔ)符號(hào)(store);(4)復(fù)制符號(hào)(copy);(5)建立符號(hào)結(jié)構(gòu)：通過(guò)找出各符號(hào)間的關(guān)系，在符號(hào)系統(tǒng)中形成符號(hào)結(jié)構(gòu)；(6)條件性遷移(conditional transfer):根據(jù)已有符號(hào)，繼續(xù)完成活動(dòng)過(guò)程。2、可以把人看成一個(gè)智能信息處理系統(tǒng)如果一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)具有上述全部6種功能，能夠完成這個(gè)全過(guò)程，那么它就是一個(gè)完整的物理符號(hào)系統(tǒng)。人具有上述6種功能；現(xiàn)代計(jì)算機(jī)也具備物理符號(hào)系統(tǒng)的這6種功能。3、理符號(hào)系統(tǒng)的假設(shè)任何一個(gè)系統(tǒng)，如果它能表現(xiàn)出智能，那么它就必定能夠執(zhí)行上述6種功能。反之，任何系統(tǒng)如果具有這6種功能，那么它就能夠表現(xiàn)出智能；這種智能指的是人類(lèi)所具有的那種智能。把這個(gè)假設(shè)稱(chēng)為物理符號(hào)系統(tǒng)的假設(shè)。4、物理符號(hào)系統(tǒng)3個(gè)推論提問(wèn)：為什么能夠把人看做一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)?推論一 既然人具有智能，那么他(她)就一定是個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)。人之所以能夠表現(xiàn)出智能，就是基于他的信息處理過(guò)程。推論二 既然計(jì)算機(jī)是一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)，它就一定能夠表現(xiàn)出智能。這是人工智能的基本條件。推論三 既然人是一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)也是一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)，那么就能夠用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的活動(dòng)。4、人類(lèi)的認(rèn)知行為具有不同的層次認(rèn)知生理學(xué) 研究認(rèn)知行為的生理過(guò)程，主要研究人的神經(jīng)系統(tǒng)（神經(jīng)元、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和大腦）的活動(dòng)，是認(rèn)知科學(xué)研究的底層。認(rèn)知心理學(xué) 研究認(rèn)知行為的心理活動(dòng)，主要研究人的思維策略，是認(rèn)知科學(xué)研究的頂層。認(rèn)知信息學(xué) 研究人的認(rèn)知行為在人體內(nèi)的初級(jí)信息處理，主要研究人的認(rèn)知行為如何通過(guò)初級(jí)信息自然處理，由生理活動(dòng)變?yōu)樾睦砘顒?dòng)及其逆過(guò)程，即由心理活動(dòng)變?yōu)樯硇袨?。這是認(rèn)知活動(dòng)的中間層，承上啟下。認(rèn)知工程學(xué) 研究認(rèn)知行為的信息加工處理，主要研究如何通過(guò)以計(jì)算機(jī)為中心的人工信息處理系統(tǒng)，對(duì)人的各種認(rèn)知行為（如知覺(jué)、思維、記憶、語(yǔ)言、學(xué)習(xí)、理解、推理、識(shí)別等）進(jìn)行信息處理。這是研究認(rèn)知科學(xué)和認(rèn)知行為的工具，應(yīng)成為現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)和現(xiàn)代認(rèn)知生理學(xué)的重要研究手段。1.2.2 人類(lèi)智能的計(jì)算機(jī)模擬1、機(jī)器智能可以模擬人類(lèi)智能物理符號(hào)系統(tǒng)假設(shè)的推論一告訴人們，人有智能，所以他是一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)；推論三指出，可以編寫(xiě)出計(jì)算機(jī)程序去模擬人類(lèi)的思維活動(dòng)。這就是說(shuō)，人和計(jì)算機(jī)這兩個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)所使用的物理符號(hào)是相同的，因而計(jì)算機(jī)可以模擬人類(lèi)的智能活動(dòng)過(guò)程。討論：為什么能夠用電腦模擬人腦智能？2、智能計(jì)算機(jī)的功能如下棋、證明定理、翻譯語(yǔ)言文字和解決難題等。神經(jīng)計(jì)算機(jī)(neural computer)能夠以類(lèi)似人類(lèi)的方式進(jìn)行“思考”，它力圖重建人腦的形象。一些國(guó)家對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究也已起步，希望通過(guò)對(duì)量子計(jì)算(quantum computing)的研究，產(chǎn)生量子計(jì)算機(jī)。1.3 人工智能的學(xué)派教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)主要介紹人工智能的幾個(gè)主要學(xué)派及認(rèn)知觀。教學(xué)重點(diǎn)：符號(hào)主義(Symbolicism)，聯(lián)結(jié)主義(Connectionism)，行為主義(Actionism)。教學(xué)難點(diǎn)：各學(xué)派的對(duì)人工智能的不同觀點(diǎn)。教學(xué)方法：課堂講授為主。教學(xué)要求：了解各派別之間的關(guān)系及對(duì)人工智能發(fā)展歷史的看法。1、人工智能三大學(xué)派符號(hào)主義(Symbolicism)，又稱(chēng)為邏輯主義(Logicism)、心理學(xué)派(Psychlogism)或計(jì)算機(jī)學(xué)派(Computerism)，其原理主要為物理符號(hào)系統(tǒng)(即符號(hào)操作系統(tǒng))假設(shè)和有限合理性原理。聯(lián)結(jié)主義(Connectionism)，又稱(chēng)為仿生學(xué)派(Bionicsism)或生理學(xué)派(Physiologism)，其原理主要為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間的連接機(jī)制與學(xué)習(xí)算法。行為主義(Actionism)，又稱(chēng)進(jìn)化主義(Evolutionism)或控制論學(xué)派(Cyberneticsism)，其原理為控制論及感知?jiǎng)幼餍涂刂葡到y(tǒng)。2、三大學(xué)派對(duì)人工智能發(fā)展歷史的不同看法符號(hào)主義 認(rèn)為人工智能源于數(shù)理邏輯。符號(hào)主義仍然是人工智能的主流派。這個(gè)學(xué)派的代表有紐厄爾、肖、西蒙和尼爾遜(Nilsson)等。聯(lián)結(jié)主義 認(rèn)為人工智能源于仿生學(xué)，特別是人腦模型的研究。行為主義 認(rèn)為人工智能源于控制論。這一學(xué)派的代表作首推布魯克斯(Brooks)的六足行走機(jī)器人，它被看做新一代的“控制論動(dòng)物”，是一個(gè)基于感知?jiǎng)幼髂Ｊ降哪M昆蟲(chóng)行為的控制系統(tǒng)。1.4 人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)主要討論人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。教學(xué)重點(diǎn)：人工智能的一些主要研究與應(yīng)用領(lǐng)域。教學(xué)難點(diǎn)：處理好各領(lǐng)域間的交叉關(guān)系。