教学第9章人工智能(计算机导论)课件

第九章人工智能2003.91杭州商学院计信学院吴承健第九章人工智能2003.91杭州商学院计信学院吴承健第九章人工智能9.1

人工智能概述9.2

基于符号推理的传统人工智能9.3

基于连接机制的计算智能9.4人工智能主要应用与研究领域

2003.92第九章人工智能9.1

人工智能概述2003.929.1

人工智能概述一、人工智能定义

图灵1950麦卡锡1956

二、人工智能的研究方法

1）符号主义（Symbolism）学派：理论基础主要是物理符号系统假设和有限合理性原理。

2）连接主义（Connectionism）学派：以网络连接为基础三、人工智能的研究目标

根本目标近期目标远期目标

四、人工智能发展简史

2003.939.1

人工智能概述一、人工智能定义2003.939.2基于符号推理的传统人工智能

9.2.1知识表示 知识表示＝数据结构＋处理机制一阶谓词逻辑表示法谓词的一般形式为：P（x1,x2,…,xn）

谓词逻辑符号集：常量变量符号谓词符号

例： TABLE（x）

AT（robot,c）

Graduate（张三）

例9.1（1）定义相关谓词如下：

（2）利用连接词、量词等符号和已定义的谓词表示问题的状态。

（3）从初始状态到目标状态的变迁

2003.949.2基于符号推理的传统人工智能9.2.1知识表示29.2.2推理方法推理都包括两种判断：已知的判断由已知判断推出的新判断，即推理的结论推理的源头演绎推理通常是指从全称判断推导出特称判断的过程

三段论形式

归纳推理是指从足够多的事例中归纳出一般性结论的推理过程，是一种从个别到一般的推理。

完全归纳推理不完全归纳推理

类比推理是由新情况与已知情况在某些方面的相似来推出它们在其他相关方面的相似。

2003.959.2.2推理方法推理都包括两种判断：2003.959.2.3匹配方法

在推理过程中，已知初始知识与知识库中的知识要进行比较和耦合，以便检查这两个知识模式是否完全—致或近似一致。两条知识的匹配涉及到知识模式的相似度问题

2003.969.2.3匹配方法在推理过程中，已知初始知识与知识库中的知9.2.4冲突消解策略

冲突消解策略解决如何在多条可用知识中合理地选择一条知识的问题，是一种基本的推理控制策略。

三种情况：

（1）已知事实不能与知识库中的任何知识成功匹配。（2）已知事实恰好只与知识库中的一个知识匹配成功。（3）已知事实可与知识库中的多个知识匹配成功；或者有多个（组）已知事实都可与知识库中某一个知识匹配成功；或者有多个（组）已知事实可与知识库中的多个知识匹配成功。冲突消解：对知识进行排序：新鲜性排序、针对性强度、匹配度等等2003.979.2.4冲突消解策略 冲突消解策略解决如何在多条可用知9.2.5搜索策略

盲目搜索启发式搜索状态空间搜索与/或树搜索状态空间表示的搜索

状态操作

状态空间

状态空间图搜索求解

例9.2设有分别由形状控制的一字排开的3盏信号灯，处在“亮、暗、亮”的初始状态。每次操作允许并必须扳动一只开关，问：如果连扳三次开关后，是否可以出现“亮、亮、亮”或“暗、暗、暗”的状态？

2003.989.2.5搜索策略盲目搜索启发式搜索20039.3基于连接机制的计算智能

9.3.1计算智能基本概念贝兹德克1992计算智能的三个主要内容：模糊计算（Fuzzycomputing）、神经计算（Neuralcomputing）和进化计算（Evolutioncomputing）软计算（Softcomputing）

9.3.2模糊计算扎德（Zadeh）1965可能性理论模糊知识的表示方法

模糊集合

隶属函数

模糊命题的一般形式是： A：e is F （或e是F）

2003.999.3基于连接机制的计算智能9.3.1计算智能基本概念9.3.3神经计算

20世纪40年代心理学家McCulloch与数学家Pitts

MP模型

1982年Hopfield提出了Hopfield神经网络模型

生物神经元的结构

人工神经元及其特性

人工神经网络的基本特性和结构

人工神经网络由神经元模型组成，这种由许多神经元组成的信息处理网络具有并行分布结构。

每个神经元具有单一输出，并且能够与其它神经元连接；结构基本上分为两类：递归（反馈）网络前馈网络

f（)∑xnx2x1θ－1wj1wj2wjiyj图9.6神经元模型2003.9109.3.3神经计算20世纪40年代心理学家McCx1x2xn．．．w1m输入层隐层图9.8前馈（多层）网络w11．．．．．．y1yn输出层x1x2xn．．．V1V2Vnx′1x′2x′n输入输出图9.7递归（反馈）网络2003.911x1x2xn．w1m输入层隐层图9.8前馈（多层）网络w14）人工神经网络的特性

