第14章智能系统

1、第第1414章章 智智 能能 系系 统统2计算机科学导论计算机科学导论学习目标学习目标u了解人工智能系统的概念、知识表示了解人工智能系统的概念、知识表示及推理、搜索技术、自然语言处理、及推理、搜索技术、自然语言处理、智能计算、机器学习的基本概念。智能计算、机器学习的基本概念。第第1414章章 智智 能能 系系 统统3计算机科学导论计算机科学导论14.1 人工智能系统人工智能系统14.1.1 人工智能的定义人工智能的定义 人工智能，又称为机器智能人工智能，又称为机器智能 (Machine Intelligence，MI)，是研究、设计和应用智能机器或智能系统来，是研究、设计和应用智能机器或智能系

2、统来模拟人类智能活动的能力，以延伸人类智能的科学。模拟人类智能活动的能力，以延伸人类智能的科学。它是一门综合了计算机科学、控制论、信息论、生它是一门综合了计算机科学、控制论、信息论、生理学、神经生理学、语言学、哲学的交叉学科。理学、神经生理学、语言学、哲学的交叉学科。4计算机科学导论计算机科学导论14.1.2 人工智能的主要学派人工智能的主要学派u1.符号主义学派符号主义学派 符号主义符号主义(Symbolicism)学派，又称为逻辑主义学派，又称为逻辑主义(Logicism)学派、心理学派学派、心理学派(Psychlogism)或计算机学派或计算机学派(Computerism)。这一学派认为

3、人工智能源于数理逻辑。这一学派认为人工智能源于数理逻辑。 u2.联结主义学派联结主义学派 联结主义联结主义(Connectionism)学派，又称为仿生学派学派，又称为仿生学派(Bionicsism)或生理学派或生理学派(Physiologism)。它从神经元开始进。它从神经元开始进而研究神经网络模型，开辟了人工智能的又一发展道路。而研究神经网络模型，开辟了人工智能的又一发展道路。 u3.行为主义学派行为主义学派 行为主义行为主义(Actionism)学派，又称为进化主义学派，又称为进化主义(Evolutionism)学派或控制论学派学派或控制论学派(Cyberneticsism)，它源于控制

4、论。，它源于控制论。 5计算机科学导论计算机科学导论14.1.3 人工智能的研究与应用领域人工智能的研究与应用领域问题求解问题求解专家系统专家系统决策支持系统决策支持系统自然语言处理自然语言处理组合高度和指挥组合高度和指挥智能机器人智能机器人逻辑推理和定理证明逻辑推理和定理证明模式识别模式识别自动程序设计自动程序设计智能控制智能控制6计算机科学导论计算机科学导论14.2 知识表示及推理知识表示及推理14.2.1 知识与知识表示知识与知识表示u 知识的概念知识的概念知识是人类对客观世界及其内部运行规律的认识知识是人类对客观世界及其内部运行规律的认识与经验的总和，是人类利用这些规律改造世界的与经验

5、的总和，是人类利用这些规律改造世界的方法和策略。在计算机科学和智能程序设计中研方法和策略。在计算机科学和智能程序设计中研究的知识仅仅是有关现实世界的一部分知识。究的知识仅仅是有关现实世界的一部分知识。知识具有相对正确性、不确定性、可表示性和可知识具有相对正确性、不确定性、可表示性和可利用性等几个特征。利用性等几个特征。7计算机科学导论计算机科学导论14.2.1 知识与知识表示知识与知识表示u知识的一般表示方法知识的一般表示方法一阶谓词逻辑一阶谓词逻辑 问题归约法问题归约法 语义网络语义网络 框架表示法框架表示法 剧本剧本 产生式系统产生式系统 状态空间表示法状态空间表示法 过程表示过程表示 面

6、向对象的知识表示面向对象的知识表示 8计算机科学导论计算机科学导论14.2.2 经典推理技术经典推理技术u推理是指依据一定的规则从推理是指依据一定的规则从己有的事实推出结论的过程。己有的事实推出结论的过程。 规则演绎推理规则演绎推理 消解演绎推理消解演绎推理 与或形演绎推理与或形演绎推理 产生式系统产生式系统 9计算机科学导论计算机科学导论14.2.3 高级知识推理技术高级知识推理技术1. 模糊推理模糊推理 2. 不确定性推理不确定性推理 3. 非单调推理非单调推理 4. 时序推理时序推理 5.其它推理其它推理10计算机科学导论计算机科学导论14.3 搜索技术搜索技术14.3.1 一般搜索技术

7、一般搜索技术u1.深度优先搜索法深度优先搜索法 深度优先搜索法从开始状态开始搜索，然后是开始深度优先搜索法从开始状态开始搜索，然后是开始状态的一个后继状态状态的一个后继状态(即通过一次状态转移可以到达即通过一次状态转移可以到达的状态的状态)，接着是该状态的一个后继状态，如此等等，接着是该状态的一个后继状态，如此等等，直到到达目标状态。直到到达目标状态。u2.广度优先搜索法广度优先搜索法 广度优先搜索法并没有上面深度优先搜索法的缺点。广度优先搜索法并没有上面深度优先搜索法的缺点。其基本思想如下；根据从开始状态出发的状态转移其基本思想如下；根据从开始状态出发的状态转移的递增次序的递增次序(层数层数

