人工智能课件(全)全书教学教程完整版电子教案最全幻灯片.pptx
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1、人工智能第1章绪论主要内容人工智能的历史及概念人工智能关键技术人工智能产业现状及趋势安全、伦理、隐私问题人工智能专业课程体系人工智能的历史人工智能60余年的发展历程还是颇具周折的,大致可以划分为以下6个阶段:人工智能的概念人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能,但能像人那样思考,甚至也可能超过人的智能。人工智能企图了解智能的实质,并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。自从诞生以来,人工智能的理论和技术日益成熟,应用领域也不断扩大,可以预期,人工智能所带来的科技产品将会是人类智慧的“容器”,因此,人工智能是一门极富挑战性的学科。人工智能关键技术机器学
2、习知识图谱自然语言处理人机交互计算机视觉生物特征识别虚拟现实/增强现实人工智能产业现状及趋势智能基础设施智能信息及数据智能技术服务人工智能行业应用人工智能产业现状及趋势人工智能产业发展趋势(1)智能服务呈现线下和线上的无缝结合(2)智能化应用场景从单一向多元发展(3)人工智能和实体经济深度融合进程将进一步加快安全、伦理、隐私问题人工智能的安全问题人工智能的伦理问题人工智能的隐私问题人工智能专业课程体系第2章知识表示方法及搜索方法主要内容知识表示搜索方法知识表示状状态空空间法法1、状、状态(State)的基本概念)的基本概念状状态(state)是为描述某类不同事物间的差别而引入的一组最少变量q0
3、,q1,qn的有序集合,其矢量形式如下:Q=q0,q1,qnT(2.1)式中每个元素qi(i=0,1,n)为集合的分量,称为状态变量。给定每个分量的一组值就得到一个具体的状态,如Qk=qk,q1k,,qnkT(2.2)算符算符:使问题从一种状态变化为另一种状态的手段称为操作符或算符。操作符可为走步、过程、规则、数学算子、运算符号或逻辑符号等。问题的状的状态空空间(state space)是一个表示该问题全部可能状态及其关系的图,它包含三种说明的集合,即所有可能的问题初始状态集合S、操作符集合F以及目标状态集合G。因此,可把状态空间记为三元状态(S,F,G)。知识表示状状态空空间的表示法的表示法
4、举例例问题:猴子与香蕉的问题:在一个房间内有一只猴子、一个箱子和一束香蕉,初始的方位示意如图2-1所示。香蕉挂在天花板下方,但猴子的高度不足以碰到它。那么这只猴子怎样才能如图2-2所示摘到香蕉呢?状状态空空间法法知识表示状状态空空间表示表示用四元组(W,x,y,z)其中:W猴子的水平位置;x当猴子在箱子顶上时取x=1;否则取x=0;Y箱子的水平位置;z当猴子摘到香蕉时取z=1;否则取z=0。算符:算符:(1)goto(U)猴子走到水平位置U;(2)pushbox(V)猴子把箱子推到水平位置V;(3)climbbox猴子爬上箱顶;(4)grasp猴子摘到香蕉。状状态空空间法法知识表示求解求解过程
5、程 令初始状态为(a,0,b,0)。这时,goto(U)是唯一适用的操作,并导致下一状态(U,0,b,0)。现在有3个适用的操作,即goto(U),pushbox(V)和climbbox(若U=b)。把所有适用的操作继续应用于每个状态,我们就能够得到状态空间图,如图2-3所示。从图中不难看出,把该初始状态变换为目标状态的操作序列为:goto(b),pushbox(c),climbbox,grasp状状态空空间法法知识表示状态空间图状状态空空间法法知识表示问题归约法法1、问题归约法的概念法的概念已知问题的描述,通过一系列变换把此问题最终变为一个子问题集合;这些子问题的解可以直接得到,从而解决了初
6、始问题。该方法也就是从目标(要解决的问题)出发逆向推理,建立子问题以及子问题的子问题,直至最后把初始问题归约为一个平凡的本原问题集合。这就是问题归约的实质。2、问题归约法的法的组成部分成部分(1)一个初始问题描述;(2)一套把问题变换为子问题的操作符;(3)一套本原问题描述。知识表示示例:梵塔示例:梵塔难题问题 有3个柱子(1,2,3)和3个不同尺寸的圆盘(A,B,C)。在每个圆盘的中心有个孔,所以圆盘可以堆叠在柱子上。最初,全部3个圆盘都堆在柱子1上:最大的圆盘C在底部,最小的圆盘A在顶部,如图2-4所示。要求:把所有圆盘都移到柱子3上,每次只许移动一个,而且只能先搬动柱子顶部的圆盘,还不许