（1）并行分布处理

（2）非线性映射（3）通过训练进行学习（4）适应与集成

（5）硬件实现2003.9124）人工神经网络的特性（1）并行分布处理2003.9129.3.4进化计算 是指一类以达尔文进化论为依据来设计、控制和优化人工系统的技术和方法的总称。包括遗传算法、进化策略和进化规划遗传算法

三个基本算子：繁殖、交叉和变异（1）定义问题与目标函数F。（2）选择候选解作为初始种群，每个解用一个二进制位串X表示，称为个体。（3）根据目标函数，对每个染色体Xi，i=1,…，P，计算适应度F（Xi）。（4）为每个染色体指定一个与其适应度成正比的繁殖概率pi,i=1,…，P。（5）根据概率pi选择染色体，所选染色体通过交叉和变异等操作产生新一代染色体种群。（6）如果找到了满意的解或达到了预定的计算时间，则过程结束。否则返回（3）。

例9.3求整数函数f（x）=x2在区间[0,31]上取最大值的点

2003.9139.3.4进化计算 是指一类以达尔文进化论为依据来设计、控9.4人工智能主要应用与研究领域

一、专家系统 专家系统是一种具有特定领域内大量知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术、模拟人类专家求解问题的思维过程求解领域内的各种问题，其水平可以达到甚至超过人类专家的水平。

数据库推理机人机接口知识库用户领域专家图9.10专家系统结构2003.9149.4人工智能主要应用与研究领域一、专家系统数据库推理机9.4人工智能主要应用与研究领域

二、机器学习 机器学习主要研究如何使计算机具有类似于人的学习能力，使计算机能通过学习自动地获取知识及技能，实现自我完善。 包括三个方面的研究：人类学习机理的研究、学习方法的研究、建立面向具体任务的学习系统

2003.9159.4人工智能主要应用与研究领域二、机器学习2003.99.4人工智能主要应用与研究领域

三、机器人

机器人是一种可编程序的多功能的操作装置

1954年G.G.Devol1958年Consolidated四、模式识别 模式识别就是研究如何使机器具有感知能力的一个研究领域，是对人类感知外界功能的模拟。视觉识别、语音识别

待识别事物预处理系统（包括特征提取)识别处理系统识别结果图9.11模式识别过程2003.9169.4人工智能主要应用与研究领域三、机器人待识别事物预9.4人工智能主要应用与研究领域五、计算机视觉

用两维的图像来理解属于三维空间的三维对象。

低层视觉高层视觉

主要应用领域：图像、图形识别系统

航天与军事应用

医学应用

机器人视觉

工业检测系统

2003.9179.4人工智能主要应用与研究领域五、计算机视觉2003.9.4人工智能主要应用与研究领域六、自然语言理解

研究如何让计算机理解人类自然语言（汉语、英语、日语等）的一个研究领域

三个目标：（1）计算机能正确理解人们用自然语言输入的信息，并能正确回答输入信息中的有关问题。（2）对插入信息，计算机能产生相应的摘要，能用不同词语复述输入信息的内容。 （3）计算机能把用某一种自然语言表示的信息自动地翻译为另一种自然语言。例如把英语翻译成汉语，或把汉语翻译成英语等等。

2003.9189.4人工智能主要应用与研究领域六、自然语言理解20039.4人工智能主要应用与研究领域七、自动定理证明

自动定理证明也是最先进行研究并得到成功应用的一个研究领域，是指利用计算机证明非数值性的结果，很多非数值领域的任务。基本方法：自然演绎法

判定法

定理证明器

人机交互进行定理证明

2003.9199.4人工智能主要应用与研究领域七、自动定理证明20039.4人工智能主要应用与研究领域八、自动程序设计

程序综合程序正确性验证

九、博弈

通过对博弈的研究来检验某些人工智能技术是否能达到对人类智能的模拟，因为博弈是一种智能性很强的竞争活动。

2003.9209.4人工智能主要应用与研究领域八、自动程序设计20039.4人工智能主要应用与研究领域十、智能决策支持系统

把人工智能的有关技术应用于决策支持系统领域

五个组成部分：数据库系统、模型系统、方法库系统、人机接口系统及智能部件十一、智能搜索 智能搜索技术试图通过模糊检索、概念检索等技术，使得检索时能够按照词语意义进行搜索，明显提高查全率和查准率。