8、)来考察状态，这样，首先检查开始来考察状态，这样，首先检查开始状态的所有直接后继状态，然后是这些状态的直接状态的所有直接后继状态，然后是这些状态的直接后继状态，如此等等，直至找到目标状态。后继状态，如此等等，直至找到目标状态。11计算机科学导论计算机科学导论14.3.1 一般搜索技术一般搜索技术u3.等代价搜索等代价搜索 宽度优先搜索可被推广用来解决这种寻找从宽度优先搜索可被推广用来解决这种寻找从起始状态至目标状态的具有最小代价的路径起始状态至目标状态的具有最小代价的路径问题，这种推广了的宽度优先搜索算法即是问题，这种推广了的宽度优先搜索算法即是等代价搜索算法。等代价搜索算法。12计算机科学导

9、论计算机科学导论14.3.2 高级搜索技术高级搜索技术 高级搜索技术建立在深度优先搜索法和高级搜索技术建立在深度优先搜索法和广度优先搜索法基础之上，采用启发信息、广度优先搜索法基础之上，采用启发信息、估值函数搜索法和费用函数等来进行搜索。估值函数搜索法和费用函数等来进行搜索。 启发信息启发信息爬山搜索法和最优优先搜索法爬山搜索法和最优优先搜索法分支界限搜索法分支界限搜索法A*搜索法搜索法反向搜索法反向搜索法13计算机科学导论计算机科学导论14.4 自然语言处理自然语言处理14.4.1 语言及其理解语言及其理解 迄今为止，语言理解尚无统一的定义。一般来讲，为了达迄今为止，语言理解尚无统一的定义。

10、一般来讲，为了达到理解语言的目的，需要进行如下几步工作：首先，对出到理解语言的目的，需要进行如下几步工作：首先，对出现的每个词进行理解；然后，对语句意义的结构从词义构现的每个词进行理解；然后，对语句意义的结构从词义构造方面来表示；最后，从句子语义结构表示言语的结构。造方面来表示；最后，从句子语义结构表示言语的结构。在这三个过程中，需着重解决如何有效地使用语法、语义、在这三个过程中，需着重解决如何有效地使用语法、语义、语用及与任务有关的各种知识这个问题。语用及与任务有关的各种知识这个问题。14计算机科学导论计算机科学导论14.4.2 句法和语义的分析句法和语义的分析u1.句子的理解分为下面几个阶

11、段：句子的理解分为下面几个阶段： 语法分析语法分析 语义分析语义分析 句法分析句法分析 语用分析语用分析 u2.分析系统所采用的分析方法可分为两种：分析系统所采用的分析方法可分为两种： 自顶向下分析自顶向下分析 自底向上分析自底向上分析15计算机科学导论计算机科学导论14.4.3 机器翻译机器翻译机器翻译就是用计算机来模拟人的机器翻译就是用计算机来模拟人的翻译过程。翻译过程。16计算机科学导论计算机科学导论14.5 智能计算智能计算14.5.1 智能计算概述智能计算概述 智能计算智能计算(Intelligence Computational)，也，也称为称为“软计算软计算”，是借用自然界，是借

12、用自然界(生物界生物界)规律的启迪，根据其原理，模仿设计求解规律的启迪，根据其原理，模仿设计求解问题的算法。问题的算法。17计算机科学导论计算机科学导论14.5.2 遗传算法遗传算法 遗传算法（遗传算法（Genetic Algorithm,简称简称GA）是）是利用达尔文的利用达尔文的“适者生存，优胜劣汰适者生存，优胜劣汰”的自的自然进化规则进行搜索和完成对问题求解的一然进化规则进行搜索和完成对问题求解的一种新方法。种新方法。18计算机科学导论计算机科学导论14.5.3 集群智能集群智能u1.蚁群优化算法蚁群优化算法 蚁群蚁群(ant colony )算法是最近几年才提出的一种新型模拟算法是最近

13、几年才提出的一种新型模拟算法进化算法，它是算法进化算法，它是20世纪世纪90年代首先由意大利学者年代首先由意大利学者M. Dorigo等人提出，称之为蚁群系统等人提出，称之为蚁群系统 u2. 粒子群算法粒子群算法 粒子群优化算法粒子群优化算法(PSO)是一种进化计算技术是一种进化计算技术(evolutionary computation)，是由，是由Eberhart博士和博士和kennedy博士发明。博士发明。源于对鸟群捕食的行为研究源于对鸟群捕食的行为研究PSO同遗传算法类似，是一同遗传算法类似，是一种基于叠代的优化工具种基于叠代的优化工具19计算机科学导论计算机科学导论14.5.4 人工神