教學(xué)方法：課堂講授為主。教學(xué)要求：初步了解人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域。1.4.1 問(wèn)題求解人工智能的第一個(gè)大成就是發(fā)展了能夠求解難題的下棋(如國(guó)際象棋)程序，它包含問(wèn)題的表示、分解、搜索與歸約等。1.4.2 邏輯推理與定理證明邏輯推理是人工智能研究中最持久的子領(lǐng)域之一，特別重要的是要找到一些方法，只把注意力集中在一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)中的有關(guān)事實(shí)上，留意可信的證明，并在出現(xiàn)新信息時(shí)適時(shí)修正這些證明。定理證明的研究在人工智能方法的發(fā)展中曾經(jīng)產(chǎn)生過(guò)重要的影響。例如，采用謂詞邏輯語(yǔ)言的演繹過(guò)程的形式化有助于更清楚地理解推理的某些子命題。許多非形式的工作，包括醫(yī)療診斷和信息檢索都可以和定理證明問(wèn)題一樣加以形式化。因此，在人工智能方法的研究中定理證明是一個(gè)極其重要的論題。我國(guó)人工智能大師吳文俊院士提出并實(shí)現(xiàn)了幾何定理機(jī)器證明的方法，被國(guó)際上承認(rèn)為“吳氏方法”，是定理證明的又一標(biāo)志性成果。1.4.3 自然語(yǔ)言理解語(yǔ)言處理也是人工智能的早期研究領(lǐng)域之一，并引起了進(jìn)一步的重視。語(yǔ)言的生成和理解是一個(gè)極為復(fù)雜的編碼和解碼問(wèn)題。一個(gè)能理解自然語(yǔ)言信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)看起來(lái)就像一個(gè)人一樣需要有上下文知識(shí)以及根據(jù)這些上下文知識(shí)和信息用信息發(fā)生器進(jìn)行推理的過(guò)程。理解口頭的和書(shū)寫(xiě)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所取得的某些進(jìn)展，其基礎(chǔ)就是有關(guān)表示上下文知識(shí)結(jié)構(gòu)的某些人工智能思想以及根據(jù)這些知識(shí)進(jìn)行推理的某些技術(shù)。1.4.4 自動(dòng)程序設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)程序設(shè)計(jì)的研究不僅可以促進(jìn)半自動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展，而且也使通過(guò)修正自身數(shù)碼進(jìn)行學(xué)習(xí)(即修正它們的性能)的人工智能系統(tǒng)得到發(fā)展。程序理論方面的有關(guān)研究工作對(duì)人工智能的所有研究工作都是很重要的。自動(dòng)程序設(shè)計(jì)研究的重大貢獻(xiàn)之一是作為問(wèn)題求解策略的調(diào)整概念。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)程序設(shè)計(jì)或機(jī)器人控制問(wèn)題，先產(chǎn)生一個(gè)不費(fèi)事的有錯(cuò)誤的解，然后再修改它(使它正確工作)，這種做法一般要比堅(jiān)持要求第一個(gè)解就完全沒(méi)有缺陷的做法有效得多。1.4.5 專(zhuān)家系統(tǒng)一般地說(shuō)，專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有大量專(zhuān)家水平的某個(gè)領(lǐng)域知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)解決該領(lǐng)域的問(wèn)題。發(fā)展專(zhuān)家系統(tǒng)的關(guān)鍵是表達(dá)和運(yùn)用專(zhuān)家知識(shí)，即來(lái)自人類(lèi)專(zhuān)家的并已被證明對(duì)解決有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的典型問(wèn)題是有用的事實(shí)和過(guò)程。1.4.6 機(jī)器學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)是人類(lèi)智能的主要標(biāo)志和獲得知識(shí)的基本手段；機(jī)器學(xué)習(xí)(自動(dòng)獲取新的事實(shí)及新的推理算法)是使計(jì)算機(jī)具有智能的根本途徑；機(jī)器學(xué)習(xí)還有助于發(fā)現(xiàn)人類(lèi)學(xué)習(xí)的機(jī)理和揭示人腦的奧秘。學(xué)習(xí)是一個(gè)有特定目的的知識(shí)獲取過(guò)程，其內(nèi)部表現(xiàn)為新知識(shí)結(jié)構(gòu)的不斷建立和修改，而外部表現(xiàn)為性能的改善。1.4.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理直覺(jué)和形象思維信息具有比傳統(tǒng)處理方式好得多的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在模式識(shí)別、圖象處理、組合優(yōu)化、自動(dòng)控制、信息處理、機(jī)器人學(xué)和人工智能的其它領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。1.4.8 機(jī)器人學(xué)人工智能研究日益受到重視的另一個(gè)分支是機(jī)器人學(xué)，其中包括對(duì)操作機(jī)器人裝置程序的研究。這個(gè)領(lǐng)域所研究的問(wèn)題，從機(jī)器人手臂的最佳移動(dòng)到實(shí)現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)的動(dòng)作序列的規(guī)劃方法，無(wú)所不包。目前已經(jīng)建立了一些比較復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人和機(jī)器人學(xué)的研究促進(jìn)了許多人工智能思想的發(fā)展。智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用體現(xiàn)出廣泛的學(xué)科交叉，涉及眾多的課題，機(jī)器人已在各領(lǐng)域獲得越來(lái)越普遍的應(yīng)用。1.4.9 模式識(shí)別人工智能所研究的模式識(shí)別是指用計(jì)算機(jī)代替人類(lèi)或幫助人類(lèi)感知模式，是對(duì)人類(lèi)感知外界功能的模擬，研究的是計(jì)算機(jī)模式識(shí)別系統(tǒng)，也就是使一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有模擬人類(lèi)通過(guò)感官接受外界信息、識(shí)別和理解周?chē)h(huán)境的感知能力。1.4.10 機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)表明，人類(lèi)接受外界信息的80%以上來(lái)自視覺(jué)，視覺(jué)對(duì)人類(lèi)是非常重要的。機(jī)器視覺(jué)或計(jì)算機(jī)視覺(jué)已從模式識(shí)別的一個(gè)研究領(lǐng)域發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科；在視覺(jué)方面，已經(jīng)給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝上電視輸入裝置以便能夠“看見(jiàn)”周?chē)臇|西。機(jī)器視覺(jué)的前沿研究領(lǐng)域包括實(shí)時(shí)并行處理、主動(dòng)式定性視覺(jué)、動(dòng)態(tài)和時(shí)變視覺(jué)、三維景物的建模與識(shí)別、實(shí)時(shí)圖像壓縮傳輸和復(fù)原、多光譜和彩色圖像的處理與解釋等。