智能科学技术导论 课件 第四讲-智能科学基本问题（一）

第四章智能的基本问题(一)

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小艾的大学生活

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智能的基本问题智能探源模式识别知识推理学习发现搜索求解……

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知识推理我思故我在。——笛卡尔“心思”、“心理学”、“心不在焉”、“心想事成”等？？？！！！1.脑的结构大脑有三个部分：古脑，也叫做爬行脑；旧脑，也叫做哺乳脑；最后一个是新脑，也就是大脑的新皮层。这三个大脑部分一个覆盖着着一个，在进化的阶梯上逐步形成，并且后来的掌管它前面的9“中央脑系统”学说与侏儒图1928年，加拿大脑神经外科医生威尔德·彭菲尔德多巴胺与内啡肽内啡肽和多巴胺都是人体内的激素，内啡肽与多巴胺的区别，主要见于生成部位不同、化学结构不同、作用不同、调节机制不同、产生的情境不同等。作用内啡肽是一种天然的止痛物质，能够通过与人体内含有内啡肽的受体结合，具有缓解压力、减轻抑郁、促进身体活动、缓解疼痛等作用。多巴胺作用于多巴胺受体，可以激动多巴胺系统，起到调节情绪、运动、情感等方面的作用，参与控制动作协调和思维、学习等认知功能。既要汽车也要汽油！作用内啡肽在经历痛苦后产生，例如身体经历创伤或剧烈运动后多巴胺在需求得到满足时产生，例如找到食物、水源。冷知识：孩子为什么不能经常打骂？产生部位内啡肽是由脑下垂体和丘脑下部所分泌的激素，多巴胺则是大脑中黑质纹状体产生的儿茶酚胺类神经递质。经常被打骂的孩子前额皮层、脑下垂体和丘脑下部会异常发达，而负责记忆的海马体会逐步萎缩。“平均而言，在整个样本中，恐惧面孔比平静面孔更能激活大脑中的许多区域……与从未被打过屁股的儿童相比，被打过屁股的儿童看到恐惧面孔时，前额叶皮层多个区域出现了更大程度的激活。麦克劳夫林和她的同事分析了一项针对3至11岁儿童的大规模研究的数据。他们重点关注了147名10至11岁、曾被打过屁股的儿童。这些儿童单独躺在核磁共振机内，观看电脑屏幕上出现不同演员“恐惧”和“平静”的面孔。扫描仪会捕捉他们看到各种面孔时的大脑活动并进行分析，从而确定被打过屁股和没被打过屁股的儿童会不会出现不同的大脑活动。1.大脑这样产生idea的？面向创新窗口的“默认模式网络（DefaultModeNetwork）”集中执行一件事的“中央执行网络（CentralExecutiveNetwork）”负责切换这两种模式的“突显网络（SalienceNetwork）”在“中央执行网络”中，遇到一个新问题，苦思冥想后没有结果，暂时搁置，但大脑仍然不断尝试调取与这个问题匹配的结果在“默认模式网络”状态下，通过发散式的联想，无意中从一条新的思路靠近那个问题“突显网络”的监控认为这是一条有价值信息，立刻把大脑切换进入“中央执行网络”，用新的思路进行集中思考。2.神经冲动与传递突触可塑性树突树突轴突连续不断的神经冲动引发突触结构改变。神经元之间的信号传递（轴突

树突）…树突轴突树突轴突树突轴突…树突轴突突触可塑性：突触随着动物的经历和经验而发生变化的能力。人的神经网络~1000万亿个神经连接860亿颗神经元大脑可塑性·结构可塑性：突触可塑性+神经元可塑；·功能可塑性：脑功能互补性。·儿童时期切除左半球的病人，仍有语言能力；·没有被切掉的大脑变得更强大。3.

