人工智能課件.part1

1、人工智能原理 主講人:朱暉課件作者: 楊憲澤Jd_ 第 1 章 人工智能的 發(fā)展及基本原理 * 本章將使同學(xué)們對(duì)什么是人工智能有一個(gè)初步了解, 同時(shí)也介紹智能軟件和常規(guī)軟件之間的差別1 . 1 簡(jiǎn)介 一般認(rèn)為，人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，任務(wù)旨在模擬人類行為和認(rèn)知過(guò)程。而自然語(yǔ)言處理和理解又是人工智能的一個(gè)分支，機(jī)器翻譯又是自然語(yǔ)言理解和處理的一個(gè)分支。鑒于這種關(guān)系，有必要在總論這一章中簡(jiǎn)介人工智能的情況。 計(jì)算機(jī)和人腦兩者的物質(zhì)結(jié)構(gòu)大不一 樣，一個(gè)是無(wú)生命的機(jī)器，一個(gè)是由一千億神經(jīng)元組成的活生生的活體。但是，計(jì)算機(jī)軟件所表現(xiàn)出的功能和人的認(rèn)知過(guò)程卻是類同的。即兩者的工作原理一致，都是信息

2、加工系統(tǒng)：輸人信息、進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)記憶、作出決策和輸出結(jié)果。由于計(jì)算機(jī)和人的認(rèn)知過(guò)程在信息加工原理上一致，因此可以把計(jì)算機(jī)當(dāng)成實(shí)驗(yàn)工具，模擬人的認(rèn)知活動(dòng)。 計(jì)算機(jī)能否智能，在計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期就提出來(lái)了。圖靈在他于1950年發(fā)表的一篇論文“計(jì)算機(jī)與智能”中，回答了這個(gè)問(wèn)題。在這篇論文中，他設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，后來(lái)成為著名的圖靈試驗(yàn)。 此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，人們可以通過(guò)編制程序使計(jì)算機(jī)體現(xiàn)出某種智能。幾乎在同時(shí)香農(nóng)也指出了與計(jì)算機(jī)下象棋的可能, 后來(lái)得以實(shí)現(xiàn). 人工智能技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了曲折的過(guò)程。開(kāi)始，研究者們認(rèn)為：人工智能作為一門科學(xué)，也應(yīng)該象數(shù)學(xué)，物理學(xué)等學(xué)科那樣能夠發(fā)現(xiàn)一些普遍的定律，把這些定律同強(qiáng)有力的計(jì)

3、算機(jī)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中就可以產(chǎn)生不可估價(jià)的成效。 因此，許多研究者致力于人類思維普遍規(guī)律的探索。人工智能進(jìn)入了推理方法和問(wèn)題求解模型的一般性研究。這一階段，的確發(fā)現(xiàn)了一些通用問(wèn)題求解技術(shù)和各種搜索策略 然而，現(xiàn)實(shí)世界是復(fù)雜的，問(wèn)題是多種多樣的。隨著研究過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)積累，研究者們逐漸認(rèn)識(shí)到：人們?cè)谔剿髯匀唤绲拈L(zhǎng)期實(shí)踐中所形成的解決問(wèn)題的方法和手段因事，甚至因人而變化，所以，試圖找出一種或幾種通用的問(wèn)題表示方法和處理過(guò)程去描述人類一切智能行為的想法，不說(shuō)根本不可能，至少也是不現(xiàn)實(shí)的。 智能技術(shù)能取得今天的成績(jī)，是一個(gè)從特殊到一般，從一般到特殊相輔相承的過(guò)程。即不斷從模擬特殊問(wèn)題求解的智能行為開(kāi)

4、始，然后從中抽取一般規(guī)律性問(wèn)題，使研究推向深人。然而，由于人的智能是多種能力的綜合，在處理不同問(wèn)題時(shí)，又顯示出各自獨(dú)有的特性，所以設(shè)計(jì)具體問(wèn)題時(shí)又必須一般到特殊。 今天，智能技術(shù)已無(wú)孔不入，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用。但對(duì)此我們必須保持清醒的認(rèn)識(shí)，因?yàn)榧词故且涯軐?shí)用引起很多行業(yè)興趣的專家系統(tǒng)，認(rèn)真從人工智能角度看，其中的技術(shù)并不十分高；一些自然語(yǔ)言理解系統(tǒng)，經(jīng)歷數(shù)年攻關(guān)、目前仍沒(méi)有原則性突破。 計(jì)算機(jī)并不等于人腦，人類至今不僅對(duì)哺乳動(dòng)物，魚(yú)類，甚至對(duì)與人類進(jìn)化過(guò)程相差數(shù)億年的最低級(jí)動(dòng)物（如水螅）的神經(jīng)機(jī)制都搞不清楚，要搞清人腦機(jī)制為時(shí)遙遠(yuǎn)。 這并不是否認(rèn)智能技術(shù)，雖然我們不能造出象人一樣思

