人工智能及其应用教学课件

第一章 绪论人工智能：v是科学技术发展过程中的一门综合、交叉、前是科学技术发展过程中的一门综合、交叉、前沿学科；沿学科；v是计算机科学的一个重要分支；是计算机科学的一个重要分支；v它与原子技术、空间技术一起被誉为它与原子技术、空间技术一起被誉为20世纪的世纪的三大科学技术成就。三大科学技术成就。1人工智能及其应用第一章 绪论内容提要：u 人工智能概况 u 人工智能的学科范畴u 人工智能的研究领域u 人工智能系统结构及特点 2人工智能及其应用 1.1 人工智能概况人工智能发展简史 人工智能研究的意义 3人工智能及其应用n人工智能的产生和发展过程经历了以下三人工智能的产生和发展过程经历了以下三大标志性阶段：大标志性阶段：n 产生期产生期 n 形成期形成期n 发展期发展期 人工智能发展简史4人工智能及其应用人工智能的发展简史n产生期产生期 三段论、图灵机、自动机理论、信息论、系统论。三段论、图灵机、自动机理论、信息论、系统论。主要成就主要成就:v创立数理逻辑、自动机理论、控制论、信息论和系统论。创立数理逻辑、自动机理论、控制论、信息论和系统论。v发明通用电子数字计算机。发明通用电子数字计算机。v为人工智能的诞生准备了充足的思想、理论和物质技术为人工智能的诞生准备了充足的思想、理论和物质技术条件。条件。5人工智能及其应用人工智能的发展简史n形成期形成期 逻辑理论机程序系统、跳棋程序、通用问题求解逻辑理论机程序系统、跳棋程序、通用问题求解程序、表处理语言程序、表处理语言LISP。主要成就主要成就:v现代人工智能正式诞生，并很快在定理证明、问题求现代人工智能正式诞生，并很快在定理证明、问题求解、博弈和解、博弈和LISP语言以及模式识别等关键领域取得重语言以及模式识别等关键领域取得重大突破。大突破。v人工智能作为一门新兴学科受到世人的注目。人工智能作为一门新兴学科受到世人的注目。6人工智能及其应用人工智能的发展简史n发展期发展期 知识工程、智能机器人、专家系统。知识工程、智能机器人、专家系统。主要成就主要成就:人工智能的研究开始向纵深发展，在更多的领域人工智能的研究开始向纵深发展，在更多的领域中取得了重大突破，并开始走向实际实用，在学科上中取得了重大突破，并开始走向实际实用，在学科上也开始形成了自己的理论体系。也开始形成了自己的理论体系。7人工智能及其应用人工智能研究的意义 n计算机在现实世界中已成为人类得心应手的智能工计算机在现实世界中已成为人类得心应手的智能工具；具；n现已为它配上更加发达的感觉器官、效应器官和高现已为它配上更加发达的感觉器官、效应器官和高级思维程序，具有广泛的问题求解能力。级思维程序，具有广泛的问题求解能力。8人工智能及其应用 1.2 人工智能的学科范畴 人工智能的位置 人工智能的研究目标 人工智能的研究方法 人工智能的核心问题 9人工智能及其应用人工智能的位置v以思维与智能为核心。以思维与智能为核心。v 是计算机科学、逻辑学、是计算机科学、逻辑学、思维学、生理学、心理学、思维学、生理学、心理学、电子学、语言学、教育学电子学、语言学、教育学等多学科相互渗透的结果。等多学科相互渗透的结果。v 诞生在控制论、信息论与诞生在控制论、信息论与系统论基础之上，也随着系统论基础之上，也随着突变论、耗散结构理论、突变论、耗散结构理论、协同论的发展而进入到新协同论的发展而进入到新的阶段。的阶段。10人工智能及其应用人工智能的研究目标n人类智能活动的能力人类智能活动的能力：v认识和理解世界环境的能力认识和理解世界环境的能力v进行演绎和归纳推理的能力进行演绎和归纳推理的能力v学习的能力学习的能力v自适应的能力自适应的能力11人工智能及其应用人工智能的研究目标n近期研究目标近期研究目标v研究用计算机软件、硬件系统模拟人类某些智能行研究用计算机软件、硬件系统模拟人类某些智能行为的基本理论、技术和方法。为的基本理论、技术和方法。