1、2人工智能及其应用复习资料人工智能及其应用(2)第一章 绪 论1-1. 什么是人工智能？试从学科和能力两方面加以说明。 从学科角度来看：人工智能是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的近期主要目标在于研 究用机器来模仿和执行人脑的某些智能功能，并开发相关理论和技术。 从能力角度来看：人工智能是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、 理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动 1-2. 在人工智能的发展过程中，有哪些思想和思潮起了重要作用？ 控制论之父维纳 1940 年主张计算机五原则。他开始考虑计算机如何能像大脑一样工作。系统地创建了
2、控制论，根 据这一理论，一个机械系统完全能进行运算和记忆。帕梅拉麦考达克(Pamela McCorduck)在她的著名的人工智能历史研究机器思维(Machine Who Think,1979)中曾 经指出：在复杂的机械装置与智能之间存在着长期的联系。 著名的英国科学家图灵被称为人工智能之父,图灵不仅创造了一个简单的通用的非数字计算模型，而且直接证明了计 算机可能以某种被理解为智能的方法工作。提出了著名的图灵测试。 数理逻辑从 19 世纪末起就获迅速发展；到 20 世纪 30 年代开始用于描述智能行为。计算机出现后，又在计算机上 实现了逻辑演绎系统。 1943 年由生理学家麦卡洛克(McCull
3、och)和数理逻辑学家皮茨(Pitts)创立的脑模型，即 MP 模型。60-70 年代，联结 主义，尤其是对以感知机(perceptron)为代表的脑模型的研究曾出现过热潮， 控制论思想早在40-50 年代就成为时代思潮的重要部分，影响了早期的人工智能工作者。到60-70 年代，控制论系 统的研究取得一定进展，播下智能控制和智能机器人的种子。 1-3. 为什么能够用机器（计算机）模仿人的智能？ 物理符号系统的假设：任何一个系统，如果它能够表现出智能，那么它就必定能执行输入符号、输出符号、存储符 号、复制符号、建立符号结构、条件性迁移6 种功能。反之，任何系统如果具有这6 种功能，那么它就能够表
4、现出 智能(人类所具有的智能)。 物理符号系统的假设伴随有3 个推论。 推论一: 既然人具有智能，那么他(她)就一定是个物理符号系统。 推论二: 既然计算机是一个物理符号系统，它就一定能够表现出智能。 推论三: 既然人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符号系统，那么我们就能够用计算机来模拟人的活动。 1-4. 现在人工智能有哪些学派？它们的认知观是什么？ 符号主义(Symbolicism)，又称为逻辑主义(Logicism)、心理学派(Psychlogism)或计算机学派(Computerism) 其原理 主要为物理符号系统(即符号操作系统)假设和有限合理性原理。 认为人的认知基元是符号，
5、而且认知过程即符号操作过程。认为人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符号 系统，因此，我们就能够用计算机来模拟人的智能行为。知识是信息的一种形式，是构成智能的基础。人工智能的 核心问题是知识表示、知识推理和知识运用。 联结主义(Connectionism)，又称为仿生学派(Bionicsism)或生理学派(Physiologism) 其原理主要为神经网络及神经网络间的连接机制与学习算法 认为人的思维基元是神经元，而不是符号处理过程。认为人脑不同于电脑，并提出联结主义的大脑工作模式，用于 取代符号操作的电脑工作模式。 行为主义(Actionism)，又称进化主义(Evolutionism)或
6、控制论学派(Cyberneticsism) 其原理为控制论及感知-动作型控 制系统 认为智能取决于感知和行动。认为智能不需要知识、不需要表示、不需要推理；人工智能可以象人类智能一样逐步进化。智能行为只能在现实世界中与周围环境交互作用而表现出来。符号主义、联结主义对真实世界客观事物的描 述及其智能行为工作模式是过于简化的抽象，因而是不能真实地反映客观存在的。 1-5. 你认为应从哪些层次对认知行为进行研究？ 心理活动的最高层级是思维策略，中间一层是初级信息处理，最低层级是生理过程，与此相应的是计算机程序、语 言和硬件。 研究认知过程的主要任务是探求高层次思维决策与初级信息处理的关系，并用计算机程
