人工智能初步

(共67张PPT)
人工智能初步
陈 品 德
博士 教授
华南师范大学教育信息技术学院
开设课程《人工智能初步》意义
课标内容剖析
教学建议
一、《人工智能初步》课程意义
人工智能已经进入我们的生活，人类正在迈入智能社会
无人驾驶飞机、扫雷机器人、卫星评估粮食产量、医学专家系统、、购物篮分析、信息过滤、人脸的识别、人机搏弈、机器人足球、……
人工智能是高科技竞争的前沿阵地
人工智能被誉为20世纪的三大尖端科技成就之一。
有预言家说：
“说掌握了人工智能，说就能征服整个世界。”
学习人工智能是科技发展的必然趋势
让孩子尽早接触人工智能，揭开人工智能的神秘面纱。
二、课标内容剖析
本书以应用人工智能技术解决问题为主线,按照“知识表达与人工智能语言 推理与专家系统 问题求解”这一线索呈现学习内容。全书分为五章：
1、人工智能初探
2、知识表示及PROLOG语言
3、专家系统
4、问题求解
5、人工智能的回顾与展望
二、课标内容剖析
2.1、课程目标
◆知识的介绍
了解人工智能的一些基本概念、方法，典型应用，
人工智能对人类学习、生活的影响。
◆技能的培养
解决的问题类型：结构不良的问题以及结构化的难问题。
难度要求： 基本原理和方法的简单应用。
◆人文素质的培养
感受人工智能技术的丰富魅力，增强对信息技术发展前景的向往和对未来生活的追求。
人工智能初步
知识及其表达
推理与专家系统
人工智能语言与问题求解
2.2、内容结构
知识及其表达
相关的背景知识——
了解人工智能的概念与基本特点；
了解、体验人工智能某些典型应用、发展现状
掌握知识表达的几种基本方法。
人工智能语言与问题求解
了解一种人工智能语言，初步学会使用该语言设计程序上机求解简单问题。
了解状态空间的概念与方法，学会用该方法描述待求解的问题。
了解盲目搜索、启发式搜索的基本思想及其特点。
推理与专家系统
了解专家系统的基本结构、工作的基本过程。
知道专家系统正向、反向推理的基本原理。会描述一种常用的不精确推理的基本过程。
了解专家系统解释机制。
会用专家系统外壳来开发简单的专家系统。
人
机
接
口
知识获取
推理机
解释机
知识库
事实库
专家系统的基本结构
◆ 知识表示是基础
◆ 搜索技术是核心
◆ 专家系统是目标
2.3、各部分间的关系
2.4、重点难点
◆知识表示—— 产生式规则、状态空间、Prolog语言。
◆各种搜索策略的基本原理。
◆专家系统的推理原理；简单专家系统的构造。
课程内容标准：
1、能描述人工智能的概念与基本特点。
2、列举人工智能的主要应用领域；通过演示或实际操作，体验人工智能的若干典型应用，知道其发展现状。
三、教学建议
3.1、人工智能初探
本章作用与地位：
通过对人工智能一些生动的应用例子的探讨，逐步引发学生对人工智能的学习兴趣和好奇心，并且使他们对人工智能的基本概念、基本内容及主要应用领域有个整体上的认识，为学生学习“人工智能”奠定良好的基础。
三、教学建议
3.1、人工智能初探
常见的智能例子
智能、人工智能的概念、基本特点和发展动态。
会表演节目的动物
机器人
会下棋的机器
引入
一般认为：
智能是知识与智力的总和。
人工智能是研究和开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、技术、方法及应用系统的一门学科。