n远期研究目标远期研究目标v探讨智能的基本机理；探讨智能的基本机理；v研究如何利用各种自动机来模拟人的某些思维过程研究如何利用各种自动机来模拟人的某些思维过程和智能行为。和智能行为。12人工智能及其应用人工智能的研究方法n脑模型研究脑模型研究 特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控制论机器。制论机器。n人工智能研究人工智能研究 特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟。13人工智能及其应用人工智能的研究方法n仿生学方法仿生学方法 特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结特点是利用仿生学的观点和方法，把脑的微观结构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控构与宏观功能统一起来，制成类大脑的智能机器或控制论机器。制论机器。n计算机方法计算机方法 特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微特点是用计算机科学的观点和方法，撇开脑的微观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟观结构，单纯进行脑的宏观功能模拟。在利用计算机。在利用计算机方法求解智能问题时，又有两种方法方法求解智能问题时，又有两种方法：数学建模法数学建模法 心理学方法心理学方法 14人工智能及其应用人工智能的研究方法数学建模法数学建模法 依靠建立数学模型并利用算法来求解问题依靠建立数学模型并利用算法来求解问题心理学方法心理学方法 依靠心理学模型，把人在解决各种问题时所使用的依靠心理学模型，把人在解决各种问题时所使用的经验、方法、策略、窍门都编进程序，这种程序称为经验、方法、策略、窍门都编进程序，这种程序称为启发式程序。启发式程序。计算机科学与心理学的相互渗透、相互促进，是人计算机科学与心理学的相互渗透、相互促进，是人工智能发展的重要途径。工智能发展的重要途径。15人工智能及其应用人工智能的核心问题n人工智能基础的研究主要是认知科学和数学方人工智能基础的研究主要是认知科学和数学方法的研究法的研究v认知科学包括：逻辑思维学、形象思维学、灵感思认知科学包括：逻辑思维学、形象思维学、灵感思维学、认识心理学、认识生理学。维学、认识心理学、认识生理学。v数学方法包括：离散数学、模糊数学、突变论等。数学方法包括：离散数学、模糊数学、突变论等。16人工智能及其应用人工智能的核心问题尼尔逊的人工智能学科结构尼尔逊的人工智能学科结构 17人工智能及其应用人工智能的核心问题n人工智能原理的四大问题人工智能原理的四大问题 v知识表示，人工智能研究的最基本问题知识表示，人工智能研究的最基本问题 v问题求解，人工智能的根本问题问题求解，人工智能的根本问题 v机器学习，人工智能产生的核心问题机器学习，人工智能产生的核心问题 v系统构成，人工智能的中心问题系统构成，人工智能的中心问题 18人工智能及其应用人工智能的核心问题n 知识表示知识表示v知识表示研究机器表示知识的可行、有效、通用的知识表示研究机器表示知识的可行、有效、通用的原则与方法，使知识能够合理地储存在机器中，便原则与方法，使知识能够合理地储存在机器中，便于应用、修改、增删和更换。于应用、修改、增删和更换。v已有的知识表示法：谓词逻辑表示法、模糊逻辑表已有的知识表示法：谓词逻辑表示法、模糊逻辑表示法、产生式表示法、状态空间表示法、与示法、产生式表示法、状态空间表示法、与/或图或图表示法、语义网络表示法，框架表示法等表示法、语义网络表示法，框架表示法等。19人工智能及其应用人工智能的核心问题n问题求解问题求解v包含推理与规划两大过程包含推理与规划两大过程 v与问题的知识表示形式密切相关与问题的知识表示形式密切相关 (1)问题问题用谓词公式表示，用演绎推理来求解。