7、把尺寸较大的圆盘堆放在尺寸较小的圆盘上,具体的移动过程如图2-5所示。问题归约法法知识表示归约描述描述问题归约方法是应用算符来把问题描述变换为子问题描述。归约过程如下:程如下:(1)移动圆盘A和B至柱子2的双圆盘难题;(2)移动圆盘C至柱子3的单圆盘难题;(3)移动圆盘A和B至柱子3的双圆盘难题。问题归约法法三阶梵塔问题的归约图知识表示问题归约法法知识表示与或与或图表示法表示法与或与或图的概念的概念用一个类似图的结构来表示把问题归约为后继问题的替换集合,画出归约问题图。例如,设想问题A需要由求解问题B、C和D来决定,那么可以用一个与图来表示;同样,一个问题A或者由求解问题B、或者由求解问题C来
8、决定,则可以用一个或图来表示。2、与或、与或图的有关的有关术语父父节点点 是一个初始问题或是可分解为子问题的问题节点;子子节点点 是一个初始问题或是子问题分解的子问题节点;或或节点点 只要解决某个问题就可解决其父辈问题的节点集合;与与节点点 只有解决所有子问题,才能解决其父辈问题的节点集合;弧弧线 是父辈节点指向子节点的圆弧连线;终叶叶节点点 是对应于原问题的本原节点。知识表示与或树示意图与或与或图表示法表示法知识表示可解可解节点点 与或图中一个可解节点的一般定义可以归纳如下:(1)终叶节点是可解节点(因为它们与本原问题相关连)。(2)如果某个非终叶节点含有或后继节点,那么只有当其后继节点至少
9、有一个是可解的时,此非终叶节点才是可解的。(3)如果某个非终叶节点含有与后继节点,那么只要当其后继节点全部为可解时,此非终叶节点才是可解的。不可解不可解节点点 不可解节点的一般定义归纳于下:(1)没有后裔的非终叶节点为不可解节点。(2)如果某个非终叶节点含有或后继节点,那么只有当其全部后裔为不可解时,此非终叶节点才是不可解的。(3)如果某个非终叶节点含有与后继节点,那么只要当其后裔至少有一个为不可解时,此非终叶节点才是不可解的。与或与或图表示法表示法知识表示谓词逻辑法1、语法和法和语义谓词逻辑的基本组成部分是谓词符号、变量符号、函数符号和常量符号,并用圆括弧、方括弧、花括弧和逗号隔开,以表示论
10、域内的关系。原子公式是由若干谓词符号和项组成,只有当其对应的语句在定义域内为真时,才具有值T(真);而当其对应的语句在定义域内为假时,该原子公式才具有值F(假)。2、连词和量和量词连词有(与)、(或),全称量词(x),存在量词(x)。原子公式是谓词演算的基本积木块,运用连词能够组合多个原子公式以构成比较复杂的合适公式。谓词逻辑法法知识表示谓词逻辑法举例-以猴子和香蕉问题为例描述状态的谓词:AT(x,y):x在y处ONBOX:猴子在箱子上HB:猴子得到香蕉个体域:x:monkey,box,bananay:a,b,c问题的初始状态AT(monkey,a)AT(box,b)ONBOXHB问题的目标状
11、态AT(monkey,c)AT(box,c)ONBOXHB谓词逻辑法法知识表示描述操作的描述操作的谓词Goto(u,v):猴子从u处走到v处条件:ONBOX,AT(monkey,u)动作:删除表:AT(monkey,u);添加表:AT(monkey,v)Pushbox(v,w):猴子推着箱子从v处移到w处条件:ONBOX,AT(monkey,v),AT(box,v)动作:删除表:AT(monkey,v),AT(box,v)添加表:AT(monkey,w),AT(box,w)谓词逻辑法法知识表示Climbbox:猴子爬上箱子条件:ONBOX,AT(monkey,w),AT(box,w)动作:删除
12、表:ONBOX;添加表:ONBOXGrasp:猴子摘取香蕉条件:ONBOX,AT(box,c)动作:删除表:HB;添加表:HB谓词逻辑法法知识表示猴子摘香蕉的谓词逻辑法谓词逻辑法法知识表示语义网网络法法语义网络是奎廉(J.R.Quillian)1968年在研究人类联想记忆时提出的一种心理学模型,认为记忆是由概念间的联系实现的。随后,奎廉又把它用作知识表示。1972年,西蒙在他的自然语言理解系统中也采用了语义网络表示法。语义网络是一种表达能力强而且灵活的知识表示方法,目前已经广泛应用于人工智能领域,尤其是在自然语言处理方面。知识的语义网络表示法是通过节点和弧线来构成语义网络。语义网网络法法知识表