2003.9219.4人工智能主要应用与研究领域十、智能决策支持系统209.4人工智能主要应用与研究领域十二、数据挖掘与知识发现

在数据库基础上实现的知识发现系统，通过综合运用统计学、粗糙集、模糊数学、机器学习和专家系统等多种学习手段和方法，从大量的数据中提炼出抽象的知识，从而揭示出蕴涵在这些数据背后的客观世界的内在联系和本质规律，实现知识的自动抽取。

2003.9229.4人工智能主要应用与研究领域十二、数据挖掘与知识发现第九章人工智能2003.923杭州商学院计信学院吴承健第九章人工智能2003.91杭州商学院计信学院吴承健第九章人工智能9.1

人工智能概述9.2

基于符号推理的传统人工智能9.3

基于连接机制的计算智能9.4人工智能主要应用与研究领域

2003.924第九章人工智能9.1

人工智能概述2003.929.1

人工智能概述一、人工智能定义

图灵1950麦卡锡1956

二、人工智能的研究方法

1）符号主义（Symbolism）学派：理论基础主要是物理符号系统假设和有限合理性原理。

2）连接主义（Connectionism）学派：以网络连接为基础三、人工智能的研究目标

根本目标近期目标远期目标

四、人工智能发展简史

2003.9259.1

人工智能概述一、人工智能定义2003.939.2基于符号推理的传统人工智能

9.2.1知识表示 知识表示＝数据结构＋处理机制一阶谓词逻辑表示法谓词的一般形式为：P（x1,x2,…,xn）

谓词逻辑符号集：常量变量符号谓词符号

例： TABLE（x）

AT（robot,c）

Graduate（张三）

例9.1（1）定义相关谓词如下：

（2）利用连接词、量词等符号和已定义的谓词表示问题的状态。

（3）从初始状态到目标状态的变迁

2003.9269.2基于符号推理的传统人工智能9.2.1知识表示29.2.2推理方法推理都包括两种判断：已知的判断由已知判断推出的新判断，即推理的结论推理的源头演绎推理通常是指从全称判断推导出特称判断的过程

三段论形式

归纳推理是指从足够多的事例中归纳出一般性结论的推理过程，是一种从个别到一般的推理。

完全归纳推理不完全归纳推理

类比推理是由新情况与已知情况在某些方面的相似来推出它们在其他相关方面的相似。

2003.9279.2.2推理方法推理都包括两种判断：2003.959.2.3匹配方法

在推理过程中，已知初始知识与知识库中的知识要进行比较和耦合，以便检查这两个知识模式是否完全—致或近似一致。两条知识的匹配涉及到知识模式的相似度问题

2003.9289.2.3匹配方法在推理过程中，已知初始知识与知识库中的知9.2.4冲突消解策略

冲突消解策略解决如何在多条可用知识中合理地选择一条知识的问题，是一种基本的推理控制策略。

三种情况：

（1）已知事实不能与知识库中的任何知识成功匹配。（2）已知事实恰好只与知识库中的一个知识匹配成功。（3）已知事实可与知识库中的多个知识匹配成功；或者有多个（组）已知事实都可与知识库中某一个知识匹配成功；或者有多个（组）已知事实可与知识库中的多个知识匹配成功。冲突消解：对知识进行排序：新鲜性排序、针对性强度、匹配度等等2003.9299.2.4冲突消解策略 冲突消解策略解决如何在多条可用知9.2.5搜索策略

盲目搜索启发式搜索状态空间搜索与/或树搜索状态空间表示的搜索

状态操作

状态空间

状态空间图搜索求解

例9.2设有分别由形状控制的一字排开的3盏信号灯，处在“亮、暗、亮”的初始状态。每次操作允许并必须扳动一只开关，问：如果连扳三次开关后，是否可以出现“亮、亮、亮”或“暗、暗、暗”的状态？