1.4.11 智能控制人工智能的發(fā)展促進(jìn)自動(dòng)控制向智能控制發(fā)展。智能控制是一類(lèi)無(wú)需(或需要盡可能少的)人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。智能控制是同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義世界模型和數(shù)學(xué)公式模型表示的混合控制過(guò)程，也往往是含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性或不確定性以及不存在已知算法的非數(shù)學(xué)過(guò)程，并以知識(shí)進(jìn)行推理，以啟發(fā)來(lái)引導(dǎo)求解過(guò)程。1.4.12 智能檢索隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了“知識(shí)爆炸”的情況，研究智能檢索系統(tǒng)已成為科技持續(xù)快速發(fā)展的重要保證。智能信息檢索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們將面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。首先，建立一個(gè)能夠理解以自然語(yǔ)言陳述的詢(xún)問(wèn)系統(tǒng)本身就存在不少問(wèn)題。其次，即使能夠通過(guò)規(guī)定某些機(jī)器能夠理解的形式化詢(xún)問(wèn)語(yǔ)句來(lái)回避語(yǔ)言理解問(wèn)題，但仍然存在一個(gè)如何根據(jù)存儲(chǔ)的事實(shí)演繹出答案的問(wèn)題。第三，理解詢(xún)問(wèn)和演繹答案所需要的知識(shí)都可能超出該學(xué)科領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫(kù)所表示的知識(shí)。1.4.13 智能調(diào)度與指揮確定最佳調(diào)度或組合的問(wèn)題是人們感興趣的又一類(lèi)問(wèn)題，求解這類(lèi)問(wèn)題的程序會(huì)產(chǎn)生一種組合爆炸的可能性，這時(shí)，即使是大型計(jì)算機(jī)的容量也會(huì)被用光。人工智能學(xué)家們?cè)?jīng)研究過(guò)若干組合問(wèn)題的求解方法。他們的努力集中在使“時(shí)間-問(wèn)題大小”曲線的變化盡可能緩慢地增長(zhǎng)，即使是必須按指數(shù)方式增長(zhǎng)。有關(guān)問(wèn)題域的知識(shí)再次成為比較有效的求解方法的關(guān)鍵。為處理組合問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的許多方法對(duì)其它組合上不甚嚴(yán)重的問(wèn)題也是有用的。1.4.14 分布式人工智能與Agent分布式人工智能(Distributed AI, DAI)是分布式計(jì)算與人工智能結(jié)合的結(jié)果。DAI系統(tǒng)以魯棒性作為控制系統(tǒng)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，并具有互操作性，即不同的異構(gòu)系統(tǒng)在快速變化的環(huán)境中具有交換信息和協(xié)同工作的能力。分布式人工智能的研究目標(biāo)是要?jiǎng)?chuàng)建一種能夠描述自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)的精確概念模型。多agent系統(tǒng)(Multiagent System, MAS) 更能體現(xiàn)人類(lèi)的社會(huì)智能，具有更大的靈活性和適應(yīng)性，更適合開(kāi)放和動(dòng)態(tài)的世界環(huán)境，因而倍受重視，已成為人工智能以至計(jì)算機(jī)科學(xué)和控制科學(xué)與工程的研究熱點(diǎn)。1.4.15 計(jì)算智能與進(jìn)化計(jì)算計(jì)算智能(Computing Intelligence)涉及神經(jīng)計(jì)算、模糊計(jì)算、進(jìn)化計(jì)算等研究領(lǐng)域。進(jìn)化計(jì)算(Evolutionary Computation)是指一類(lèi)以達(dá)爾文進(jìn)化論為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化人工系統(tǒng)的技術(shù)和方法的總稱(chēng)，它包括遺傳算法(Genetic Algorithms)、進(jìn)化策略(Evolutionary Strategies)和進(jìn)化規(guī)劃(Evolutionary Programming)。1.4.16 數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)知識(shí)獲取是知識(shí)信息處理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。數(shù)據(jù)挖掘是通過(guò)綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、粗糙集、模糊數(shù)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)和專(zhuān)家系統(tǒng)等多種學(xué)習(xí)手段和方法，從大量的數(shù)據(jù)中提煉出抽象的知識(shí)，從而揭示出蘊(yùn)涵在這些數(shù)據(jù)背后的客觀世界的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自動(dòng)獲取。數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)已獲廣泛應(yīng)用。1.4.17 人工生命人工生命(Artificial Life, ALife)旨在用計(jì)算機(jī)和精密機(jī)械等人工媒介生成或構(gòu)造出能夠表現(xiàn)自然生命系統(tǒng)行為特征的仿真系統(tǒng)或模型系統(tǒng)。自然生命系統(tǒng)行為具有自組織、自復(fù)制、自修復(fù)等特征以及形成這些特征的混沌動(dòng)力學(xué)、進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)。人工生命所研究的人造系統(tǒng)能夠演示具有自然生命系統(tǒng)特征的行為，在“生命之所能”(life as it could be)的廣闊范圍內(nèi)深入研究“生命之所知”(life as we know it)的實(shí)質(zhì)。人工生命學(xué)科的研究?jī)?nèi)容包括生命現(xiàn)象的仿生系統(tǒng)、人工建模與仿真、進(jìn)化動(dòng)力學(xué)、人工生命的計(jì)算理論、進(jìn)化與學(xué)習(xí)綜合系統(tǒng)以及人工生命的應(yīng)用等。1.4.18 系統(tǒng)與語(yǔ)言工具除了直接瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)智能的研究工作外，開(kāi)發(fā)新的方法也往往是人工智能研究的一個(gè)重要方面。人工智能對(duì)計(jì)算機(jī)界的某些最大貢獻(xiàn)已經(jīng)以派生的形式表現(xiàn)出來(lái)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些概念，如分時(shí)系統(tǒng)、編目處理系統(tǒng)和交互調(diào)試系統(tǒng)等，已經(jīng)在人工智能研究中得到發(fā)展。1.5 本書(shū)概要本書(shū)包括下列內(nèi)容：1、簡(jiǎn)述人工智能的起源與發(fā)展，討論人工智能的定義、人工智能與計(jì)算機(jī)的關(guān)系以及人工智能的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。