人工智能原理

2020/1/191•PartI人工智能语言•PartII专家系统2020/1/192PartI人工智能语言•由于人工智能研究的问题的特点和解决问题的方法的特殊性，为了能方便而有效地建立人工智能系统，需要发展专门的人工智能语言。2020/1/193人工智能语言一般来说，人工智能语言应具备如下特点：•要有符号处理能力（即非数值处理能力）；•适合于结构化程序设计，编程容易；•要有递归功能和回溯功能；•要有人机交互能力；•适合于推理；•要有把过程与说明式数据结构混合起来的能力，又要有辨别数据、确定控制的模式匹配机制。2020/1/194人工智能语言•在人工智能手册中介绍了七种人工智能语言：LISP,PLANNER,CINNIVER,QLISP,POP2,SAIL,FUZZY。近百种人工智能语言中，只有LISP和后起之秀Prolog是人工智能研究和应用中占重要地位的两种人工智能程序设计语言。虽然国内外对这两种AI语言曾有争议，褒贬不一，但LISP和PROLOG的重要性是都不可否认的。2020/1/195人工智能语言•函数型语言LISP和逻辑型语言PROLOG都适合作符号处理，都适合于结构化程序设计(LISP提供了函数定义，prolog提供了谓词定义)，都具有递归功能(prolog还具有自动回溯功能)，都具有人机交互能力(prolog还特别适合于推理)，也都具有把过程与说明式数据结构混合起来的能力以及辨别数据、确定控制的模式匹配机制(LISP将程序与数据均表示为表，因此可以把程序作为数据处理，也可将数据当作程序来执行。Prolog用一致的数据结构“项(term)”来构造数据和程序，事实、规则和询问的表现形式都为Horn子句，执行时作统一的操作匹配。LISP的匹配函数、prolog的合一运算自动匹配、自动搜索都具有很强的模式匹配机制。)因此可以说LISP和prolog是两种较为典型的人工智能语言。2020/1/196人工智能语言•谈到LISP和PROLOG两种AI语言的重要性，我们还可以从美国AI界的权威学者、麻省理工学院教授P.H.Winston(温斯顿)所说的一段话来体会。2020/1/197人工智能语言•概括地说,计算机语言的发展正是一个从HOW型低级语言向WHAT型高级语言进化的过程.在HOW型语言中,程序编制者必须详细说明运算是怎样(HOW)一步一步进行的;而在WHAT型语言中,程序编制者只需简单说明要做的事情是什么(WHAT)。…现代的LISP语言是这些语言的佼佼者,因为采用CommonLisp格式的Lisp具有非凡的表现力,但是如何做某件事情仍然是有待于Lisp程序编制者来表达的东西.相反,Prolog是一种明显地冲破了HOW型语言陈规的语言,它鼓励程序编制者去描述情况和问题,而不是那些用来解决问题的详细步骤。”2020/1/198LISP语言•1、BackGround•1959年，麦卡锡基于阿隆索.邱奇(AlonzoChurch)的λ-演算和西蒙、纽厄尔首创的表结构，开发了著名的LISP语言（LIStProcessinglanguageorLIStProcessor），成为人工智能界第一个最广泛流行的语言。2020/1/199LISP语言•2、LISP语言的特点•a、计算用的是符号表达式而不是数；•b、具有表处理能力，即用链表形式表示所有的数据；•c、控制结构基于函数的复合，以形成更复杂的函数；•d、用递归作为描述问题和过程的方法；•e、用LISP语言书写的EVAL函数既可作为LISP语言的解释程序，又可以作为语言本身的形式定义；f、程序本身也同所有其他数据一样用表结构形式表示。2020/1/1910LISP语言•2、LISP的符号表达式•①符号：以字母开头不含规定的特殊字符的字符串，相当于其他语言中的变量。•②原子：LISP中不可再分割的对象，如数、符号、空表。•③表：若干个数或符号用括号括起来就构成一个表，表中的元素用空格分开，没有元素的表称为空表，用()或者nil表示。•④符号表达式：原子和表的统称。2020/1/1911LISP语言•LISP的符号表达式采用前缀表示形式，即表中第一个元素是函数符号名，其余的元素是这个函数要求的运算或处理的元素。•例如：(setqy(*234))2020/1/1912LISP语言•3、LISP语言的基本函数•(1)数值运算函数•(2)求值与赋值函数•(3)表处理函数•(4)逻辑函数•(5)条件函数•(6)自定义函数与无名函数2020/1/1913LISP语言•(1)数值运算函数•a、算术运算函数：+-*/1+1-等•(setqa10)•(/a22)•b、超越函数：expexptlogsqrtabssignum•c、数的逻辑运算函数：logiorlogxorlogandlognot•(lognot12)?2020/1/1914LISP语言2020/1/1915LISP语言•(2)求值与赋值函数•a、禁止求值函数quote’•（quote(abc))•(setqx(abc))•(setqx‘(abc))•b、赋值函数setq•c、求值函数•(values(*23)(+45))2020/1/1916LISP语言2020/1/1917LISP语言•(3)表处理函数:LISP的基本数据结构是表，LISP语言最擅长的也是表。