认知科学认识大脑的神经网络结构及其形成复杂认知功能的机制是认识、开发和利用脑的基础。现在科学界已经一致认同，人类的认知与行为都是脑功能的具体体现，是神经系统协调活动的表现。认知与行为依赖于神经系统，特别是人脑。因此，阐释认知过程中的分子、细胞以及神经回路等工作机制，对于认识认知和行为的本质是一个不可忽略和替代的环节。基于脑科学提出的认知科学是研究人认识和适应周围世界的过程以及与认知过程有关的神经系统及大脑的机理，人类感知和思维信息处理过程的科学。认知科学研究的范围包括：知觉、注意、记忆、动作、语言、推理、思考、意识乃至情感动机在内的各个层面的认知活动。认知系统的最根本的认知功能就是对信息的重构。认知科学涉及生物学、心理学、细胞学、脑科学、遗传学、神经科学、语言学、逻辑学、信息科学、人工智能、数学、人类学等多个领域，是多科学交叉研究的学科。

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面包乎？牛粪也？雄兔脚扑朔，雌兔眼迷离，双兔傍地走，安能辨我是雄雌。

——《木兰辞》1.模式被识对象都具有一些属性、状态或者说特征，例如，图形有长度、面积、颜色、边的数目等特征；声音有大小、音调的高度、频率分量的强度等特征，而对象之间的差异也就表现在这些特征的差异上。因此，可以用对象的特征来表征对象，即为对象建模。另一方面，从结构来看，有些被识对象可以看作是由若干基本成分按一定的规则组合而成。例如，一个汉字就是由若干基本笔划组成的，而一个几何图形则可以看作是由若干基本线条组合而成。因此，可以用一些基本元素的某种组合来刻画对象，就是对象建模。模式，就是能够表征或刻画被识对象类属特征的信息模型称为对象的模式(pattern)。2.模式识别概而言之，有了模式，对实体对象的识别就转化为对其模式的识别。在考察我们人类对物体的识别过程中，可以发现，识别其实就是分类，即：辨识或判别被识对象的类属。例如，汉字“文”可以有多种形体、写法和大小，但它们都属于同一个类。而我们识别这个“文”字实际也就是在判定当前看到的对象“文”的类属。又如，同一个人的脸，从不同角度或在不同时间所看到的模样是不一样的，但这些模样属于同一类，即该人的脸像类。而我们在识别人的脸谱时，实际上就是在判定当前看到的样子应该属于哪一个脸像类。也就是在把当前看到的模样归入我们记忆中该人脸像的类中。对于具有某些共同特性的模式的集合称为模式类，判定一个待识模式类属的过程就称为模式识别。3.模式识别的分类依据模式的表示形式，模式识别方法可分为统计模式识别和结构模式识别是两种经典、且基本的模式识别方法，其技术比较成熟。除此而外，在这两种方法的基础上，还发展了神经网络模式识别和模糊模式识别等。特别是近年来还出现了自适应模式识别、仿生模式识别等多种模式识别方法。统计模式识别主要是采用统计决策理论(主要是贝叶斯决策理论)进行分类决策的。结构模式识别处理的是字符串或树结构的模式。以自然语言处理为例，模式类可描述为形式语言的文法，识别器(即：分类器)就是有限状态自动机。这样，有一个模式类就有一种语言的文法规则，而作为待识模式的字符串就相当于一个句子，判定一个待识模式的类别就是自动机通过推理运算判定该句子是否遵循某语言的文法规则。语音形状人脸

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知识推理知识就是力量。——培根知识是人们在长期的生活及社会实践中，在科学研究及实验中积累起来的对客观世界的认识与经验。人们把实践中获得的信息关联在一起，就形成了知识。一般性地说，把有关信息关联在一起所形成的信息结构就可以称为知识。知识具有以下特性。1.相对正确性2.不确定性3.可表示性与可利用性何为推理？

逻辑学指思维的基本形式之一，由一个或几个已知的判断（前提）推出新判断（结论）的过程，有直接推理、间接推理等

何为逻辑？

狭义上逻辑既指思维的规律，也指研究思维规律的学科即逻辑学，广义上逻辑泛指规律。

知识表示和推理逻辑与推理也是人工智能的核心。逻辑本身诞生于古希腊哲学和数学中。柏拉图的著作使用了大量的逻辑法则。亚里士多德被称为“逻辑学之父”，提出了演绎推理中的三段论。一般而言，逻辑是用数学方法来研究关于推理和证明等问题的研究。柏拉图亚里士多德