2、比較概括地論述知識(shí)表示的各種主要方法，包括狀態(tài)空間法、問(wèn)題歸約法、謂詞邏輯法、結(jié)構(gòu)化表示法（語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法、框架）、劇本和過(guò)程等。3、討論常用搜索原理，如盲目搜索、啟發(fā)式搜索和消解原理等；并研究一些比較高級(jí)的推理求解技術(shù)，如規(guī)則演繹系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)、系統(tǒng)組織技術(shù)、不確定性推理和非單調(diào)推理等。4、介紹近期發(fā)展起來(lái)的已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)的人工智能技術(shù)和方法，即分布式人工智能與agent、計(jì)算智能（含神經(jīng)計(jì)算、邏輯計(jì)算與進(jìn)化計(jì)算）、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)、人工生命等。5、比較詳細(xì)地分析人工智能的主要應(yīng)用領(lǐng)域，涉及專(zhuān)家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)和自然語(yǔ)言理解等。6、敘述近年來(lái)人工智能研究中出現(xiàn)的爭(zhēng)論，展望人工智能的發(fā)展。1.6 辯論會(huì)主題：人工智能能否超過(guò)人類(lèi)智能？正方觀點(diǎn)：人工智能不會(huì)超過(guò)人類(lèi)智能。反方觀點(diǎn)：人工智能能夠超過(guò)人類(lèi)智能。第二章 知識(shí)表示方法教學(xué)內(nèi)容：本章討論知識(shí)表示的各種方法，是人工智能課程三大內(nèi)容（知識(shí)表示、知識(shí)推理、知識(shí)應(yīng)用）之一，也是學(xué)習(xí)人工智能其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)：狀態(tài)空間法、問(wèn)題歸約法、謂詞邏輯法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法。教學(xué)難點(diǎn)：狀態(tài)描述與狀態(tài)空間圖示、問(wèn)題歸約機(jī)制、置換與合一。教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，同時(shí)結(jié)合離散數(shù)學(xué)等已學(xué)的內(nèi)容實(shí)時(shí)提問(wèn)、收集學(xué)生學(xué)習(xí)情況，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來(lái)表示抽象概念。教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握用狀態(tài)空間法、問(wèn)題歸約法、謂詞演算法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法來(lái)描述問(wèn)題；解決問(wèn)題；掌握幾種主要方法之間的差別；并對(duì)其它幾種表示方法有一般了解。2.1 狀態(tài)空間法教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)是通過(guò)狀態(tài)空間法來(lái)求解問(wèn)題，它是以狀態(tài)和算符(operator)為基礎(chǔ)來(lái)表示和求解問(wèn)題的。教學(xué)重點(diǎn)：?jiǎn)栴}的狀態(tài)描述，操作符。教學(xué)難點(diǎn)：選擇一個(gè)好的狀態(tài)描述與狀態(tài)空間表示方案。教學(xué)方法：以課堂教學(xué)為主；充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的多媒體素材來(lái)闡述抽象概念。教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握對(duì)某個(gè)問(wèn)題的狀態(tài)空間描述，學(xué)會(huì)組織狀態(tài)空間圖，用搜索圖來(lái)求解問(wèn)題。2.1.1 問(wèn)題狀態(tài)描述1、狀態(tài)（State）的基本概念狀態(tài)(state)是為描述某類(lèi)不同事物間的差別而引入的一組最少變量q0，q1，qn的有序集合，其矢量形式如下：Q=q0,q1,qnT (2.1)提問(wèn)： 1. 列舉已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的“狀態(tài)”概念，并比較之。2. 列舉算符。舉例： 列舉幾個(gè)日常生活中狀態(tài)與算符的例子，如：棋局。討論： 每走一步后，棋局都變化了，以此來(lái)理解問(wèn)題的狀態(tài)空間。式中每個(gè)元素qi(i=0,1，n)為集合的分量，稱(chēng)為狀態(tài)變量。給定每個(gè)分量的一組值就得到一個(gè)具體的狀態(tài)，如Qk=qk,q1k,，qnkT (2.2)算符：使問(wèn)題從一種狀態(tài)變化為另一種狀態(tài)的手段稱(chēng)為操作符或算符。操作符可為走步、過(guò)程、規(guī)則、數(shù)學(xué)算子、運(yùn)算符號(hào)或邏輯符號(hào)等。問(wèn)題的狀態(tài)空間(state space)是一個(gè)表示該問(wèn)題全部可能狀態(tài)及其關(guān)系的圖，它包含三種說(shuō)明的集合，即所有可能的問(wèn)題初始狀態(tài)集合S、操作符集合F以及目標(biāo)狀態(tài)集合G。因此，可把狀態(tài)空間記為三元狀態(tài)(S，F(xiàn)，G)。2、狀態(tài)空間的表示法舉例：講解初始狀態(tài)、算符、中間狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)之間的關(guān)系；講解三數(shù)碼難題的狀態(tài)變化過(guò)程。對(duì)一個(gè)問(wèn)題的狀態(tài)描述，必須確定3件事：(1) 該狀態(tài)描述方式，特別是初始狀態(tài)描述；(2) 操作符集合及其對(duì)狀態(tài)描述的作用；(3) 目標(biāo)狀態(tài)描述的特性。2.1.2 狀態(tài)圖示法圖的基本概念圖由節(jié)點(diǎn)(不一定是有限的節(jié)點(diǎn))的集合構(gòu)成。一對(duì)節(jié)點(diǎn)用弧線連接起來(lái)，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種圖叫做有向圖(directed graph)。提問(wèn)：舉已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的“有向圖”、“路徑”及“代價(jià)”等的概念。舉例：針對(duì)三數(shù)碼難題的狀態(tài)變化過(guò)程講解圖的幾個(gè)基本概念。某個(gè)節(jié)點(diǎn)序列(ni1,ni2,nik)當(dāng)j=2，3，k時(shí)，如果對(duì)于每一個(gè)ni，j-1都有一個(gè)后繼節(jié)點(diǎn)nij存在，那么就把這個(gè)節(jié)點(diǎn)序列叫做從節(jié)點(diǎn)ni1至節(jié)點(diǎn)nik的長(zhǎng)度為k的路徑。代價(jià)(cost) 是給各弧線指定數(shù)值以表示加在相應(yīng)算符上的代價(jià)。圖的顯式說(shuō)明 是指各節(jié)點(diǎn)及其具有代價(jià)的弧線由一張表明確給出。圖的隱式說(shuō)明 是指各節(jié)點(diǎn)及其具有代價(jià)的弧線不能由一張表明確給出。2.1.3 狀態(tài)空間表示舉例1、產(chǎn)生式系統(tǒng)一個(gè)產(chǎn)生式系統(tǒng)由下列3部分組成：一個(gè)總數(shù)據(jù)庫(kù)(global database)，它含有與具體任務(wù)有關(guān)的信息。