人工智能的主要特点
1、人工智能是由多学科相互渗透发展起来的新学科。
2、人工智能研究的内容很广，包括机器感知、机器思维、机器行为、机器学习、智能系统及智能机器人等。
3、人工智能研究的目标是使机器智能化及制造出新的智能化机器。
4、人工智能技术在许多领域有广泛的应用，它与其他学科相结合，极大地提高了应用技术的智能化水平。
学生通过观摩或实际操作，体验人工智能在模式识别、专家系统、问题求解等方面的典型应用。
本章一些典型案例：
本章教学方法
自主阅读、交流讨论
如智能、人工智能、人工智能特点……
充分利用网上资源，挖掘丰富内涵，获得知识，加强实践能力
如机器人踢足球、机器思维……
观摩演示的学习方法
如指纹系统、动物专家系统……
3.2．知识的表示及PROLOG语言
课程内容标准:
1、掌握知识的概念；学会知识表达的基本方法。
2、了解状态空间的概念与方法，学会用该方法描述待求解的问题。
3、了解一种人工智能语言的基本数据结构和程序结构，掌握相关概念，知道人工智能语言的主要特征。
4、初步学会使用该语言设计程序求解简单问题，并能够上机调试，执行相应的程序。
本章的作用和地位
让学生对知识的基本含义、知识表示的方法、人工智能语言Prolog等方面有个概括性的了解，并为学生学习智能信息处理奠定基础，并使他们对人工智能语言产生深厚的学习兴趣和强烈的求知欲。
强调学生通过分析具体的例子来感悟知识的格式化表示，侧重培养学生掌握知识的格式化表示，让学生了解一种人工智能语言，使学生能更好地理解计算机智能处理信息的过程和方法。
教学方法
知识表示以案例讨论为主，人工智能语言以讲练结合
知识表示法 案例
框架表示法 描述高中生的知识框架、天气预报的知识框架
“与/或”图表示法 两个三角形全等的“与/或”图表示法、识别动物的“与/或”图表示法
状态空间表示法 翻钱币、水壶问题的状态空间表示法
产生式规则表示法 动物识别系统的产生式规则
知识表示的目的
——使用知识。它是问题求解和专家系统的基础。
知识表示遵循的思路
产生式规则
与或图
状态空间
等
人工智能语言
（如Prolog语言）
通用程序设计语言
（如C、C++）
自然语言表示 格式化表示 计算机语言表示
难点分析
如果有毛发或者产奶，那么它是哺育动物；
如果吃肉，那么它是食肉动物；
如果有犬齿、有爪、眼视前方，那么它是食肉动物；
如果是哺育动物、食肉动物、黄褐色、有黑色条纹，那么它是老虎。
自然语言描述知识
if 有毛发或者产奶 then 它是哺育动物；
if 吃肉 then 它是食肉动物；
if 有犬齿，且有爪，且眼视前方 then 它是食肉动物；
if 是哺育动物，且是食肉动物，且是黄褐色，且有黑色条纹 then 它是老虎。
产生式规则表示知识
产生式规则的基本形式：
If P then Q
或者P Q
老虎
Λ
黄褐色
黑色条纹
食肉动物
吃肉
Λ
有犬牙
有爪
眼睛向前
哺育动物
产奶
有毛发
产生式规则表示知识的网络
老虎
黄褐色
黑色条纹
食肉动物
吃肉
有犬牙
有爪
眼睛向前
哺育动物
产奶
有毛发
与或图表示知识
定义如下谓词：
positive(X)表示该动物具有特点X;
negative(X)表示该动物不具有特点X;
It_is(X)表示该动物属于X类别;
Animal_is(X)表示该动物的名字叫X.