2003.9309.2.5搜索策略盲目搜索启发式搜索20039.3基于连接机制的计算智能

9.3.1计算智能基本概念贝兹德克1992计算智能的三个主要内容：模糊计算（Fuzzycomputing）、神经计算（Neuralcomputing）和进化计算（Evolutioncomputing）软计算（Softcomputing）

9.3.2模糊计算扎德（Zadeh）1965可能性理论模糊知识的表示方法

模糊集合

隶属函数

模糊命题的一般形式是： A：e is F （或e是F）

2003.9319.3基于连接机制的计算智能9.3.1计算智能基本概念9.3.3神经计算

20世纪40年代心理学家McCulloch与数学家Pitts

MP模型

1982年Hopfield提出了Hopfield神经网络模型

生物神经元的结构

人工神经元及其特性

人工神经网络的基本特性和结构

人工神经网络由神经元模型组成，这种由许多神经元组成的信息处理网络具有并行分布结构。

每个神经元具有单一输出，并且能够与其它神经元连接；结构基本上分为两类：递归（反馈）网络前馈网络

f（)∑xnx2x1θ－1wj1wj2wjiyj图9.6神经元模型2003.9329.3.3神经计算20世纪40年代心理学家McCx1x2xn．．．w1m输入层隐层图9.8前馈（多层）网络w11．．．．．．y1yn输出层x1x2xn．．．V1V2Vnx′1x′2x′n输入输出图9.7递归（反馈）网络2003.933x1x2xn．w1m输入层隐层图9.8前馈（多层）网络w14）人工神经网络的特性

（1）并行分布处理

（2）非线性映射（3）通过训练进行学习（4）适应与集成

（5）硬件实现2003.9344）人工神经网络的特性（1）并行分布处理2003.9129.3.4进化计算 是指一类以达尔文进化论为依据来设计、控制和优化人工系统的技术和方法的总称。包括遗传算法、进化策略和进化规划遗传算法

三个基本算子：繁殖、交叉和变异（1）定义问题与目标函数F。（2）选择候选解作为初始种群，每个解用一个二进制位串X表示，称为个体。（3）根据目标函数，对每个染色体Xi，i=1,…，P，计算适应度F（Xi）。（4）为每个染色体指定一个与其适应度成正比的繁殖概率pi,i=1,…，P。（5）根据概率pi选择染色体，所选染色体通过交叉和变异等操作产生新一代染色体种群。（6）如果找到了满意的解或达到了预定的计算时间，则过程结束。否则返回（3）。

例9.3求整数函数f（x）=x2在区间[0,31]上取最大值的点

2003.9359.3.4进化计算 是指一类以达尔文进化论为依据来设计、控9.4人工智能主要应用与研究领域

一、专家系统 专家系统是一种具有特定领域内大量知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术、模拟人类专家求解问题的思维过程求解领域内的各种问题，其水平可以达到甚至超过人类专家的水平。

数据库推理机人机接口知识库用户领域专家图9.10专家系统结构2003.9369.4人工智能主要应用与研究领域一、专家系统数据库推理机9.4人工智能主要应用与研究领域

二、机器学习 机器学习主要研究如何使计算机具有类似于人的学习能力，使计算机能通过学习自动地获取知识及技能，实现自我完善。 包括三个方面的研究：人类学习机理的研究、学习方法的研究、建立面向具体任务的学习系统

2003.9379.4人工智能主要应用与研究领域二、机器学习2003.99.4人工智能主要应用与研究领域

三、机器人

机器人是一种可编程序的多功能的操作装置

1954年G.G.Devol1958年Consolidated四、模式识别 模式识别就是研究如何使机器具有感知能力的一个研究领域，是对人类感知外界功能的模拟。视觉识别、语音识别

待识别事物预处理系统（包括特征提取)识别处理系统识别结果图9.11模式识别过程2003.9389.4人工智能主要应用与研究领域三、机器人待识别事物预9.4人工智能主要应用与研究领域五、计算机视觉

用两维的图像来理解属于三维空间的三维对象。

低层视觉高层视觉

主要应用领域：图像、图形识别系统

航天与军事应用

医学应用

机器人视觉

工业检测系统

2003.9399.4人工智能主要应用与研究领域五、计算机视觉2003.9.4人工智能主要应用与研究领域六、自然语言理解

研究如何让计