一套規(guī)則，它對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作運(yùn)算。每條規(guī)則由左右兩部分組成，左部鑒別規(guī)則的適用性或先決條件，右部描述規(guī)則應(yīng)用時(shí)所完成的動(dòng)作。應(yīng)用規(guī)則來(lái)改變數(shù)據(jù)庫(kù)。一個(gè)控制策略，它確定應(yīng)該采用哪一條適用規(guī)則，而且當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的終止條件滿(mǎn)足時(shí)，就停止計(jì)算。2、狀態(tài)空間表示舉例猴子與香蕉的問(wèn)題狀態(tài)空間表示 用四元組（W，x，y，z）其中：W猴子的水平位置；x當(dāng)猴子在箱子頂上時(shí)取x=1；否則取x=0；Y箱子的水平位置；z當(dāng)猴子摘到香蕉時(shí)取z=1；否則取z=0。算符（1） goto(U)猴子走到水平位置U；（2） pushbox(V)猴子把箱子推到水平位置V；（3） climbbox猴子爬上箱頂；（4） grasp猴子摘到香蕉。舉例：針對(duì)多媒體上的猴子與香蕉問(wèn)題的狀態(tài)空間圖，講解問(wèn)題的狀態(tài)空間表示和產(chǎn)生式規(guī)則的應(yīng)用。求解過(guò)程 令初始狀態(tài)為(a,0,b,0)。這時(shí)，goto(U)是唯一適用的操作，并導(dǎo)致下一狀態(tài)(U，0，b,0)?，F(xiàn)在有3個(gè)適用的操作，即goto(U)，pushbox(V)和climbbox(若U=b)。把所有適用的操作 繼續(xù)應(yīng)用于每個(gè)狀態(tài)，我們就能夠得到狀態(tài)空間圖，如圖所示。從圖不難看出，把該初始狀態(tài)變換為目標(biāo)狀態(tài)的操作序列為：goto(b),pushbox(c),climbbox,grasp2.2 問(wèn)題歸約法教學(xué)內(nèi)容：知識(shí)表示的歸約法，即已知問(wèn)題的描述，通過(guò)一系列變換把此問(wèn)題最終變?yōu)橐粋€(gè)子問(wèn)題集合；這些子問(wèn)題的解可以直接得到，從而解決了初始問(wèn)題的方法。教學(xué)重點(diǎn)：?jiǎn)栴}歸約的基本思想，問(wèn)題描述，問(wèn)題變換的操作符，與或圖表示。教學(xué)難點(diǎn)：如何把初始問(wèn)題變換為子問(wèn)題，與或圖表示方法。教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的相關(guān)多媒體素材來(lái)表示抽象概念。教學(xué)要求：通過(guò)梵塔難題重點(diǎn)掌握問(wèn)題歸約法的機(jī)理和問(wèn)題歸約描述方法。學(xué)會(huì)用與或圖表示歸約問(wèn)題。2.2.1 問(wèn)題歸約描述1、問(wèn)題歸約法的概念已知問(wèn)題的描述，通過(guò)一系列變換把此問(wèn)題最終變?yōu)橐粋€(gè)子問(wèn)題集合；這些子問(wèn)題的解可以直接得到，從而解決了初始問(wèn)題。該方法也就是從目標(biāo)(要解決的問(wèn)題)出發(fā)逆向推理，建立子問(wèn)題以及子問(wèn)題的子問(wèn)題，直至最后把初始問(wèn)題歸約為一個(gè)平凡的本原問(wèn)題集合。這就是問(wèn)題歸約的實(shí)質(zhì)。2、問(wèn)題歸約法的組成部分（1）一個(gè)初始問(wèn)題描述；（2）一套把問(wèn)題變換為子問(wèn)題的操作符；（3）一套本原問(wèn)題描述。3、示例：梵塔難題問(wèn)題 有3個(gè)柱子(1，2，3)和3個(gè)不同尺寸的圓盤(pán)(A，B，C)。在每個(gè)圓盤(pán)的中心有個(gè)孔，所以圓盤(pán)可以堆疊在柱子上。最初，全部3個(gè)圓盤(pán)都堆在柱子1上：最大的圓盤(pán)C在底部，最小的圓盤(pán)A在頂部。要求把所有圓盤(pán)都移到柱子3上，每次只許移動(dòng)一個(gè)，而且只能先搬動(dòng)柱子頂部的圓盤(pán)，還不許把尺寸較大的圓盤(pán)堆放在尺寸較小的圓盤(pán)上。歸約過(guò)程 講述：梵塔問(wèn)題的來(lái)源。提問(wèn)：一圓盤(pán)問(wèn)題要走幾步？?jī)蓤A盤(pán)問(wèn)題要走幾步？三個(gè)、四個(gè)等？（1）移動(dòng)圓盤(pán)A和B至柱子2的雙圓盤(pán)難題；（2）移動(dòng)圓盤(pán)C至柱子3的單圓盤(pán)難題；（3）移動(dòng)圓盤(pán)A和B至柱子3的雙圓盤(pán)難題。由上可以看出簡(jiǎn)化了難題每一個(gè)都比原始難題容易，所以問(wèn)題都會(huì)變成易解的本原問(wèn)題。4、歸約描述問(wèn)題歸約方法是應(yīng)用算符來(lái)把問(wèn)題描述變換為子問(wèn)題描述?？梢杂脿顟B(tài)空間表示的三元組合(S、F、G)來(lái)規(guī)定與描述問(wèn)題；對(duì)于梵塔問(wèn)題，子問(wèn)題（111）=(122)，(122)=(322)以及(322)=(333)規(guī)定了最后解答路徑將要通過(guò)的腳踏石狀態(tài)(122)和(322)。問(wèn)題歸約方法可以應(yīng)用狀態(tài)、算符和目標(biāo)這些表示法來(lái)描述問(wèn)題，這并不意味著問(wèn)題歸約法和狀態(tài)空間法是一樣的。2.2.2 與或圖表示舉例：含有與圖與或圖的混合圖。提問(wèn)：對(duì)于一個(gè)與或圖如何引入附加節(jié)點(diǎn)，使得后繼問(wèn)題的每個(gè)集合能夠聚集在它們各自的父輩節(jié)點(diǎn)之下。1、與或圖的概念用一個(gè)類(lèi)似圖的結(jié)構(gòu)來(lái)表示把問(wèn)題歸約為后繼問(wèn)題的替換集合，畫(huà)出歸約問(wèn)題圖。例如，設(shè)想問(wèn)題A需要由求解問(wèn)題B、C和D來(lái)決定，那么可以用一個(gè)與圖來(lái)表示；同樣，一個(gè)問(wèn)題A或者由求解問(wèn)題B、或者由求解問(wèn)題C來(lái)決定，則可以用一個(gè)或圖來(lái)表示。2、與或圖的有關(guān)術(shù)語(yǔ)父節(jié)點(diǎn) 是一個(gè)初始問(wèn)題或是可分解為子問(wèn)題的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)；舉例：對(duì)于一個(gè)與或圖。提問(wèn)：指出圖中的父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)、或節(jié)點(diǎn)、與節(jié)點(diǎn)、弧線和終葉節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn) 是一個(gè)初始問(wèn)題或是子問(wèn)題分解的子問(wèn)題節(jié)點(diǎn)；或節(jié)點(diǎn) 只要解決某個(gè)問(wèn)題就可解決其父輩問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)集合；與節(jié)點(diǎn) 只有解決所有子問(wèn)題，才能解決其父輩問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)集合；弧線 是父輩節(jié)點(diǎn)指向子節(jié)點(diǎn)的圓弧連線；終葉節(jié)點(diǎn) 是對(duì)應(yīng)于原問(wèn)題的本原節(jié)點(diǎn)。3、與或圖的有關(guān)定義舉例：對(duì)于一個(gè)與或圖。提問(wèn)：指出圖中的終葉節(jié)點(diǎn)、可解節(jié)點(diǎn)、不可解節(jié)點(diǎn)?？山夤?jié)點(diǎn) 與或圖中一個(gè)可解節(jié)點(diǎn)的一般定義可以歸納如下：(1) 終葉節(jié)點(diǎn)是可解節(jié)點(diǎn)(因?yàn)樗鼈兣c本原問(wèn)題相關(guān)連)。