人工基础智能 10

课堂设计一、基本信息课次第3讲课次学时数2学时主题知识表示与推理二、设计方案课堂目标(一)知识目标能讲清知识的概念、知识的特性；能区分命题和谓词，区分正向推理、逆向推理和混合推理，区分确定性推理和不确定性推理，区分随机性和模糊性、信度和概率；能简述谓词推理、逆向推理、贝叶斯推理的过程。(二)能力目标能用谓词公式描述确定性知识；能用概率工具描述不确定性知识；能利用贝叶斯推理解决简单不确定性推理问题。(三)素质目标能通过理解谓词表示和推理，提升科学严谨的逻辑思维，增强树立为战学习的意识和严谨认真的态度。教学重难点（一）教学重点谓词公式的构建，自然演绎推理方法，贝叶斯推理方法。（二）教学难点谓词推理规则，贝叶斯定理。教学设计思路（一）教学内容组织1.知识的概念2.一阶谓词表示3.自然演绎推理4.贝叶斯推理（二）教学方法策略1.教学思路与方法采用任务式驱动教学方法，通过军事场景中的知识表示与推理问题串联本课的知识点。通过问题启发教授学员理解知识、表示知识和利用确定性推理方法来推理的能力，以此逐步引出课堂教学内容。在每个环节的教学结束后，通过回归此问题来实践学习到的知识。关注学员利用概率描述不确定性信息，并利用贝叶斯推理来解决问题。课程思政设计（1）人生观价值观的塑造。校正错误认知，引导学员正确认识“三点一线”军校生活的“枯燥与乏味”。（2）科学思维的培养。通过谓词公式的构造与练习，培养学员严谨细致的科学思维和工作作风。3.军事特色引用军校生活中的常见事例，引导学员了解课程对未来军旅工作的支撑作用。教学资源1.头歌（EduCoder）平台在线资源2.《人工智能技术及其军事应用》在线课程——教案主页内容组织与过程设计备注课堂导入知识与智能之间有着密切的关系。人类的智能活动主要是获得并运用知识。因此，知识是智能的基础。为了使计算机具有智能，能模拟人类的智能行为，就必须首先使它具有知识。因此，知识的表示和推理就成为人工智能中一个十分重要的研究课题。理论讲授一、知识的概念教学目标1：能讲清知识的概念、知识的特性。（一）知识的概念为了给知识一个更正式的定义，我们分别引用了图灵奖获得者、知识工程之父费根鲍姆的定义：“知识是经过消减、塑造、解释和转换的信息。”以及著名教育学家伯恩斯坦的定义：“知识是由特定领域的描述、关系和过程组成的。从知识库的观点来看,知识是某领域中所涉及的各有关方面的一种符号表示。”一般认为,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和经验。人们把在实践中获得的信息有机地组合在一起,就形成了知识。一般来说,把有关信息、关联在一起所形成的信息结构称为知识。通过一个军事的例子来帮助学生区分不同的知识类别。“坦克是一种装甲车辆”这句话中包含了两个事实知识，一是“坦克上有装甲”，二是“坦克是车辆的一种”。此外，“如果遇到敌方坦克，则用反坦克武器攻击。”这是一个常见的规则知识。（二）知识的特性知识的相对正确性通过对比冷兵器时代、热兵器时代初期和热兵器时代后期军队战法的演变，引导学生逐步了解知识相对正确性的概念。知识的不确定性通过对比不同条件下“水中运动的就是护卫舰”这句话的正确性，引导学生了解知识的不确定性。知识的可表示性知识本身是复杂的。随着时间、空间的变化，人类的知识具有相对正确性、不确定性等特点，同时人类的知识一般是用语言、文字、图形等非数字化的方式进行表示的，而计算机只能存储数字化的知识。