用Prolog语言表示知识（1）
It_is(“哺育动物”):-positive(“有毛发”)
It_is(“哺育动物”):-positive(“产奶”)
It_is(“食肉动 物”):-positive(“吃肉”)
It_is(“食肉动物”):-positive(“有犬齿”),positive(“有爪”),positive(“眼视前方”)
Animal_is(“老虎”):-It_is(“哺育动物”),It_is(“食肉动物”),positive(“黄褐色”),positive(“有黑色条纹”)
用Prolog语言表示知识（2）
状态
表示问题求解过程中每一步问题状况的数据结构。
例如， 在棋弈中的格局即为问题的状态。
操作
把问题从一种状态变换为另外一种状态的手段。
例如，棋弈中一步“走子”可将一个格局变为另一种格局。
状态空间表示法
状态空间
用来描述一个问题的全部状态以及这些状态之间的相互关系。包含三个部分：
S—问题的初始状态集合
F—操作集合
G—目标状态的集合
状态空间树（图）
可用一个图（树）来直观地表示出状态空间。
状态空间表示法的基本思想
用“状态”和“操作”来表示问题及其变化，形成状态空间，求解问题的过程就是在状态空间树中搜索表示解的状态的过程。
搜索时，从某个初始状态出发，每次使用一个操作使得问题能够从一种状态变为另外一种状态，直到到达目标状态为止。
要求：用尽可能少棋步能由初始状态到达目标状态。
[例1 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
2 8 3
1 6 4
7 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 8 3
1 6 4
7 5
2 8 3
1 6 4
7 5
2 8 3
6 4
1 7 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 8 3
1 6
7 5 4
8 3
2 6 4
1 7 5
2 8 3
6 4
1 7 5
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2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
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1 4
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2 8 3
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2 8
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7 5 4
8 3
2 6 4
1 7 5
2 3
6 8 4
1 7 5
8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
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8 4
7 6 5
2 3 4
1 8
7 6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 8
1 4 3
7 6 5
2 8 3
1 6
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7 5 4
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6 4
1 7 5
2 8 3
6 7 4
1 5
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7 6 5
2 8 3
1 6 4
7 5
2 3
1 8 6
7 5 4
2 8 3
1 5 6
7 4
目标状态
初始状态
假设有7个钱币，任一选手只能将已分好的一堆钱币分成两堆个数不等的钱币，两位选手轮流进行，直到每一堆都只有一个或两个钱币，不能再分为止，哪个遇到不能分的情况，则就为输。
假设对方先走，我方是否有必胜策略？
[例2] 分钱币问题
（7）
（6,1）
（5,2）
（4,3）
（5,1,1）
（4,2,1）
（3,2,2）
（3,3,1）
（4,1,1,1）
（3,2,1,1）
（2,2,2,1）
（3,1,1,1,1）
（2,2,1,1,1）
（2,1,1,1,1,1）
对方先走
我方胜
对方胜
对方胜
分钱币问题的搏弈图
1. 还有哪些类似的问题可以使用状态空间来描述？ 比如，井字棋、五子棋、拾火柴等游戏。画出井字棋问题的状态空间树。
过河问题如何使用状态空间法表示？
画出过河问题的状态空间图。
思考与练习
井字棋
井字棋游戏
五子棋游戏
…
…