(2) 如果某個(gè)非終葉節(jié)點(diǎn)含有或后繼節(jié)點(diǎn)，那么只有當(dāng)其后繼節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)是可解的時(shí)，此非終葉節(jié)點(diǎn)才是可解的。舉例：對(duì)于三圓盤(pán)梵塔難題根據(jù)構(gòu)圖規(guī)則畫(huà)出其歸約圖。提問(wèn)：指出圖中的終葉節(jié)點(diǎn)、可解節(jié)點(diǎn)、不可解節(jié)點(diǎn)。課后作業(yè)：教材第二章習(xí)題22與25(3) 如果某個(gè)非終葉節(jié)點(diǎn)含有與后繼節(jié)點(diǎn)，那么只要當(dāng)其后繼節(jié)點(diǎn)全部為可解時(shí)，此非終葉節(jié)點(diǎn)才是可解的。不可解節(jié)點(diǎn) 不可解節(jié)點(diǎn)的一般定義歸納于下：(1) 沒(méi)有后裔的非終葉節(jié)點(diǎn)為不可解節(jié)點(diǎn)。(2) 如果某個(gè)非終葉節(jié)點(diǎn)含有或后繼節(jié)點(diǎn)，那么只有當(dāng)其全部后裔為不可解時(shí)，此非終葉節(jié)點(diǎn)才是不可解的。(3) 如果某個(gè)非終葉節(jié)點(diǎn)含有與后繼節(jié)點(diǎn)，那么只要當(dāng)其后裔至少有一個(gè)為不可解時(shí)，此非終葉節(jié)點(diǎn)才是不可解的。4、與或圖構(gòu)圖規(guī)則(1) 與或圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)要解決的單一問(wèn)題或問(wèn)題集合。圖中所含起始節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于原始問(wèn)題。(2) 對(duì)應(yīng)于本原問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)，叫做終葉節(jié)點(diǎn)，它沒(méi)有后裔。(3) 對(duì)于把算符應(yīng)用于問(wèn)題A的每種可能情況，都把問(wèn)題變換為一個(gè)子問(wèn)題集合；有向弧線自A指向后繼節(jié)點(diǎn)，表示所求得的子問(wèn)題集合。(4) 一般對(duì)于代表兩個(gè)或兩個(gè)以上子問(wèn)題集合的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，有向弧線從此節(jié)點(diǎn)指向此子問(wèn)題集合中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。(5) 在特殊情況下，當(dāng)只有一個(gè)算符可應(yīng)用于問(wèn)題A，而且這個(gè)算符產(chǎn)生具有一個(gè)以上子問(wèn)題的某個(gè)集合時(shí)，由上述規(guī)則3和規(guī)則4所產(chǎn)生的圖可以得到簡(jiǎn)化。2.3 謂詞邏輯法教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)主要講述問(wèn)題的謂詞邏輯表示的基本方法。教學(xué)重點(diǎn)：謂詞邏輯、謂詞公式、謂詞演算、置換與合一。教學(xué)難點(diǎn)：如何選擇謂詞，問(wèn)題的謂詞邏輯表示及運(yùn)算。教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程中的示例程序。教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握謂詞邏輯表示的語(yǔ)言與方法，掌握謂詞公式的性質(zhì)及謂詞演算，學(xué)會(huì)謂詞公式的置換與合一，運(yùn)用謂詞推理來(lái)解決問(wèn)題。2.3.1 謂詞演算1、語(yǔ)法和語(yǔ)義謂詞邏輯的基本組成部分是謂詞符號(hào)、變量符號(hào)、函數(shù)符號(hào)和常量符號(hào)，并用圓括弧、方括弧、花括弧和逗號(hào)隔開(kāi)，以表示論域內(nèi)的關(guān)系。原子公式是由若干謂詞符號(hào)和項(xiàng)組成，只有當(dāng)其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句在定義域內(nèi)為真時(shí)，才具有值T(真)；而當(dāng)其對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句在定義域內(nèi)為假時(shí)，該原子公式才具有值F(假)。2、連詞和量詞連詞有(與)、(或)，全稱(chēng)量詞(x)，存在量詞(x)。原子公式是謂詞演算的基本積木塊，運(yùn)用連詞能夠組合多個(gè)原子公式以構(gòu)成比較復(fù)雜的合適公式。3、幾個(gè)有關(guān)定義用連詞把幾個(gè)公式連接起來(lái)而構(gòu)成的公式叫做合取，而此合取式的每個(gè)組成部分叫做合取項(xiàng)。一些合適公式所構(gòu)成的任一合取也是一個(gè)合適公式。用連詞把幾個(gè)公式連接起來(lái)所構(gòu)成的公式叫做析取，而此析取式的每一組成部分叫做析取項(xiàng)。由一些合適公式所構(gòu)成的任一析取也是一個(gè)合適公式。用連詞=連接兩個(gè)公式所構(gòu)成的公式叫做蘊(yùn)涵。蘊(yùn)涵的左式叫做前項(xiàng)，右式叫做后項(xiàng)。如果前項(xiàng)和后項(xiàng)都是合適公式，那么蘊(yùn)涵也是合適公式。前面具有符號(hào)的公式叫做否定。一個(gè)合適公式的否定也是合適公式。量化一個(gè)合適公式中的某個(gè)變量所得到的表達(dá)式也是合適公式。如果一個(gè)合適公式中某個(gè)變量是經(jīng)過(guò)量化的，就把這個(gè)變量叫做約束變量，否則就叫它為自由變量。在合適公式中，感興趣的主要是所有變量都是受約束的。這樣的合適公式叫做句子。2.3.2 謂詞公式1、謂詞合適公式的定義舉例：試把下列命題表示為謂詞公式：任何整數(shù)或者為正或者為負(fù)。提問(wèn)：指出此例題謂詞公式中的量詞、連詞及蘊(yùn)涵符號(hào)。在謂詞演算中合適公式的遞歸定義如下：(1) 原子謂詞公式是合適公式。(2) 若A為合適公式，則A也是一個(gè)合適公式。(3) 若A和B都是合適公式，則(AB)，(AB)，(A=B)和(AB)也都是合適公式。(4) 若A是合適公式，x為A中的自由變?cè)?，則(x)A和(x)A都是合適公式。(5) 只有按上述規(guī)則(1)至(4)求得的那些公式，才是合適公式。2、合適公式的性質(zhì)(1) 否定之否定(P)等價(jià)于P(2) PQ等價(jià)于P=Q(3) 狄摩根定律(PQ)等價(jià)于PQ(PQ)等價(jià)于PQ(4) 分配律P(QR)等價(jià)于(PQ)(PR)P(QR)等價(jià)于(PQ)(PR)(5) 交換律PQ等價(jià)于QPPQ等價(jià)于QP(6) 結(jié)合律(PQ)R等價(jià)于P(QR)(PQ)R等價(jià)于P(QR)(7) 逆否律P=Q等價(jià)于Q=P此外，還可建立下列等價(jià)關(guān)系：(8) (x)P(x)等價(jià)于(x)P(x)(x)P(x)等價(jià)于(x)P(x)(9) (x)P(x)Q(x)等價(jià)于(x)P(x)(x)Q(x)證明：否定之否定，(P)等價(jià)于P。(x)P(x)Q(x)等價(jià)于(x)P(x)(x)Q(x)(10) (x)P(x)等價(jià)于(y)P(y)(x)P(x)等價(jià)于(y)P(y)2.3.3 置換與合一1、置換假元推理，就是由合適公式W1和W1=W2產(chǎn)生合適公式W2的運(yùn)算。全稱(chēng)化推理，是由合適公式(x)W(x)產(chǎn)生合適公式W(A)，其中A為任意常量符號(hào)。一個(gè)表達(dá)式的置換就是在該表達(dá)式中用置換項(xiàng)置換變量。一般說(shuō)來(lái)，置換是可結(jié)合的，但置換是不可交換的。