14、经网络人工神经网络u1.人工神经网络概述人工神经网络概述人工神经网络是人类采用许多处理元件人工神经网络是人类采用许多处理元件（如电子元件）构成的模拟人脑神经系（如电子元件）构成的模拟人脑神经系统的结构和功能而建立的网络。统的结构和功能而建立的网络。 u2. 神经元模型原理神经元模型原理 神经元由细胞体、树突和轴突三部分组神经元由细胞体、树突和轴突三部分组成。成。20计算机科学导论计算机科学导论u3.人工神经网络模型人工神经网络模型 感知器感知器 BP（Back-propagation）双向联想存储器双向联想存储器BAM网络网络 HopfieldKohonenART网络网络14.5.4 人工神经

15、网络人工神经网络21计算机科学导论计算机科学导论14.6 机器学习机器学习14.6.1 机器学习的定义机器学习的定义 机器学习是研究如何使用机器来模拟人机器学习是研究如何使用机器来模拟人类学习活动的一门学科，它专门研究机类学习活动的一门学科，它专门研究机器获取新知识和新技能，并识别现有知器获取新知识和新技能，并识别现有知识的学问。识的学问。22计算机科学导论计算机科学导论14.6.2 机器学习的发展过程机器学习的发展过程 第一阶段（第一阶段（20世纪世纪50年代中叶到年代中叶到60年代中叶）年代中叶）属于神经元模型的研究阶段。属于神经元模型的研究阶段。 第二阶段（第二阶段（20世纪世纪60年代

16、中叶到年代中叶到70年代中叶）年代中叶）属于符号学习的研究阶段。属于符号学习的研究阶段。 第三阶段（第三阶段（20世纪世纪70年代中叶到年代中叶到80年代中叶）年代中叶）属于连接学习的研究阶段。属于连接学习的研究阶段。 第四阶段（第四阶段（1986年至今）机器学习的研究出年至今）机器学习的研究出现了高潮，机器学习有了更强的研究手段和现了高潮，机器学习有了更强的研究手段和环境。从而出现了符号学习、神经网络学习、环境。从而出现了符号学习、神经网络学习、进化学习和基于行为主义的强化学习等方法。进化学习和基于行为主义的强化学习等方法。23计算机科学导论计算机科学导论14.6.3 机器学习的主要研究方向

17、机器学习的主要研究方向u1.学习机理的研究学习机理的研究 这是对人类学习机制的研究，即人类获取知识、这是对人类学习机制的研究，即人类获取知识、技能和抽象概念的天赋能力。技能和抽象概念的天赋能力。 u2.学习方法的研究学习方法的研究 研究人类的学习过程，探索各种可能的学习方研究人类的学习过程，探索各种可能的学习方法，建立起独立于具体应用领域的学习算法。法，建立起独立于具体应用领域的学习算法。 u3.面向任务的研究面向任务的研究 根据特定任务的要求，建立相应的学习系统。根据特定任务的要求，建立相应的学习系统。24计算机科学导论计算机科学导论14.6.4 机器学习策略机器学习策略 机械学习就是记忆。

18、是最简单的学习策略机械学习就是记忆。是最简单的学习策略 比机械学习复杂一点的学习是通过传授学习策略比机械学习复杂一点的学习是通过传授学习策略 类比学习系统只能得到类似任务的有关知识类比学习系统只能得到类似任务的有关知识 采用通过事例学习策略的计算机系统，事先完全采用通过事例学习策略的计算机系统，事先完全没有完成任务的任何规律性的信息，所得到的只没有完成任务的任何规律性的信息，所得到的只是一些具体的工作例子及工作经验。是一些具体的工作例子及工作经验。25计算机科学导论计算机科学导论14.6.5 机器学习方法机器学习方法u1. 机械学习机械学习 机械学习法又称为死记硬背学习法。它是最简单的机械学习

19、法又称为死记硬背学习法。它是最简单的机器学习方法。机械学习就是把新的知识存储起来，机器学习方法。机械学习就是把新的知识存储起来，供需要时检索，而无须计算和推理。供需要时检索，而无须计算和推理。 u2. 演绎学习演绎学习 演绎学习是基于演绎推理的一种学习。演绎推理是演绎学习是基于演绎推理的一种学习。演绎推理是一种保真变换，即若前提真则推出的结论也为真。一种保真变换，即若前提真则推出的结论也为真。演绎学习包括知识改造、知识编译、产生宏操作、演绎学习包括知识改造、知识编译、产生宏操作、保持等价的操作和其它保真变换。保持等价的操作和其它保真变换。 u3. 类比学习类比学习 类比学习的一般含义是：对于两个对象，如果它们类比学习的一般含义是：对于两个对象，如果它们之间有某些相似之处，那么就推知这两个对象间还之间有某些相似之处，那么就推知这两个对象间还有其它相似的特征。有其它相似的特征。 26计算机科学导论计算机科学导论u4. 解释学习解释学习 解释学习是通过运用相关的领域知识，对当前提供的解释学习是通过运用相关的领域知识，对当前提供的实例进行分析，从而构造