7、序来模拟人 的思维策略水平，而用计算机语言模拟人的初级信息处理过程。 1-6. 人工智能的主要研究和应用领域是什么？其中，哪些是新的研究热点？ 问题求解 (下棋程序)，逻辑推理与定理证明 (四色定理证明)，自然语言理解，自动程序设计，专家系统，机器学习， 神经网络，机器人学 (星际探索机器人)，模式识别 (手写识别，汽车牌照识别，指纹识别)，机器视觉 (机器装配， 卫星图像处理)，智能控制，智能检索，智能调度与指挥 (汽车运输高度，列车编组指挥)，系统与语言工具。 新的研究热点： 分布式人工智能与Agent，计算智能与进化计算，数据挖掘与知识发现 (超市市场商品数据分析)，人工生命。第二章 知
8、识表示方法2-2 设有 3 个传教士和 3 个野人来到河边，打算乘一只船从右岸渡到左岸去。该船的负载能力为两人。在任何时候，如果野人人数超过传教士人数，那么野人就会把传教士吃掉。他们怎样才能用这条船安全地把所有人都渡过河去? 用S i (nC, nY) 表示第i 次渡河后，河对岸的状态，nC 表示传教士的数目，nY 表示野人的数目，由于总人数的确定 的，河对岸的状态确定了，河这边的状态也即确定了。考虑到题目的限制条件，要同时保证，河两岸的传教士数目 不少于野人数目，故在整个渡河的过程中，允许出现的状态为以下3 种情况： 1. nC=0 2. nC=3 3. nC=nY=0 (当nC 不等于0
9、或3) 用d i (dC, dY)表示渡河过程中，对岸状态的变化，dC 表示，第i 次渡河后，对岸传教士数目的变化，dY 表示，第i 次渡河后，对岸野人数目的变化。当i 为偶数时，dC,dY 同时为非负数，表示船驶向对岸，i 为奇数时，dC, dY 同时 为非正数，表示船驶回岸边。 初始状态为S 0 (0, 0)，目标状态为S 0 (3, 3)，用深度优先搜索的方法可寻找渡河方案。 在此，用图求法该问题，令横坐标为 nY, 纵坐标为 nC，可行状态为空心点表示，每次可以在格子上，沿对角线移 动一格，也可以沿坐标轴方向移动1 格，或沿坐标轴方向移动2 格。第奇数次数状态转移，沿右方，上方，或右上
10、 方移动，第偶数次数状态转移，沿左方，下方，或左下方移动。 从(0,0)开始，依次沿箭头方向改变状态，经过11 步之后，即可以到达目标状态(3,3)，相应的渡河方案为： d1(1,1)-d2(-1,0)-d3(0,2)-d4(0,-1)-d5(2,0)-d6(-1,-1)-d7(2,0)-d8(0,-1)-d9(0,2)-d10(-1,0)-d11 (1,1) 2-4 试说明怎样把一棵与或解树用来表达图2.28 所示的电网络阻抗的计算。单独的R、L 或C 可分别用R、jL 或1/jC 来计算，这个事实用作本原问题。后继算符应以复合并联和串联阻抗的规则为基础。约定，用原来的与后继算法用来表达并联
11、关系，用原来的或后继算法用来表达串联关系 2-5 试用四元数列结构表示四圆盘梵塔问题，并画出求解该问题的与或图。 用四元数列 (nA, nB, nC, nD) 来表示状态，其中nA 表示A 盘落在第nA 号柱子上，nB 表示B 盘落在第nB 号柱子 上，nC 表示C 盘落在第nC 号柱子上，nD 表示D 盘落在第nD 号柱子上。 初始状态为 1111，目标状态为 3333 如图所示，按从上往下的顺序，依次处理每一个叶结点，搬动圆盘，问题得解。 2-6 把下列句子变换成子句形式： (1) ( x)P(x)P(x)(2) x y(On(x,y)Above(x,y) (3) x y z(Above(
12、x,y)Above(y,z)Above(x,z)(4) ( x)P(x)（ y）p(y)p(f(x,y)( y)Q(x,y)P(y) (1) (ANY x) P(x)P(x) (ANY x) P(x) OR P(x) P(x) OR P(x) 最后子句为 P(x) OR P(x) (2) (ANY x) (ANY y) On(x,y)Above(x,y) (ANY x) (ANY y) On(x,y) OR Above(x,y) On(x,y) OR Above(x,y) 最后子句为 On(x,y) OR Above(x,y) (3) (ANY x) (ANY y) (ANY z) Above