舉例：表達(dá)式Px,f(y),B的一個(gè)置換為s1=z/x,w/y，則：Px,f(y),Bs1=Pz,f(w),B2、合一尋找項(xiàng)對(duì)變量的置換，以使兩表達(dá)式一致，叫做合一(unification)。如果一個(gè)置換s作用于表達(dá)式集Ei的每個(gè)元素，則用Eis來(lái)表示置換例的集。稱(chēng)表達(dá)式集Ei是可合一的。如果存在一個(gè)置換s使得：E1s=E2s=E3s=那么稱(chēng)此s為Ei的合一者，因?yàn)閟的作用是使集合Ei成為單一形式。2.4 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法教學(xué)內(nèi)容：本節(jié)主要講述知識(shí)的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法。教學(xué)重點(diǎn)：語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示的詞法、結(jié)構(gòu)、過(guò)程、語(yǔ)義。教學(xué)難點(diǎn)：如何選擇節(jié)點(diǎn)和弧線來(lái)構(gòu)成語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。教學(xué)方法：課堂教學(xué)。教學(xué)要求：重點(diǎn)掌握語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，掌握二元語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示方法，了解語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。2.4.1 二元語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表示1 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的基本概念語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是知識(shí)的一種結(jié)構(gòu)化圖解表示，它由節(jié)點(diǎn)和弧線或鏈線組成。節(jié)點(diǎn)用于表示實(shí)體、概念和情況等，弧線用于表示節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示由下列4個(gè)相關(guān)部分組成：(1) 詞法部分 決定表示詞匯表中允許有哪些符號(hào)，它涉及各個(gè)節(jié)點(diǎn)和弧線。(2) 結(jié)構(gòu)部分 敘述符號(hào)排列的約束條件，指定各弧線連接的節(jié)點(diǎn)對(duì)。(3) 過(guò)程部分 說(shuō)明訪問(wèn)過(guò)程，這些過(guò)程能用來(lái)建立和修正描述，以及回答相關(guān)問(wèn)題。(4) 語(yǔ)義部分 確定與描述相關(guān)的(聯(lián)想)意義的方法即確定有關(guān)節(jié)點(diǎn)的排列及其占有物和對(duì)應(yīng)弧線。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)具有下列特點(diǎn)：(1) 能把實(shí)體的結(jié)構(gòu)、屬性與實(shí)體間的因果關(guān)系顯式地和簡(jiǎn)明地表達(dá)出來(lái)，與實(shí)體相關(guān)的事實(shí)、特征和關(guān)系可以通過(guò)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)弧線推導(dǎo)出來(lái)。(2) 由于與概念相關(guān)的屬性和聯(lián)系被組織在一個(gè)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中，因而使概念易于受訪和學(xué)習(xí)。(3) 表現(xiàn)問(wèn)題更加直觀，更易于理解，適于知識(shí)工程師與領(lǐng)域?qū)＜覝贤ā?4) 語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義解釋依賴(lài)于該結(jié)構(gòu)的推理過(guò)程而沒(méi)有結(jié)構(gòu)的約定，因而得到的推理不能保證像謂詞邏輯法那樣有效。(5) 節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系可能是線狀、樹(shù)狀或網(wǎng)狀的，甚至是遞歸狀的結(jié)構(gòu)，使相應(yīng)的知識(shí)存儲(chǔ)和檢索可能需要比較復(fù)雜的過(guò)程。2 二元語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表示用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和一條弧線可以表示一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，對(duì)于表示占有關(guān)系的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，是通過(guò)允許節(jié)點(diǎn)既可以表示一個(gè)物體或一組物體，也可以表示情況和動(dòng)作。每一情況節(jié)點(diǎn)可以有一組向外的弧(事例弧)，稱(chēng)為事例框，用以說(shuō)明與該事例有關(guān)的各種變量。舉例：用二元語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示：小燕是一只燕子，燕子是鳥(niǎo)；巢-1是小燕的巢，巢-1是巢中的一個(gè)。在選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先要弄清節(jié)點(diǎn)是用于表示基本的物體或概念的，或是用于多種目的的。否則，如果語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)只被用來(lái)表示一個(gè)特定的物體或概念，那么當(dāng)有更多的實(shí)例時(shí)就需要更多的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。選擇語(yǔ)義基元就是試圖用一組基元來(lái)表示知識(shí)。這些基元描述基本知識(shí)，并以圖解表示的形式相互聯(lián)系。2.4.2 多元語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的表示舉例：用”Liming is a man”的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)和謂詞邏輯表示說(shuō)明謂詞邏輯與語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的等效性。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)之間以鏈相連。從本質(zhì)上講，接點(diǎn)之間的連接是二元關(guān)系。語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，只能表示二元關(guān)系，如果所要表示的事實(shí)是多元關(guān)系，則把這個(gè)多元關(guān)系轉(zhuǎn)化成一組二元關(guān)系的組合，或二元關(guān)系的合取。具體來(lái)說(shuō)，多元關(guān)系R(X1，X2，Xn)總可以轉(zhuǎn)換成R1 (X11，X12)R2 (X21，X22)Rn (Xn1,Xn2)。要在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換需要引入附加節(jié)點(diǎn)。2.4.3 連詞和量化的表示可以用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示謂詞邏輯法中的各種連詞及量化。