5、維的計(jì)算機(jī)，卻有可能用計(jì)算機(jī)模擬人的某些思維過(guò)程，解決一些復(fù)雜的問(wèn)題。例如，雖然對(duì)鳥(niǎo)類飛行的神經(jīng)機(jī)制至今也沒(méi)有搞清楚，但人類根據(jù)鳥(niǎo)飛行的空氣動(dòng)力學(xué)原理造出的飛機(jī)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鳥(niǎo)類飛行的能力。 類似的，雖然我們不能精確地了解人類思維的神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)機(jī)制，但我們根據(jù)人類解決問(wèn)題的外部啟發(fā)式特征設(shè)計(jì)的系統(tǒng)卻可以在一定范圍內(nèi)和一定程度上解決只有人類才能解決的困難問(wèn)題。 1.2 通常軟件系統(tǒng)和智能軟件系統(tǒng) 一個(gè)智能軟件系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序, 因此,它同通常軟件系統(tǒng)在程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方面有許多共同的特征。如一個(gè)智能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，也需要進(jìn)行相應(yīng)的分析、設(shè)計(jì)、編寫(xiě)、調(diào)試、維護(hù)等階段，各個(gè)階段也會(huì)用到與通常程序開(kāi)發(fā)

6、相同的一些技術(shù)和手段。但另一方面，智能軟件系統(tǒng)又是一個(gè)智能程序。它能體現(xiàn)出與通常程序所不同的一些特色和通常程序所沒(méi)有達(dá)到的許多優(yōu)良特性。 但另一方面，智能軟件系統(tǒng)又是一個(gè)智能程序。它能體現(xiàn)出與通常程序所不同的一些特色和通常程序所沒(méi)有達(dá)到的許多優(yōu)良特性 眾所周知，計(jì)算機(jī)早期應(yīng)用主要集中在科學(xué)計(jì)算和日常事務(wù)性工作數(shù)據(jù)處理。為使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一個(gè)確定范圍的問(wèn)題求解，程序設(shè)計(jì)人員需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入細(xì)致的研究，設(shè)計(jì)出一種逐步循進(jìn)的求解步驟，稱為算法。 把算法的每一步驟用特定的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言翻譯成程序輸入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)再按照程序所描述的步驟針對(duì)具體問(wèn)題輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、求解。這種完全基于確定的算法的程序設(shè)計(jì)方法

7、稱之為通常方式的程序設(shè)計(jì). 算法具有三個(gè)重要性質(zhì) (1) 通用性，算法應(yīng)能求解問(wèn)范圍內(nèi)的全部問(wèn)題，而不是只能解決其中的某些特殊問(wèn)題。 (2) 確定性，算法中的問(wèn)題求解狀態(tài)，求解步驟應(yīng)該是精確的、 唯一的，并且可以被機(jī)械執(zhí)行。 (3) 有效性，問(wèn)題范圍內(nèi)的任何具體問(wèn)題代入算法后，都可以經(jīng)過(guò)有限步驟，達(dá)到所期望的結(jié)果。 然而，由于現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性，一方面，還存在大量的人類尚未充分認(rèn)識(shí)的問(wèn)題,科技人員目前尚不可能找到有效的算法；另一方面，有許多類型的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)了嚴(yán)謹(jǐn)證明，不存在求解這類問(wèn)題的算法.；還有，對(duì)某些類型的問(wèn)題，即使存在算法，也不可能付諸實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)算法的執(zhí)行要受到時(shí)間和空間復(fù)雜性的限制