13、(x,y) AND Above(y,z) Above(x,z) (命题联结词之优先级如下:否定合取析取蕴涵等价) (ANY x) (ANY y) (ANY z) Above(x,y) AND Above(y,z) OR Above (x,z) Above(x,y) AND Above(y,z) OR Above (x,z) 最后子句为 Above(x,y), Above(y,z) OR Above(x,z) (4) (ANY x) P(x) (ANY y) p(y)p(f(x,y) AND (ANY y) Q(x,y) P(y) (ANY x) P(x) OR (ANY y) p(y) OR
14、p(f(x,y) AND (ANY y) Q(x,y) OR P(y) (EXT x) P(x) AND (EXT x) p(y) AND p(f(x,y) OR (EXT y) Q(x,y) AND P(y) (EXT x) P(x) AND (EXT w) p(y) AND p(f(w,y) OR (EXT v) Q(x,v) AND P(v) P(A) AND p(y) AND p(f(B,y) OR Q(A,C) AND P(C) P(A) AND p(y) AND p(f(B,y) OR Q(A,C) AND p(y) AND p(f(B,y) OR P(C) P(A) AND p(
15、y), p(f(B,y) OR Q(A,C) AND p(y), p(f(B,y) OR P(C) 最后子句为 P(A) p(x), p(f(B,x) OR Q(A,C) p(y), p(f(B,y) OR P(C) 2-7 用谓词演算公式表示下列英文句子(多用而不是省用不同谓词和项。例如不要用单一的谓词字母来表示每个句 子。) A computer system is intelligent if it can perform a task which, if performed by a human, requires intelligence. 先定义基本的谓词 INTLT(x) mea
16、ns x is intelligent PERFORM(x,y) means x can perform y REQUIRE(x) means x requires intelligence CMP(x) means x is a computer system HMN(x) means x is a human 上面的句子可以表达为 (任意x) (存在t) (存在y) HMN(y) 合取 PERFORM(y,t) 合取 REQUIRE(t) 合取 CMP(x) 合取 PERFORM(x,t) INTLT(x) 2-8 把下列语句表示成语义网络描述： (1) All man are morta
17、l. (2) Every cloud has a silver lining. (3) All branch managers of DEC participate in a profit-sharing plan. (1) (2) (3) 2-9 作为一个电影观众，请你编写一个去电影院看电影的剧本。 (1) 开场条件 (a) 顾客想看电影 (b) 顾客在足够的钱 (2) 角色 顾客，售票员，检票员，放映员 (3) 道具 钱，电影票 (4) 场景 场景 1 购票 (a) 顾客来到售票处 (b) 售票员把票给顾客 (c) 顾客把钱给售票员 (d) 顾客走向电影院门 场景 2 检票 (a) 顾客把
18、电影票给检票员 (b) 检票员检票 (c) 检票员把电影票还给顾客 (d) 顾客进入电影院 场景 3 等待 (a) 顾客找到自己的座位 (b) 顾客坐在自己座位一等待电影开始 场景 4 观看电影 (a) 放映员播放电影 (b) 顾客观看电影 场景 5 离开 (a) 放映员结束电影放映 (b) 顾客离开电影院 (5) 结果 (a) 顾客观看了电影 (b) 顾客花了钱 (c) 电影院赚了钱 2-10 试构造一个描述你的寝室或办公室的框架系统。 第三章 搜索推理技术3-1 什么是图搜索过程?其中，重排OPEN 表意味着什么，重排的原则是什么? 图搜索的一般过程如下： (1) 建立一个搜索图G(初始只