1 合取多元關(guān)系可以被轉(zhuǎn)換成一組二元關(guān)系的合取，從而可以用語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的形式表示出來(lái)。2 析取在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中，為與合取關(guān)系相區(qū)別，在析取關(guān)系的連接上加注析取界限，并標(biāo)記DIS。3 否定采用ISA和PART OF關(guān)系或標(biāo)注NEG界限來(lái)表示否定。4 蘊(yùn)涵在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中可用標(biāo)注ANTE和CONSE界限來(lái)表示蘊(yùn)涵關(guān)系。5 量化存在量化在語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)中可直接用ISA鏈來(lái)表示。而全稱(chēng)量化就要用分割方法來(lái)表示。2.5 其他方法教學(xué)內(nèi)容：簡(jiǎn)介知識(shí)表示的其他三種表示方法，即框架表示法、劇本表示法和過(guò)程表示法，闡述了三種表示法的原理和應(yīng)用范圍。教學(xué)重點(diǎn)：各方法的基本原理及基本結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)：各方法的推理過(guò)程。教學(xué)方法：課堂教學(xué)為主。適當(dāng)提問(wèn)，加深學(xué)生對(duì)概念的理解。教學(xué)要求：初步了解三種方法的基本原理。2.5.1 框架1、框架的構(gòu)成框架通常由描述事物的各個(gè)方面的槽組成，每個(gè)槽可以擁有若干個(gè)側(cè)面，而每個(gè)側(cè)面又可以擁有若干個(gè)值。一個(gè)框架的一般結(jié)構(gòu)如下： 框架名槽1側(cè)面11值111側(cè)面12值121 槽2側(cè)面21值211 槽n側(cè)面n1值n11 側(cè)面nm值nm1較簡(jiǎn)單的情景是用框架來(lái)表示諸如人和房子等事物。例如，一個(gè)人可以用其職業(yè)、身高和體重等項(xiàng)描述，因而可以用這些項(xiàng)目組成框架的槽。當(dāng)描述一個(gè)具體的人時(shí)，再用這些項(xiàng)目的具體值填入到相應(yīng)的槽中。表2.2給出的是描述John的框架。表2.2 簡(jiǎn)單框架示例JOHNIsa:PERSONProfession:PROGRAMMERHeight:1.8mWeight:79kg框架是一種通用的知識(shí)表達(dá)形式，對(duì)于如何運(yùn)用框架系統(tǒng)還沒(méi)有一種統(tǒng)一的形式，常常由各種問(wèn)題的不同需要來(lái)決定。2、框架的推理如前所述，框架是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。因此語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)推理中的匹配和特性繼承在框架系統(tǒng)中也可以實(shí)行。除此以外，由于框架用于描述具有固定格式的事物、動(dòng)作和事件，因此可以在新的情況下，推論出未被觀察到的事實(shí)?？蚣苡靡韵聨追N途徑來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：(1) 框架包含它所描述的情況或物體的多方面的信息。(2) 框架包含物體必須具有的屬性。在填充框架的各個(gè)槽時(shí)，要用到這些屬性。(3) 框架描述它們所代表的概念的典型事例。用一個(gè)框架來(lái)具體體現(xiàn)一個(gè)特定情況的過(guò)程，經(jīng)常不是很順利的。但當(dāng)這個(gè)過(guò)程碰到障礙時(shí)，經(jīng)常不必放棄原來(lái)的努力去從頭開(kāi)始，而是有很多辦法可想的：(1) 選擇和當(dāng)前情況相對(duì)應(yīng)的當(dāng)前的框架片斷，并把這個(gè)框架片斷和候補(bǔ)框架相匹配。選擇最佳匹配。(2) 盡管當(dāng)前的框架和要描述的情況之間有不相匹配的地方，但是仍然可以繼續(xù)應(yīng)用這個(gè)框架。(3) 查詢(xún)框架之間專(zhuān)門(mén)保存的鏈，以提出應(yīng)朝哪個(gè)方向進(jìn)行試探的建議。(4) 沿著框架系統(tǒng)排列的層次結(jié)構(gòu)向上移動(dòng)(即從狗框架哺乳動(dòng)物框架動(dòng)物框架)，直到找到一個(gè)足夠通用，并不與已有事實(shí)矛盾的框架。2.5.2 劇本劇本是框架的一種特殊形式，它用一組槽來(lái)描述某些事件的發(fā)生序列，就像劇本中的事件序列一樣，故稱(chēng)為“劇本”或腳本。一個(gè)劇本一般由以下各部分組成：(1) 開(kāi)場(chǎng)條件 給出在劇本中描述的事件發(fā)生的前提條件。(2) 角色 用來(lái)表示在劇本所描述的事件中可能出現(xiàn)的有關(guān)人物的一些槽。(3) 道具 這是用來(lái)表示在劇本所描述的事件中可能出現(xiàn)的有關(guān)物體的一些槽。(4) 場(chǎng)景 描述事件發(fā)生的真實(shí)順序，可以由多個(gè)場(chǎng)景組成，每個(gè)場(chǎng)景又可以是其它的劇本。(5) 結(jié)果 給出在劇本所描述的事件發(fā)生以后通常所產(chǎn)生的結(jié)果。例子：以餐廳劇本為例說(shuō)明劇本各個(gè)部分的組成。根據(jù)劇本的重要性，可以有二種準(zhǔn)備劇本的方法。(1) 對(duì)于不屬于事件核心部分的劇本，只需設(shè)置指向該劇本的指針即可，以便當(dāng)它成為核心時(shí)啟用。(2) 對(duì)于符合事件核心部分的劇本，則應(yīng)使用在當(dāng)前事件中涉及到的具體對(duì)象和人物去填寫(xiě)劇本的槽。劇本的前提、道具、角色和事件等常能起到啟用劇本的指示器的作用。一旦劇本被啟用，則可以應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行推理。其中最重要的是運(yùn)用劇本可以預(yù)測(cè)沒(méi)有明顯提及的事件的發(fā)生。劇本結(jié)構(gòu)，比起框架這樣的一些通用結(jié)構(gòu)來(lái)，要呆板得多，知識(shí)表達(dá)的范圍也很窄，因此不適用于表達(dá)各種知識(shí)，但對(duì)于表達(dá)預(yù)先構(gòu)思好的特定知識(shí)，如理解故事情節(jié)等，是非常有效的。2.5.3 過(guò)程語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、框架和劇本等知識(shí)表示方法，均是對(duì)知識(shí)和事實(shí)的一種靜止的表達(dá)方法，是知識(shí)的一種顯式表達(dá)形式。而對(duì)于如何使用這些知識(shí)，則通過(guò)控制策略來(lái)決定。和知識(shí)的陳述式表示相對(duì)應(yīng)的是知識(shí)的過(guò)程式表示。所謂過(guò)程式表示就是將有關(guān)某一問(wèn)題領(lǐng)域的知識(shí)，連同如何使用這些知識(shí)的方法，均隱式地表達(dá)為一個(gè)求解問(wèn)題的過(guò)程。它所給出的是事物的一些客觀規(guī)律，表達(dá)的是如何求解問(wèn)題。知識(shí)的描述形式就是程序，所有信息均隱含在程序之中。從程序求解問(wèn)題的效率上來(lái)說(shuō)，過(guò)程式表達(dá)要比陳述式表達(dá)高得多。但因其知識(shí)均隱含在程序中，因而難于添加新知識(shí)和擴(kuò)充功能，適用范圍較窄。2.6 小結(jié)知識(shí)表示方法很多，本章介紹了其中的7種，有圖示法和公式法，結(jié)構(gòu)化方法，陳述式表示和過(guò)程式表示等。狀態(tài)空間法是一種基于解答空間的問(wèn)題表示和求解方法，它是以狀態(tài)和操作