用谓词公式表示，用演绎推理来求解。(2)问题问题用状态空间法表示，用搜索法求解。用状态空间法表示，用搜索法求解。20人工智能及其应用人工智能的核心问题n机器学习机器学习v研究让机器具有解决具体问题的本领；研究让机器具有解决具体问题的本领；v研究使机器具有自学习的能力；研究使机器具有自学习的能力；v机器学习常用方法有：死记硬背法、参数修正法、机器学习常用方法有：死记硬背法、参数修正法、问题求解法、概念法、发现法等问题求解法、概念法、发现法等。21人工智能及其应用人工智能的核心问题n系统构成系统构成 人工智能的工作需要硬件、软件、接口等多方面人工智能的工作需要硬件、软件、接口等多方面的支持与配合。的支持与配合。22人工智能及其应用人工智能的核心问题 系统构成包括以下五个方面系统构成包括以下五个方面：v 人工智能语言人工智能语言v 智能应用软件智能应用软件v 软件开发环境与工具软件开发环境与工具v 硬件支持环境硬件支持环境v 人机智能接口人机智能接口23人工智能及其应用 1.3 人工智能的研究领域专家系统 自然语言理解 智能决策支持系统 模式识别 数据库的智能检索博弈 自动定理证明 自动程序设计 自然语言生成 机器人24人工智能及其应用人工智能的研究领域n专家系统专家系统 专家系统是一种以知识为基础的计算机软件系统，专家系统是一种以知识为基础的计算机软件系统，事先将有关专家的知识、经验总结出来、形成规则，事先将有关专家的知识、经验总结出来、形成规则，并将它们存入计算机，然后采用适当的控制策略，按并将它们存入计算机，然后采用适当的控制策略，按输入的原始数据选择合适的规则进行推理、演绎，作输入的原始数据选择合适的规则进行推理、演绎，作出判断和决策，并能根据用户的要求显示判断决策的出判断和决策，并能根据用户的要求显示判断决策的过程。过程。25人工智能及其应用人工智能的研究领域n自然语言理解自然语言理解 自然语言理解可看成是模式识别研究的自然延伸。自然语言理解可看成是模式识别研究的自然延伸。n智能决策支持系统智能决策支持系统v分为确定情况下的决策、不确定情况下的决策。分为确定情况下的决策、不确定情况下的决策。v主要由三大部分组成：语言系统、知识系统、问题主要由三大部分组成：语言系统、知识系统、问题处理系统。处理系统。26人工智能及其应用人工智能的研究领域n模式识别模式识别 狭义研究目标是为计算机配置各种感觉器官，以狭义研究目标是为计算机配置各种感觉器官，以便直接接受外界的各种信息。便直接接受外界的各种信息。n数据库的智能检索数据库的智能检索 最终目标是：建立一个类似人类联想记忆的数据最终目标是：建立一个类似人类联想记忆的数据库系统，用户通过自然语言描述问题，数据库系统即库系统，用户通过自然语言描述问题，数据库系统即可把相关信息检索出来。可把相关信息检索出来。27人工智能及其应用人工智能的研究领域n博弈博弈 博弈即对策。博弈为人工智能提供了很好的试验博弈即对策。博弈为人工智能提供了很好的试验场所，人工智能中的许多概念和方法都是从博弈程序场所，人工智能中的许多概念和方法都是从博弈程序中提炼出来的中提炼出来的。n自动定理证明自动定理证明 自动定理证明的方法有：自然演绎法自动定理证明的方法有：自然演绎法、判定法判定法、定定理证明器理证明器、计算机辅助证明。计算机辅助证明。28人工智能及其应用人工智能的研究领域n自动程序设计自动程序设计 程序验证程序验证、程序综合。程序综合。n自然语言生成自然语言生成 研究内容包括语音合成系统研究内容包括语音合成系统、书面自然语言生成系统。书面自然语言生成系统。n机器人机器人 划分为四种类型：遥控机器人、程序机器人、示教划分为四种类型：遥控机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人。再现机器人、智能机器人。