二、知识的表示教学目标2：能区分命题和谓词；能区分一元谓词、多元谓词；能区分一阶谓词、二阶谓词；能讲清谓词公式“非、合取、析取、蕴含、等价”；本阶段以“计算机能否作出正确的决策，决定是否让小王去执行完全无光条件下的夜间侦察任务呢？”为线索，逐步引出命题、谓词的相关概念。命题的定义命题是非真即假的陈述句，命题不能同时既是真的又是假的。真的命题：微光夜视仪不能在完全无光的夜晚工作；假的命题：微光夜视仪能在完全无光的夜晚工作；不是命题：微光夜视仪既能在完全无光的夜晚工作，又不能在完全无光的夜晚工作。谓词的表述形式谓词的一般形式为P(x1,例如谓词BuNengZhenCha(WG,WuGuang)代表“微光夜视仪不能在完全无光的条件下执行侦察任务”，BuNengZhenCha是谓词名，WG，WuGuang是个体，它是个二元谓词。我们虽然能看出PS15是微光夜视仪的一种，但在这个谓词中并未体现这种关系，我们还需要将个体WG修改为一个谓词WG(X)，用X表示NVG7、PVS7、PS15微光夜视仪等不确定的个体，这样BuNengZhenCha(WG,WuGuang)就变得简洁了，转换后的谓词为BuNengZhenCha(WG(X),WuGuang)，其中X={NVG7,PVS7,PS15}。尽管计算机已经知道了“PS15微光夜视仪不能在完全无光的条件下工作”，但它不知道小王能不能在完全无光的条件下工作，还需要把小王和PS15的关系表示出来。给出一个假设前提，小王拥有了PS15，PS15的能力就是他的能力。我们可以用ZB(小王)表示小王的装备是PS15这种关系，原来的谓词进一步变化为BuNengZhenCha(WG(ZB(小王)),WuGuang)，虽然ZB(小王)这种表示方法和谓词的表示方法一样，但它不是谓词，它没有表示真或假的结论，这种个体表示叫函数。到此为止，计算机所需要的全部知识，我们都在一个谓词公式里表示出来了。这些公式包括“小王的装备是PS15”，“PS15是微光夜视仪”，“微光夜视仪不能在完全无光的条件下工作”。这个谓词的值为1，就是真。计算机中存储了“小王不能执行完全无光条件下的夜间执行任务”这条知识，计算机就可以做出判断，不能让小王去执行这个任务。此时，我们思考一个问题，这个谓词是一阶谓词吗？我们来看以下一阶谓词的定义。如果谓词P(x1,x2,...,x谓词公式组成谓词公式的运算符号有五个，运算优先级从高到低分别是¬非、∧合取、∨析取、→蕴含和↔等价。不同的人，对同一个知识，可能会建立不同的谓词表示。BuNengZhenCha(WG,WuGuang)，这个谓词，我们也可以写成┐ZhenCha(WG,WuGuang)，这就是非运算符的作用。“合取”运算符表示并且或与的意思，例如表示NVG7和PS15微光夜视仪都无法用于完全无光条件下的侦察任务，可以通过合取运算符这样表示。用“析取”运算符表示或的意思，对于“PS15微光夜视仪要么无法用于完全无光条件下的侦察任务，要么可以用于完全无光条件下的侦察任务”可以这样表示，我们知道它的值永远是真，也就是1。“小王的设备是PS15，他无法执行任务”这个命题就可以用蕴含符号→将原来这个谓词修改的更简洁，更容易理解。蕴含反过来说就不一定是正确的，把刚才的反过来，像这样，它表达的意思是如果小王无法执行任务，那么小王的设备是PS15。这显然是不对的。如果蕴含反过来也是对的，可以用等价运算符表示，等价运算符是当且仅当的意思。我们假定无光条件下侦察只能用红外侦察仪，那么小王、无光环境下侦察任务、设备之间就可以构建等价谓词表示。