逻辑表示法

语义网络表示法

框架表示法

本体表示法

面向对象表示法

知识图谱

知识表示的方法

知识推理

演绎推理

归纳推理

知识推理的方法命题逻辑命题逻辑是应用一套形式化规则对以符号表示的描述性陈述进行推理的系统。在命题逻辑中，一个或真或假的描述性陈述被称为原子命题。若干原子命题可通过逻辑运算符来构成复合命题。43命题逻辑命题举例a：北京是中国的首都b：2能整除6c：存在最大的素数d：天下乌鸦一般黑e：x<8命题必须是描述性陈述句。命题要么为真，要么为假。a、d为真，b、c为假。e的真假依赖于x的取值，因此e不是命题。44命题逻辑命题联结词把命题与命题联结起来，构成新的命题，即复合命题。假设存在命题p和q。45命题逻辑

46命题逻辑——蕴含（p→q）命题q包含命题p，即p是q的子集。如果小明是人，那么小明是哺乳动物。p→q为假，当且仅当p为真且q为假时。p为假时，无论q是什么命题都为真。（p为假相当于p是空集，空集包含于所有集合），举例如下如果小明是人，那么小明是两栖动物。假！小明不是人，那么小明是哺乳动物。真！命题逻辑不要求p和q之间有相关性或因果性。47命题逻辑——等价逻辑等价，p当且仅当q，即p→q且q→p。例：持有中国护照→中国人中国人→持有中国护照48基于知识的Agent—Wumpus世界有4*4个房间相连组成的山洞，山洞的某处隐藏着一只Wumpus（怪兽），它会吃掉任何进入它房间的人。Agent(特工、智能体)可以射杀Wumpus，但是Agent只有一枝箭。还有一些房间是无底洞，会永远困住到这个房间的人，Wumpus除外。目标是拿到金子并从原洞口出去。坐标(行号,列号)49Agent：通过传感器感知环境并通过执行器对所处环境产生影响。基于知识的Agent—Wumpus世界传感器在Wumpus所在之处以及与之直接相邻方格，可以感知它的臭气。与无底洞直接相邻的方格，可以感知到微风。在金子所在方格，可以感知到它闪闪发光。Agent撞到墙时，能感知到撞击。Wumpus被杀死时，可以感知到它的悲惨嚎叫。50基于知识的Agent—Wumpus世界定义了命题逻辑的语义后，我们可以为Wumpus世界构建一个知识库。Px,y：[x,y]中有无底洞Wx,y：[x,y]中有怪兽（无论死活）Bx,y：[x,y]中有微风Sx,y：[x,y]中有臭气51

基于知识的Agent—Wumpus世界Agent路线：1.位于[1,

1]，感知到无微风，无臭气。2.由感知可知[1,

2]和[2,

1]都没有无底洞，也没有怪兽3.假设先走到[2,1]，感知到微风，说明[2,2]和[3,1]至少有一个无底洞。524.保险起见，Agent回到[1,1]，并走到[1,2]，感知到臭气。5.由4知，[1,2]感知不到微风，说明[2,2]没有无底洞；由3知，[2,2]没有怪兽，因此[2,2]是安全的。推导和证明——利用等价关系逻辑等价公式5354推导和证明

55急性胆囊炎→那么就有腹痛现象，小宁得了急性胆囊炎小宁腹痛

公民的合法的民事权益营法律保护

推导和证明

56这些蛋糕给你或小明吃，小明有事不来了这些蛋糕是你的她不得不放下手中的工作她必须放下手中的工作家长会爸爸或妈妈来，同时满足条件：不让爸爸来或让奶奶来妈妈或奶奶来57推导和证明——举例推导和证明—Wumpus世界Agent路线：1.位于