29人工智能及其应用1.4 人工智能系统结构及特点人工智能系统结构及特点计算机问答系统 规划与问题求解专家系统 人工智能系统的特点 30人工智能及其应用计算机问答系统v机器已存放的信息，无论是已知事实还是推理规机器已存放的信息，无论是已知事实还是推理规则都是明确的，要求解的目标则都是明确的，要求解的目标(即答案即答案)也是明确也是明确的。的。v求解问题的方法不是一个固定的过程，而是多条求解问题的方法不是一个固定的过程，而是多条路线推理，因此，答案也不一定唯一，这是人工路线推理，因此，答案也不一定唯一，这是人工智能系统有别于一般系统的特点之一。智能系统有别于一般系统的特点之一。31人工智能及其应用规划与问题求解v人们常需要根据周围环境的条件以及所要达到的目标人们常需要根据周围环境的条件以及所要达到的目标计划自己的行为，即产生一个合适的动作序列，或者计划自己的行为，即产生一个合适的动作序列，或者给出一个解决问题的步骤，这类问题被称为规划。给出一个解决问题的步骤，这类问题被称为规划。v启发式知识启发式知识、启发式程序启发式程序。32人工智能及其应用专家系统v专家系统是指一专家系统是指一类计算机智能程类计算机智能程序，可从事特定序，可从事特定的、难度较高的的、难度较高的专业工作。专业工作。v基本结构：如右基本结构：如右图。图。33人工智能及其应用人工智能系统特点n人工智能应用系统的结构特征是：人工智能应用系统的结构特征是：(1)(1)系统要有智能就必须拥有知识。系统要有智能就必须拥有知识。(2)(2)系统应具备某种推理的能力。系统应具备某种推理的能力。(3)(3)具备某种继续获取知识的功能。具备某种继续获取知识的功能。n与其它程序设计方法的差异与其它程序设计方法的差异 系统结构系统结构 知识表示方法知识表示方法 适用范围适用范围 系统功能系统功能34人工智能及其应用人工智能系统特点n系统结构系统结构v 在传统程序方法中，程序和数据是严格分离，需建在传统程序方法中，程序和数据是严格分离，需建立数学物理模型，利用提前设计的算法让计算机求立数学物理模型，利用提前设计的算法让计算机求解答案。解答案。v 在智能系统中，解决问题所需的知识同使用知识的在智能系统中，解决问题所需的知识同使用知识的方法性知识是相互独立的，计算机通过方法性知识是相互独立的，计算机通过“智能化智能化”搜搜索求解问题答案。索求解问题答案。v 在面向对象方法中在面向对象方法中，程序和数据被统一到一个可重程序和数据被统一到一个可重用的类中用的类中。35人工智能及其应用人工智能系统特点n知识表示方法知识表示方法v传统程序方法中解题的全部知识是隐含在整个程传统程序方法中解题的全部知识是隐含在整个程序中。序中。v人工智能方法的知识，则显式地表示在机器的知人工智能方法的知识，则显式地表示在机器的知识库中。识库中。v面向对象方法的知识却都被封装在该对象类的定面向对象方法的知识却都被封装在该对象类的定义中义中。36人工智能及其应用人工智能系统特点n适用范围适用范围 v传统程序原则上只能解决那些已经形成科学体系，传统程序原则上只能解决那些已经形成科学体系，具有严格规律的问题。具有严格规律的问题。v人工智能技术能解决传统程序所不能解决的问题。人工智能技术能解决传统程序所不能解决的问题。v面向对象方法主要用现实世界的概念抽象地思考问面向对象方法主要用现实世界的概念抽象地思考问题，从而自然地解决一般性、规律性问题，是传统题，从而自然地解决一般性、规律性问题，是传统程序的扩展和更高层次的运用。程序的扩展和更高层次的运用。37人工智能及其应用人工智能系统特点n系统功能系统功能v智能系统具有一定功能的抽象对象模块方法。智能系统具有一定功能的抽象对象模块方法。v智能系统的解题过程是一种推理过程，具有自我解智能系统的解题过程是一种推理过程，具有自我解释的能力。释的能力。v人工智能系统的知识库有自学习的能力。人工智能系统的知识库有自学习的能力。38人工智能及其应用xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！xiexie!xiexie!谢谢！谢谢！