19、含有起始节点S)，把S 放到未扩展节点表中（OPEN 表）中。 (2) 建立一个已扩展节点表（CLOSED 表），其初始为空表。 (3) LOOP：若OPEN 表是空表，则失败退出。 (4) 选择OPEN 表上的第一个节点，把它从OPEN 表移出并放进CLOSED 表中。称此节点为节点n，它是CLOSED 表中 节点的编号 (5) 若n 为一目标节点，则有解并成功退出。此解是追踪图G 中沿着指针从n 到S 这条路径而得到的(指针将在第7 步中设置) (6) 扩展节点n，生成不是n 的祖先的那些后继节点的集合M。将M 添入图G 中。 (7) 对那些未曾在G 中出现过的(既未曾在OPEN 表上或C
20、LOSED 表上出现过的)M 成员设置一个通向n 的指针，并将 它们加进OPEN 表。 对已经在OPEN 或CLOSED 表上的每个M 成员，确定是否需要更改通到n 的指针方向。 对已在CLOSED 表上的每个M 成员，确定是否需要更改图G 中通向它的每个后裔节点的指针方向。 (8) 按某一任意方式或按某个探试值，重排OPEN 表。 (9) GO LOOP。 重排OPEN 表意味着，在第(6)步中，将优先扩展哪个节点，不同的排序标准对应着不同的搜索策略。 重排的原则当视具体需求而定，不同的原则对应着不同的搜索策略，如果想尽快地找到一个解，则应当将最有可能 达到目标节点的那些节点排在OPEN 表
21、的前面部分，如果想找到代价最小的解，则应当按代价从小到大的顺序重排 OPEN 表。 3-2 试举例比较各种搜索方法的效率。(1) 把起始节点放到OPEN 表中(如果该起始节点为一目标节点，则求得一个解答)。 (2) 如果OPEN 是个空表，则没有解，失败退出；否则继续。 (3) 把第一个节点(节点n)从OPEN 表移出，并把它放入CLOSED 扩展节点表中。 (4) 扩展节点n。如果没有后继节点，则转向上述第(2)步。 (5) 把n 的所有后继节点放到OPEN 表的末端，并提供从这些后继节点回到n 的指针。 (6) 如果n 的任一个后继节点是个目标节点，则找到一个解答，成功退出；否则转向第(2
22、)步。有界深度优先搜索 (1) 把起始节点S 放到未扩展节点OPEN 表中。如果此节点为一目标节点，则得到一个解。 (2) 如果OPEN 为一空表，则失败退出。 (3) 把第一个节点(节点n)从OPEN 表移到CLOSED 表。 (4) 如果节点n 的深度等于最大深度，则转向(2)。 (5) 扩展节点n，产生其全部后裔，并把它们放入OPEN 表的前头。如果没有后裔，则转向(2)。 (6) 如果后继节点中有任一个为目标节点，则求得一个解，成功退出；否则，转向(2)。 等代价搜索方法以g(i)的递增顺序扩展其节点，其算法如下： (1) 把起始节点S 放到未扩展节点表OPEN 中。如果此起始节点为一
23、目标节点，则求得一个解;否则令g(S)=0。 (2) 如果OPEN 是个空表，则没有解而失败退出。 (3) 从 OPEN 表中选择一个节点 i，使其 g(i)为最小。如果有几个节点都合格，那么就要选择一个目标节点作为节 点i(要是有目标节点的话)；否则，就从中选一个作为节点i。把节点i 从OPEN 表移至扩展节点表CLOSED 中。 (4) 如果节点i 为目标节点，则求得一个解。 (5) 扩展节点i。如果没有后继节点，则转向第(2)步。 (6) 对于节点 i 的每个后继节点 j，计算g(j)=g(i)+c(i,j)，并把所有后继节点 j 放进 OPEN 表。提供回到节点 i 的指针。 (7)
24、转向第(2)步。3-3 化为子句形有哪些步骤?请结合例子说明之。 任一谓词演算公式可以化成一个子句集。其变换过程由下列九个步骤组成： (1)消去蕴涵符号 将蕴涵符号化为析取和否定符号 (2)减少否定符号的辖域 每个否定符号最多只用到一个谓词符号上，并反复应用狄 摩根定律 (3)对变量标准化 对哑元改名以保证每个量词有其自己唯一的哑元 (4)消去存在量词 引入Skolem 函数，消去存在量词 如果要消去的存在量词不在任何一个全称量词的辖域内，那么我们就用不含变量的Skolem 函数即常量。 (5)化为前束形 把所有全称量词移到公式的左边，并使每个量词的辖域包括这个量词后面公式的整个部分。 前束形