假定盘中放有n根火柴，由弈者A和B两人参加比赛。比赛的规则是：两名弈者轮流从盘中取走火柴，每次从盘中取走1，2或3根火柴均为合法着，否则为非法着。拿走盘中最后一根火柴的弈者为输。假定A方先走，A有必胜策略吗？若有就找出A的必胜策略。
拾火柴游戏
3.3、专家系统
课程内容标准：
1.了解专家系统的基本结构
2.了解专家系统的基本工作原理
3.能用专家系统的“外壳”来建立简单的专家系统
（只需表示知识，并初步了解其基本结构和工作原理即可）
本章的作用和地位
引导学生对人工智能的应用有更进一步的理解，对专家系统的结构、功能及开发过程有一个较全面的了解，并使学生通过综合活动，亲身体验利用专家系统外壳建造专家系统的过程，由此产生浓厚的学习兴趣。
通过这一章的学习，学生不仅可以掌握如何在实际问题中运用第二章所学习的内容，并且对将要学习的第四章的内容有所了解。
教学组织手段
对一个医疗诊断系统进行测试的过程，引入了专家系统的概念 。
专家系统=知识库+推理机
观摩“动物识别系统”，感受用专家系统解决问题的过程，了解专家系统的组成和功能
人机接口
知识获取
推理机
解释机制
知识库
数据库
一个简单的动物识别专家系统
设有如下字符转换规则： A∧B→C A∧C→D B∧C→G B∧E→F D→E 已知：A，B 求：F
[字符转换问题]-专家系统的原理示例
用产生式系统来描述该问题
实事库（综合数据库） 事实库用集合{x}表示，其中x为字符。
知识库（规则集） 该问题比较简单，因为问题本身已经给出了字符的转换规则，这里用“IF ～ THEN ～”的形式表示如下： (1) IF A∧B THEN C (2) IF A∧C THEN D (3) IF B∧C THEN G (4) IF B∧E THEN F (5) IF D THEN E
3. 推理机（控制策略） 控制策略简单的说，就是选择规则的方法。有多种方法选择规则的方法。比如，可以采用按照规则的自然顺序选择规则的方法，这种策略称为顺序排队。
4. 初始状态 {A，B}，A、B是已知条件。
5. 结束条件 F∈{x}，当目标F在综合数据库中出现时，则F被求得。
求解过程
可触发规则: 当一个规则的前件被综合数据库中的数据满足时，该规则称为可触发规则。
被触发规则：从可触发规则中选择一个规则来执行，被执行的规则称为被触发规则。
推理过程
正向推理过程：是以已知事实作为出发点，按照一定的策略，运用知识库中的知识，推断出结论的过程。
反向推理过程：从表示目标的谓词或命题出发，使用一组推理规则，来证明事实谓词或命题成立。
老虎
Λ
黄褐色
黑色条纹
食肉动物
吃肉
Λ
有犬牙
有爪
眼睛向前
哺育动物
产奶
有毛发
正向推理示意图
老虎
Λ
黄褐色
黑色条纹
食肉动物
吃肉
Λ
有犬牙
有爪
眼睛向前
哺育动物
产奶
有毛发
反向推理示意图
3.4、问题求解技术
课程内容标准：
1．了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过程。
2．知道启发式搜索的基本思想及其优点。
3．了解如何用谓词逻辑表达知识，了解归结原理求解问题的一般过程。
本章的作用和地位
以简单的问题为例，说明了盲目搜索和启发式搜索的技术，讲述了求解博弈问题的基本思想，通过简单的例子说明机器证明的过程。
通过本章的学习，学生可以掌握人工智能中问题求解的简单方法，为我们解决生活中遇到的类似问题提供启发和帮助。
搜索问题
重排九宫问题游戏
基本搜索
启发式搜索
广度优先搜索
深度优先搜索
例 [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
请用尽可能少的棋步从初始状态达到目标状态。
8 3
2 1 4
7 6 5
E1
8 1 3
2 4
7 6 5
E2
2 8 3
7 4
6 1 5
E3
2 8 3
7 1 4
6 5
E4
1 2 3
8 4
7 6 5
Sg
8 3
2 1 4
7 6 5
D1
2 8 3
7 1 4
6 5
D2
D3
2 3 4
1 8
7 6 5
D4
2 8
1 4 3
7 6 5
D5
2 8 3
1 4 5
7 6
D6
2 8 3
6 4
1 7 5
D7
2 8 3
1 6
7 5 4
D8
8 3
2 1 4
7 6 5
C1
2 8 3
7 1 4
6 5
C2
2 3
1 8 4
7 6 5
C3
2 3
1 8 4
7 6 5
C4
2 8
1 4 3
7 6 5
C5
2 8 3
1 8 5
7 6
C6
2 8 3
1 6 4
7 5
C7
2 8 3
1 6 4
7 5
C8
B1
2 3
1 8 4
7 6 5
B2
2 8 3
1 4
7 6 5
B3
2 8 3
1 6 4
7 5
B4
2 8 3
1 4
7 6 5
S0
1 2 3
8 4
7 6 5
第四层
第三层
第二层
第一层
第零层
2 3 4
1 8
7 6 5
1 2 3
7 8 4
6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