8、,，有可能這類問(wèn)題的解需要幾百小時(shí)、幾千小時(shí)、甚至幾千年以上。 與通常程序設(shè)計(jì)相比，智能程序不是單純的依靠算法，它結(jié)合了算法和啟發(fā)方式。什么是啟發(fā)方式? 筆者認(rèn)為，它是些簡(jiǎn)化問(wèn)題的法則，經(jīng)驗(yàn)公式。從某種角度看，它仍然可能是算法，但卻是特殊的算法。 使用啟發(fā)式往往具有試探性，成功使人進(jìn)入捷徑，但這些解還需要人們判斷其合理程度，不成功將更換啟發(fā)方式，直至最后也失敗說(shuō)明法則不夠或者問(wèn)題無(wú)解 智能程序與通常程序相比的三個(gè)相對(duì)性質(zhì)： （1）局部性：可能僅適用那些被認(rèn)為合理的常見(jiàn)的問(wèn)題 （2）試探性：通常程序要求問(wèn)題求解是精確的、唯一的，不允許出錯(cuò)，而智能程序求解可以更換方法，當(dāng)這個(gè)方法失敗時(shí)，允許更換其

9、它方法； （3）針對(duì)性：智能程序求解一些問(wèn)題的特殊規(guī)律是有針對(duì)性的，甚至是不精確的，它們經(jīng)不起或者未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論證明。 從研制智能軟件和通常軟件的角度看差異： （1）智能軟件分三級(jí)層次加以組織 1）數(shù)據(jù)級(jí)：與通常軟件一樣，不過(guò)智能軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)可能更復(fù)雜； 2）知識(shí)庫(kù)級(jí)：智能軟件特有，存儲(chǔ)法則和經(jīng)驗(yàn)公式等的表達(dá)； 3）控制級(jí)：求解策略和推理模式 通常軟件只有數(shù)據(jù)級(jí)和程序級(jí)兩級(jí)結(jié)構(gòu) （2）通常軟件以數(shù)據(jù)為處理對(duì)象；智能軟件更強(qiáng)調(diào)符號(hào)處理； 通常軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為處理對(duì)象; 而智能軟件系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)符號(hào)處理這是所有智能軟件系統(tǒng)與通常軟件系統(tǒng)區(qū)別的一個(gè)重要特征。 (3) 智能軟件系統(tǒng)可在非編程狀態(tài)下不

10、斷擴(kuò)充和完善知識(shí)庫(kù)，進(jìn)而不斷改善系統(tǒng)性能的能力，即自學(xué)習(xí)能力。 (4) 智能軟件系統(tǒng)的解釋機(jī)制運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中被求解過(guò)程使知識(shí)和產(chǎn)生的各種中間結(jié)果，能回答用戶的提問(wèn)，給出求解過(guò)程的推理路徑顯示。這種解釋機(jī)制提供了系統(tǒng)的一種透明界面，加強(qiáng)了用戶對(duì)系統(tǒng)的可接受性。 最后指出，既然智能軟件系統(tǒng)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，理論上講，可用任何語(yǔ)言編制程序：C語(yǔ)言行，PASCAL語(yǔ)言也行、甚至BASIC語(yǔ)言也行。 為什么人們常用LISP、PROLOG、0PS83等語(yǔ)言呢， 主要在于這些語(yǔ)言更適宜智能軟件編程，處理符號(hào)，規(guī)則等更為方便。也就是說(shuō)，所用語(yǔ)言不同，構(gòu)造智能系統(tǒng)的難易程度也大不相同。1 . 3 智能技術(shù)實(shí)施的

11、三個(gè)組成部分 智能技術(shù)實(shí)施于軟件系統(tǒng)中有三個(gè)組成部分：知識(shí)表示，知識(shí)的推理，知識(shí)的獲取，現(xiàn)分別介紹。1 . 3 . 1 知識(shí)表示 在通常程序中，知識(shí)庫(kù)級(jí)知識(shí)和控制級(jí)知識(shí)合二為一，都體現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中。智能技術(shù)對(duì)此是分開(kāi)的，因而需要適當(dāng)?shù)姆椒ū硎局R(shí)，以便存儲(chǔ)、檢索、運(yùn)用、增刪和修改。所謂知識(shí)表示，就是描述和組織知識(shí)的規(guī)則符號(hào)，形式語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)圖等。其方法很多，我們僅介紹產(chǎn)生式規(guī)則表示 產(chǎn)生式規(guī)則可表示為 Ri： IFRLS THEN RRS(i1, 2，N) 其中，Ri稱為規(guī)則集中第i條規(guī)則； RLS是第i條規(guī)則條件部分，可以是任何子句的邏輯組合：RRS是第i條規(guī)則的結(jié)論部分?？梢允且粋€(gè)結(jié)論或