我们发现WG(ZB(小王))→┐ZhenCha(小王,WuGuang)这个命题不但对战士“小王”适用，也可以推广到所有的战士。对所有的战士，如果他的设备是微光夜视仪，那他不能执行完全无光条件下的侦察任务。用变元X表示战士，用∀x[WG(ZB(x))→┐ZhenCha(x,WuGuang)]，其中∀x[WG(ZB(x))→┐ZhenCha(x,WuGuang)]是全称量词，表示所有或任意的意思。对于不是所有或任意的情况，可以使用存在量词∃x。例如“有的战士可以执行完全无光条件下的任务”可以用存在量词表示。推理的概念教学目标3：能区分正向推理、逆向推理和混合推理；能区分确定性推理和不确定性推理；推理的例子通过福尔摩斯推理的例子引起学生的兴趣，并用亚里士多德的三段论引出推理的概念。推理的定义推理是指从已知事实出发，运用已经掌握的知识，找出其中蕴含的事实，或归纳出新的事实的过程。推理的分类根据不同的依据，推理存在多种分类方法：按推理的形式，从一般到个别，还是从个别到一般，推理可分为演绎推理、归纳推理。从足够多的事例中归纳出一般性结论的推理，就是归纳推理；而演绎推理正好相反，它是从一般性知识推出适合某一具体情况的结论，是一种从一般到个别的推理。例如，反坦克武器能击毁坦克，120火箭筒是反坦克武器，这是一般性知识，从这个知识中，可以推出120火箭筒能击毁坦克。（2）按所用知识的确定性，推理可分为确定性推理和不确定性推理。确定性推理是指推理时所用的知识与证据都是确定的，推出的结论也是确定的。比如一个事件是否为真，其推理的结果只能是真或者假，绝对不可能出现第三种可能性。例如刚才推断苏格拉底会死的例子，就是确定性推理。（3）按推理方向，推理可分为正向推理、逆向推理和混合推理。正向推理是以已知事实为出发点，不断推出新的事实，直至找到问题的答案。福尔摩斯对华生的身份判断就是采用了正向推理的方法，根据华生的外貌特征的证据，推断出他是来自阿富汗战场的一名军医。逆向推理正好相反，它从是以某个假设目标为出发点，去寻找支持该假设的证据，如果没找到证据或者出现了冲突，就说明假设不成立。混合推理是两种推理的综合使用。计算机可以通过推理系统实现上述推理过程。确定性推理教学目标4：能讲清逆向推理的过程；能讲清简单的谓词推理过程；我们在确定性推理框架中，以“秦国分析偷袭国家”的例子来了解逆向推理的实际运用。案例描述秦国遭到了其它国家的偷袭，想要找出偷袭方。现收集到了以下信息：斥候A说：“赵国与齐国中至少有一方作案"；斥候B说：“齐国与宋国中至少有一方作案”；斥候C说：“宋国与楚国中至少有一方作案”；斥候D说：“赵国与宋国中至少有一方与此案无关”；斥候E说：“齐国与楚国中至少有一方与此案无关”。假设这5名斥候话都是可信的，试问谁是偷袭方？逆向推理逆向推理的具体推理过程：我们可以先假设“赵国”是偷袭方，斥候A和斥候D的情报直接与赵国有关，我们看看赵国是偷袭方的假设与它们是否有冲突，是否可以获得新的事实。显然它与斥候A的情报无冲突，但是齐国的嫌疑也无法消除，没有获得新的事实。但是斥候D的情报中，赵国和宋国至少一方与本案无关，那么宋国就不是偷袭方，我们获得了新的事实，宋国不是偷袭方，再根据这个证据，继续推理。与宋国有关的未使用的情报有斥候B和斥候C的情报，根据斥候B的情报“齐国与宋国中至少有一方作案”的情报，可以知道齐国一定是偷袭方。这是新的事实。斥候C说“宋国与楚国中至少有一方作案”，则可以知道楚国是偷袭方。这也是新的事实。