25、 = (前缀) (母式) 前缀 = 全称量词串 母式 = 无量词公式 (6)把母式化为合取范式 反复应用分配律，将母式写成许多合取项的合取的形式，而每一个合取项是一些谓词公式和(或)谓词公式的否定的析取 (7)消去全称量词 消去前缀，即消去明显出现的全称量词 (8)消去连词符号(合取) 用合取项1,合取项2替换明显出现的合取符号 (9)更换变量名称 更换变量符号的名称，使一个变量符号不出现在一个以上的子句中 3-4 如何通过消解反演求取问题的答案? 给出一个公式集S 和目标公式L，通过反证或反演来求证目标公式L，其证明步骤如下： (1)否定L，得L； (2)把L 添加到S 中去； (3)把新产
26、生的集合L，S化成子句集； (4)应用消解原理，力图推导出一个表示矛盾的空子句NIL。 3-5 什么叫合适公式?合适公式有哪些等价关系? 合式公式的递归定义为： (1) 原子谓词公式是合式公式 (2) 若A 为合式公式，则A 的否定也是合式公式 (3) 若A、B 都是合式公式，则A AND B, AOR B, AB, AB 也都是合式公式 (4) 若A 是合式公式，x 为A 中的自由变元，则(ANY x)A 和 (EXT x)A 都是合式公式 (5) 只有按规则(1)(4)求得的公式，才是合式公式 等价关系有：否定之否定，蕴含与与或形式的等价，狄.摩根定律；分配律，交换律，结合律，逆否律，否定
27、跨越量 词，全称量词同与或连词，量词中的哑元 3-6 用宽度优先搜索求图3.33 所示迷宫的出路。 第一步 SAB 第二步 BH BC 第三步 HG CF 最终路径为SABCF3-7 用有界深度优先搜索方法求解图3.34 所示八数码难题。解：定义操作符集：F=f1,f2,f3,f4，其中： f1 表示空格右移； f2 表示空格上移； f3 表示空格左移； f4 表示空格下移。 搜索时，节点的扩展顺序规定为按右、左、上、下方向移动空格。并设置深度界限为8。 由上述有界深度优先搜索树中可见， 当d=8 时，八数码难题的一个解为： f4, f4, f3, f2, f2, f3, f4, f3 3-1
28、0 一个机器人驾驶卡车，携带包裹(编号分别为1、2 和3)分别投递到林(LIN)、吴(WU)和胡(HU)3 家住宅处。规定了某些简单的操作符，如表示驾驶方位的drive(x,y)和表示卸下包裹的unload(z) 都有一定的先决条件和结果。试说明状态空间问题求解系统如何能够应用谓词演算求得一个操作符序列，该序列能够生成一个满足AT(#1，LIN)AT(#2，WU)AT(#3,HU)的目标状态。 初始状态可描述为：AT(#1, LIN) AND AT(#2, WU) AND AT(#1, HU) AND AT(#1, CAR) AND AT(#2, CAR) AND AT(#3, CAR) 目标
29、状态可描述为：AT(#1, LIN) AND AT(#2, WU) AND AT(#1, HU) AND AT(#1, CAR) AND AT(#2, CAR) AND AT(#3, CAR) 对每个操作符都有一定的先决条件和结果，详细如下 drive(x, y) 先决条件：AT(CAR, x) 结果： AT(CAR, y) unload(z)先决条件：AT(z, CAR) AND AT(CAR, x) 结果： AT(z, CAR) AND AT(z, x) 原问题就转换为寻找一个可将初始状态转换到目标状态的操作序列 如何求得该操作序列? 3-11 规则演绎系统和产生式系统有哪几种推理方式?各
30、自的特点为何? 规则演绎系统的推理方式有正向推理、逆向推理和双向推理双向推理组合了正向推理和逆向推理的优点，克服了各自的缺点，具有更高的搜索求解效率。 产生式系统的推理方式有正向推理、逆向推理和双向推理 双向推理结合了正向推理和逆向推理的长处，克服了两者的短处，其控制策略比两者都要复杂。 3-12 为什么需要采用系统组织技术?有哪几种系统组织技术? 如果不采用系统组织技术，而直接写出包含所有知识的规则，并让系统利用这些规则，找出一条从给定状态到目标 状态的路径，这种方法有严重的缺点： (1) 随着规则的增加，既要加入新的规则，又要使新规则不与现有规则产生冲突，这将使问题变得愈来愈困难 (2) 在问题求解过程中，由于每一步都必须考虑所有规则，效率就会大大降低，然而，实际上却往往是只有应用完 一组规则之后，才考虑另一组别的规则 (3) 一种问题求解技术和知识表达形式可能对问题的某一部分是最好的，而对另一部分却不是最好的 因此，采用系统组织技术，将一个大系统中的知识分成一组相对独立的模块比较合适。 有3 种系统组织技术：议程表、黑板法和Delta 极