12、操作，或者是多個(gè)結(jié)論或操作的與組合。 請(qǐng)看下列組規(guī)則表示例：R1：IF 物體為綠顏色 THEN 它為農(nóng)產(chǎn)品R2：IF 物體包裝在小容器內(nèi) THEN 它為精美食物R3：IF 物體為冷凍食物 OR 農(nóng)產(chǎn)品 THEN它為易腐爛食物R4：IF 物體重15磅 AND 為廉價(jià)物體 AND 不為易腐爛食物 THEN 它為常用食物R5：IF 物體為易腐爛食物 AND 重15磅 THEN 它為火雞肉R6：IF 物體重15磅 AND 為農(nóng)產(chǎn)品 THEN 它為西瓜 1 . 3 . 2 知識(shí)推理知識(shí)推理就是應(yīng)用知識(shí)求解問(wèn)題。知識(shí)推理過(guò)程就是問(wèn)題求解的過(guò)程。知識(shí)推理技術(shù)就是使問(wèn)題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)狀態(tài)的方法和途徑。知

13、識(shí)推理的求解策略和推理模式作為控制級(jí)知識(shí)存儲(chǔ)，需要時(shí)，觸發(fā)它予以實(shí)施。 上述一組規(guī)則的控制策略以算法表示：(1) 找出與規(guī)則條件部分所匹配的所有規(guī)則，并對(duì)它們標(biāo)注。 (2) 如果找出的規(guī)則不止一條，去掉結(jié)論部分會(huì)帶來(lái)重復(fù)符號(hào)的規(guī)則標(biāo)記。(3) 如果不存在有標(biāo)記的規(guī)則，退出；否則，在有標(biāo)記的規(guī)則中選取序號(hào)最低（或僅有）的一條規(guī)則，執(zhí)行操作部分。(4) 清除所有規(guī)則的標(biāo)記轉(zhuǎn)步驟（1）。 設(shè)現(xiàn)有某物體特征為：顏色為綠色，重量15磅，問(wèn)題是這是什么物體?推理步驟如下：第一步：僅找出規(guī)則R1 (步驟(1)，步驟(2)不執(zhí)行；步驟（3）執(zhí)行R1的結(jié)論部分，標(biāo)注農(nóng)產(chǎn)品，得出S=（農(nóng)產(chǎn)品，綠色，重15磅） 第

14、二步：找出規(guī)則R1，R3和R6，因R1的結(jié)論部分，產(chǎn)生農(nóng)產(chǎn)品, 導(dǎo)致S中符號(hào)農(nóng)產(chǎn)品重復(fù), 從而這條規(guī)則在步驟(2)中去掉； 步驟(3)選擇R3 并執(zhí)行, 得出 S=（易腐爛食物，農(nóng)產(chǎn)品，綠色，重15磅） 第三步：找出規(guī)則R1，R3，R5，R6：R1，R3在步驟(2)中被去掉； 步驟(3)選擇R5并執(zhí)行，得出 S=（火雞，易腐爛食物，農(nóng)產(chǎn)品，綠色，重15磅） 第四步： 仍找出規(guī)則R1, R3, R5, R6； R1, R3, R5在步驟(2) 中被去掉，步驟(3)中僅有R6被執(zhí)行, 得出 S=（西瓜，火雞，易腐爛食物，衣產(chǎn)品，綠色，重15磅） 第五步：仍找出規(guī)則R1，R3，R5，R6，但它們?cè)诓?/p>

15、驟(2)中全部被去掉；從而在步驟(3)推理機(jī)退出而結(jié)束。第四周期得出的S為問(wèn)題求解的最終上下文。 如果我們把問(wèn)題的解定義為上下文中最前次序的結(jié)論，則上述推理過(guò)程就給出了正確的解-西瓜。1 . 3 . 3 知識(shí)獲取 知識(shí)獲取是智能系統(tǒng)的基本技術(shù)之，也是主要問(wèn)題之一。知識(shí)獲取和知識(shí)表達(dá)是知識(shí)推理的前提條件，通過(guò)知識(shí)表達(dá)，將所獲取的知識(shí)，存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中，才能利用知識(shí)進(jìn)行推理，求解問(wèn)題。因此，知識(shí)獲取是設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。 知識(shí)獲取有兩種方式： (1) 狹義知識(shí)獲取，指人們通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，程序編制和人機(jī)交互，使機(jī)器獲取知識(shí)。換句話說(shuō)，就是通過(guò)人工移植的方法，將人們的知識(shí)存儲(chǔ)到機(jī)器中去。因此，狹義知識(shí)獲取也