而斥候E说：“齐国与楚国中至少有一方与此案无关”这条证据直接推翻了齐国和楚国是偷袭方的结论，因此最开始的假设赵国是偷袭方不成立，那么赵国就不是偷袭方。谓词推理如果在计算机上实现这个推理过程，该如何做呢？计算机进行推理需要用到知识的表示和逻辑演算，在这个例子中，我们使用谓词进行知识表示，通过谓词运算完成推理。首先通过谓词公式对5名斥候的信息进行谓词表示。针对5名斥候的命题公式，假设如果“赵国”是偷袭方，则将赵国是偷袭国表示为P(ZhaoGuo)，与斥候D的命题公式消解，可以推出宋国不是偷袭国（~P(SongGuo)），再与斥候B的命题公式消解，可以推出齐国是偷袭国（P(QiGuo)），进一步与侦察员E的命题公式消解，可以推出楚国不是偷袭国（~P(ChuGuo)），再与侦察员C的命题公式消解，得到宋国是偷袭国（P(SongGuo)），这与前面推出的宋国不是偷袭国产生了冲突，故假设不成立，推出赵国不是偷袭国。再假设如果“齐国”是偷袭方，则将齐国是偷袭国表示为P(QiGuo)，与斥候E的命题公式消解，可以推出楚国不是偷袭国（~P(ChuGuo)），再与斥候C的命题公式消解，可以推出宋国是偷袭国（P(SongGuo)），进一步与侦察员D的命题公式消解，可以推出赵国不是偷袭国（~P(ZhaoGuo)），再与侦察员A的命题公式消解，得到齐国是偷袭国（P(QiGuo)），这与前面假设的齐国是偷袭国无冲突，故假设成立，推出齐国不是偷袭国。五、不确定性推理教学目标5：能区分随机性和模糊性、信度和概率；能讲清贝叶斯推理的过程；物理上的不确定性海森堡的测不准原理：海森堡认为在微观世界里，当对电子这类极小质量的微观粒子测量时，光子对微观粒子的干扰就无法忽略，使得被测量的粒子的速度（动量）就被扰动得难以准确测量。薛定谔的猫：薛定谔猫这个思想实验从宏观尺度上阐述了微观世界的量子叠加原理。也就是将微观不确定转化为了宏观不确定。知识推理与不确定性为什么需要考虑不确定性？1、所需知识不完备、不精确：不完备是指在解决某一问题时，不具备解决该问题的全部知识。不精确是指既不能完全确定知识为真，又不能完全确定知识为假。2、所需知识描述模糊：知识边界不清晰，如“好”、“很好”、“比较好”。3、多种原因导致同一结论：例如导致人发烧的原因有许多种。4、解决方案不唯一：现实生活中的问题一般都存在着多种不同的解决方案，而这些方案直接又很难绝对地判断其优劣。不确定性概念“不确定性”一词最早出现于1836年詹姆斯•穆勒的《政治经济学是否有用》一文。不确定性和确定性的辩证关系：不确定性和确定性并非完全对立,在一定程度上可以相互转化。如某一层次的不确定性可能是更高层次上的确定性,种种不确定性中还可能隐藏着某些确定的规律等。不确定性主要包括：狭义不确定性（随机性）、不确切性（模糊性）、不完全性、不一致性、时变性。不确定性知识的表示对于不确定性知识,

其表示的关键是如何描述不确定性。通常是把不确定性用量化方法加以描述。信度指一个命题的信度是指该命题为真的可信程度。如：(这场球赛甲队取胜,

0.9)中0.9就是命题“这场球赛甲队取胜”的信度。表示“这场球赛甲队取胜”这个命题为真(即该命题所描述的事件发生)的可能性程度是0.9。概率指特定事件发生的可能性大小。如：若乌云密布且电闪雷鸣,则天要下暴雨(0.95)表示天要下暴雨的概率为0.95。贝叶斯推理案例描述先验概率：在未观测到数据前，基于已有知识或经验对事件发生概率的初始信念。类条件概率：在已知类别或条件下，观测到特定数据的概率密度（连续变量）或概率（离散变量）。后验概率：结合先验知