13、示语义网络的基本概念语义网络是知识的一种结构化图解表示,它由节点和弧线或链线组成。节点用于表示实体、概念和情况等,弧线用于表示节点间的关系。语义网络表示由下列4个相关部分组成:(1)词法部分决定表示词汇表中允许有哪些符号,它涉及各个节点和弧线。(2)结构部分叙述符号排列的约束条件,指定各弧线连接的节点对。(3)过程部分说明访问过程,这些过程能用来建立和修正描述,以及回答相关问题。(4)语义部分确定与描述相关的(联想)意义的方法即确定有关节点的排列及其占有物和对应弧线。语义网网络法法知识表示语义网络具有下列特点:(1)能把实体的结构、属性与实体间的因果关系显式地和简明地表达出来,与实体相关的事实
14、、特征和关系可以通过相应的节点弧线推导出来。(2)由于与概念相关的属性和联系被组织在一个相应的节点中,因而使概念易于受访和学习。(3)表现问题更加直观,更易于理解,适于知识工程师与领域专家沟通。(4)语义网络结构的语义解释依赖于该结构的推理过程而没有结构的约定,因而得到的推理不能保证像谓词逻辑法那样有效。(5)节点间的联系可能是线状、树状或网状的,甚至是递归状的结构,使相应的知识存储和检索可能需要比较复杂的过程。语义网网络法法知识表示二元二元语义网网络的表示的表示用两个节点和一条弧线可以表示一个简单的事实,对于表示占有关系的语义网络,是通过允许节点既可以表示一个物体或一组物体,也可以表示情况和
15、动作。每一情况节点可以有一组向外的弧(事例弧),称为事例框,用以说明与该事例有关的各种变量。例如:若有语义基元(A,R,B),其中,A、B分别表示两个结点,R表示A与B之间的某种语义联系,则它所对应的基本语义如图2-9所示:语义网网络法法知识表示语义网络法举例例如:用语义网络表示:1)动物能运动、会吃;2)鸟是一种动物,鸟有翅膀、会飞;3)鱼是一种动物,生活在水中、会游泳。这个问题的语义网络图如图所示。语义网网络法法知识表示框架表示法框架表示法框架表示法是在框架理论的基础上发展起来的一种结构化知识表示方法。框架理论是明斯基于1975年作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂行为的一种基础提出来的。
16、框架理论认为,人们对现实世界中各种事物的认识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的。当遇到一个新事物时,就从记忆中找出一个合适的框架,并根据新的情况对其细节加以修改、补充,从而形成对这个新事物的认识。知识表示框架的构成框架的构成框架通常由描述事物的各个方面的槽组成,每个槽可以拥有若干个侧面,而每个侧面又可以拥有若干个值。一个框架的一般结构如下:框架名槽1侧面11值111侧面12值121槽2侧面21值211槽n侧面n1值n11侧面nm值nm1框架表示法框架表示法知识表示较简单的情景是用框架来表示诸如人和房子等事物。例如例如,一个人可以用其职业、身高和体重等项描述,因而可以用这些项目组成框架的槽
17、。当描述一个具体的人时,再用这些项目的具体值填入到相应的槽中。表2-1给出的是描述John的框架。JOHNIsa:PERSONProfession:PROGRAMMERHeight:1.8mWeight:79kg框架表示法框架表示法知识表示剧本表示法本表示法剧本是框架的一种特殊形式,它用一组槽来描述某些事件的发生序列,就像剧本中的事件序列一样,故称为“剧本”或脚本。剧本的构成本的构成一个剧本一般由以下各部分组成:(1)开场条件给出在剧本中描述的事件发生的前提条件。(2)角色用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关人物的一些槽。(3)道具这是用来表示在剧本所描述的事件中可能出现的有关物体的一些
18、槽。(4)场景描述事件发生的真实顺序,可以由多个场景组成,每个场景又可以是其它的剧本。(5)结果给出在剧本所描述的事件发生以后通常所产生的结果。知识表示例子:例子:以餐厅剧本为例说明剧本各个部分的组成。开开场条件条件(a)顾客饿了,需要进餐。(b)顾客有足够的钱。角色顾客,服务员,厨师,老板。道具食品,桌子,菜单,钱。剧本表示法本表示法知识表示场景:景:5个个场景景场景1:进入餐厅(a)顾客走入餐厅。(b)寻找桌子。(c)在桌子旁坐下场景2:点菜(a)服务员给顾客菜单。(b)顾客点菜。(c)顾客把菜单还给服务员。(d)顾客等待服务员送菜。l场景3:等待(a)服务员把顾客所点的菜告诉厨师。(b)
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