人工智能初步

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1/11/20230开设课程《人工智能初步》意义课标内容剖析教学建议1/11/20231一、《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、……1/11/20232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。”

1/11/20233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。

1/11/20234二、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1/11/20235二、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。1/11/20236

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1/11/20237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。1/11/20238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。1/11/20239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。1/11/202310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1/11/202311

◆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1/11/2023122.4、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。1/11/202313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1/11/202314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1/11/202315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。1/11/202316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。1/11/202317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：1/11/202318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……1/11/2023193.2．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。1/11/202320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。1/11/202321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1/11/202322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1/11/202323

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1/11/202324

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：IfPthenQ或者PQ1/11/202325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1/11/202326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1/11/202327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）1/11/202328It_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）1/11/202329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1/11/202330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。1/11/202331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。1/11/202332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]83647■5初始状态123■84765目标状态1/11/2023332831647528314765283164752831647528364175283147652318476528314765283167548326417528364175832147652837146523184765231847652831476528143765283167542816375483264175236841758321476528371465123847652341876528314765281437652831675428163754283641752836741523184765283164752318675428315674目标状态初始状态1/11/202334

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1/11/202335（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1/11/2023361.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1/11/202337井字棋井字棋游戏1/11/202338五子棋游戏……1/11/202339

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1/11/2023403.3、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）1/11/202341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。1/11/202342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1/11/202343一个简单的动物识别专家系统1/11/202344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1/11/202345

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)IFA∧BTHENC

(2)IFA∧CTHEND

(3)IFB∧CTHENG

(4)IFB∧ETHENF

(5)IFDTHENE1/11/2023463.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。

1/11/202347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。

1/11/202348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。1/11/202349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1/11/202350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1/11/2023513.4、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。1/11/202352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。1/11/202353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1/11/202354例[重排九宫问题]83647■5初始状态1238■4765目标状态请用尽可能少的棋步从初始状态达到目标状态。1/11/20235583214765E181324765E228374615E328371465E412384765Sg83214765D128371465D2D323418765D428143765D528314576D628364175D728316754D883214765C128371465C223184765C323184765C428143765C528318576C628316475C728316475C8B123184765B228314765B328316475B428314765S012384765第四层第三层第二层第一层第零层234187651237846528314765E6E728314765231847652831476528316475832147652837146523184765231847652814376528318576283164752831647583214765283714651238476523418765281437652831457628364175283167548321476581324765283746152837146512384765找到目标状态，结束搜索广度优先搜索1/11/20235683214765E181324765E228374615E328371465E412384765Sg83214765D128371465D2D383214765C128371465C223184765C328314765B123184765B228314765S0123847652831476523184765832147652837146523184765832147652837146512384765832147658132476528374615283714651238476528314765B328316475B428143765C528318576C628316475C728316475C8找到目标状态，结束搜索12384765深度优先搜索1/11/202357启发式函数:f(X)=g(X)+h(X)Xg(X)h(X)启发式搜索1/11/2023582831647■5283164■752831■476528316475■283■147652■318476528314■765■8321476528