E6
E7
2 8 3
1 4
7 6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 8 3
1 6 4
7 5
8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
2 8
1 4 3
7 6 5
2 8 3
1 8 5
7 6
2 8 3
1 6 4
7 5
2 8 3
1 6 4
7 5
8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
6 5
1 2 3
8 4
7 6 5
2 3 4
1 8
7 6 5
2 8
1 4 3
7 6 5
2 8 3
1 4 5
7 6
2 8 3
6 4
1 7 5
2 8 3
1 6
7 5 4
8 3
2 1 4
7 6 5
8 1 3
2 4
7 6 5
2 8 3
7 4
6 1 5
2 8 3
7 1 4
6 5
1 2 3
8 4
7 6 5
找到目标状态，结束搜索
广度优先搜索
8 3
2 1 4
7 6 5
E1
8 1 3
2 4
7 6 5
E2
2 8 3
7 4
6 1 5
E3
2 8 3
7 1 4
6 5
E4
1 2 3
8 4
7 6 5
Sg
8 3
2 1 4
7 6 5
D1
2 8 3
7 1 4
6 5
D2
D3
8 3
2 1 4
7 6 5
C1
2 8 3
7 1 4
6 5
C2
2 3
1 8 4
7 6 5
C3
2 8 3
1 4
7 6 5
B1
2 3
1 8 4
7 6 5
B2
2 8 3
1 4
7 6 5
S0
1 2 3
8 4
7 6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
6 5
2 3
1 8 4
7 6 5
8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
6 5
1 2 3
8 4
7 6 5
8 3
2 1 4
7 6 5
8 1 3
2 4
7 6 5
2 8 3
7 4
6 1 5
2 8 3
7 1 4
6 5
1 2 3
8 4
7 6 5
2 8 3
1 4
7 6 5
B3
2 8 3
1 6 4
7 5
B4
2 8
1 4 3
7 6 5
C5
2 8 3
1 8 5
7 6
C6
2 8 3
1 6 4
7 5
C7
2 8 3
1 6 4
7 5
C8
找到目标状态，结束搜索
1 2 3
8 4
7 6 5
深度优先搜索
启发式函数:
f(X)= g(X) + h(X)
X
g(X)
h(X)
启发式搜索
2 8 3
1 6 4
7 ■ 5
2 8 3
1 6 4
■ 7 5
2 8 3
1 ■ 4
7 6 5
2 8 3
1 6 4
7 5 ■
2 8 3
■ 1 4
7 6 5
2 ■ 3
1 8 4
7 6 5
2 8 3
1 4 ■
7 6 5
■ 8 3
2 1 4
7 6 5
2 8 3
7 1 4
■ 6 5
■ 2 3
1 8 4
7 6 5
2 3 ■
1 8 4
7 6 5
1 2 3
■ 8 4
7 6 5
0+4
1+5
1+3
1+5
2+3
2+3
2+4
3+3
3+4
3+2
3+4
4+1
启发函数：
f(X) = g(X)+h(X)
目标
用Prolog程序求解：
下图中从a到哪些点有路径？
a
d
b
c
e
f
例2 [路径问题]
predicates
road(symbol,symbol)
path(symbol,symbol)
goal
path(a,X),write(“X=",X),nl,fail.
clauses
road(a,b). road(b,c). road(c,f). road(d,a).
road(d,c). road(d,e). road(f,e).
path(X,Y):-road(X,Y).
path(X,Y):-road(X,Z),path(Z,Y).
a
d
b
c
e
f
3.5、人工智能的回顾与展望
课程内容标准：
知道人工智能技术随着计算机硬、软件技术的进步和应用需求而发展的事实和客观规律。
本章的作用和地位
通过对本章的学习，学生将掌握人工智能发展的主要历程，把握好人工智能发展的脉络，并且在学生眼前呈现出对未来人工智能的展望，从而增强学生对人工智能发展前景的向往和追求。
第一节 人工智能的发展历程。了解人工智能的形成与发展的不同阶段，认识人工智能发展的曲折性和必然性；了解人工智能学科所取得的主要成果，肯定前人做出的成绩；把握国内人工智能发展现状，增强对我国人工智能发展的信心和希望。
第二节 人工智能的展望”。主要从“机器智能化”、“智能机器人”、“知识发现与数据挖掘”、“社会智能化”四个方面入手，为人工智能的发展编织出一幅蓝图，呈现于学生面前，让学生感受到人工智能发展的美好前景。
谢谢大家!