•a、取表部分内容的函数•①car函数：取表的第一个元素•（car‘(abc))→a•②cdr函数：取表中去除第一个元素的余下表•（cdr‘(abc))→(bc)•③car和cdr的连续作用•(car(cdr(cdr(cdr‘(abcdef)))))•可表示为(cadddr‘(abcdef))Max=42020/1/1918LISP语言2020/1/1919LISP语言b、构造表的函数2020/1/1920LISP语言c、其他表函数2020/1/1921LISP语言4、逻辑函数:只能返回真t或假nil①数据类型判断函数2020/1/1922LISP语言②数的比较函数===/=③等值函数equal(equal()nil)→t(equal‘(abc)‘(abd))→nil④逻辑运算函数andornot2020/1/1923LISP语言5、条件函数①if函数(iftestthen[else])返回：[else]ornil②when函数：(whentest{form}*)③unless函数(unlesstest{form}*)2020/1/1924LISP语言④condition函数2020/1/1925LISP语言6、自定义函数与无名函数①自定义函数2020/1/1926LISP语言6、自定义函数与无名函数②无名函数2020/1/1927LISP语言7、迭代与递归2020/1/1928LISP语言do函数2020/1/1929LISP语言do函数2020/1/1930LISP语言(2)非结构化迭代2020/1/1931LISP语言2020/1/1932Prolog•Prolog语言最早是由法国马赛大学的Colmerauer和他的研究小组于1972年研制成功。Prolog是当代最有影响的人工智能语言之一，由于该语言很适合表达人的思维和推理规则，在自然语言理解、机器定理证明、专家系统等方面得到了广泛的应用，已经成为人工智能应用领域的强有力的开发语言。尽管Prolog语言有许多版本，但它们的核心部分都是一样的。Prolog的基本语句仅有三种，即事实、规则和目标三种类型的语句，且都用谓词表示，因而程序逻辑性强，文法简捷，清晰易懂。另一方面，Prolog是陈述性语言，一旦给它提交必要的事实和规则之后，Prolog就使用内部的演绎推理机制自动求解程序给定的目标，而不需要在程序中列出详细的求解步骤。2020/1/1933Prolog•Prolog语言接近于自然语言，文法简捷，逻辑性强，易写易读，便于学习和使用，易于正确性证明，具有一阶逻辑的推理能力，因而被应用于人工智能多个研究领域中。•Prolog语言具有下面的特点：•（1）在Prolog程序中，仅含有事实、规则及询问语句，强调的是它们之间的逻辑关系，不要求给出求解问题的步骤，因而Prolog被看作是一种描述性的语言。•（2）Prolog语言具有自动实现搜索、模型匹配及回溯的功能，从而实现了自动逻辑推理。•（3）Prolog的数据和程序结构统一。•（4）递归是Prolog的一个重要特征，它反映在程序及数据结构中。由于这一特征，使得Prolog可把一个大的数据结构作为一个小的程序处理。2020/1/1934Prolog•１、事实事实用来说明一个问题中已知的对象和它们之间的关系。在Prolog程序中，事实由谓词名及用括号括起来的一个或几个对象组成。谓词和对象可由用户自己定义。例如，谓词likes(bill，book).是一个名为like的关系，表示对象bill和book之间有喜欢的关系。2020/1/1935Prolog•２、规则规则由几个互相有依赖性的简单句（谓词）组成，用来描述事实之间的依赖关系。从形式上看，规则由左边表示结论的后件谓词和右边表示条件的前提谓词组成。例如，规则•bird(X):-animal(X),has(X,feather).表示凡是动物并且有羽毛，那么它就是鸟。2020/1/1936Prolog•３、目标（问题）把事实和规则写进Prolog程序中后，就可以向Prolog询问有关问题的答案，询问的问题就是程序运行的目标。目标的结构与事实或规则相同，可以是一个简单的谓词，也可以是多个谓词的组合。目标分内、外两种，内部目标写在程序中，外部目标在程序运行时由用户手工键入。例如问题?-student(john).表示“john是学生吗？”2020/1/1937Prolog•Prolog程序的简单例子例1谁是john的朋友？predicates/*谓词段，对要用的谓词名和参数进行说明*/likes(symbol,symbol)friend(symbol,symbol)clauses/*子句段，存放所有的事实和规则*/likes(bell,sports)./*前4行是事实*/•likes(mary,music).likes(mary,sports).likes(jane,smith).friend(john,X):-likes(X,sports),likes(X,music)./*本行是规则*/当上述事实与规则输入计算机后，运行该程序，用户就可以进行询问，如输入目标：friend(john,X)•即询问john的朋友是谁,,这时计算机的运行结果为：X=mary（mary是john的朋友）1Solution（得到了一个结果）2020/1/1938Prolog•例2汉诺塔问题:该问题可以采用递归法思想来求解,其源程序为:predicates/*谓词段*/hanoi(integer)move(integer,symbol,symbol,symbol)inform(symbol,symbol).clauses/*子句段*/hanoi(N):-move(N,a,b,c).move(1,A,_,C):-inform(A,C),!.move(N,A,B,C):-N1=N-1,move(N1,A,C,B),inform(A,C),move(N1,B,A,C).inform(Loc1,Loc2):-nl,write(移动1个盘子从柱,Loc1,到柱,Loc2).goal/*目标段，问移动3个盘子的方法*/hanoi(3).2020/1/1939Prolog•Prolog语言最早是由法国马赛大学的Colmerauer和他的研究小组于1972年研制成功。早期的Prolog版本都是解释型的，自1986年美国Borland公司推出编译型Prolog,即TurboProlog以后，Prolog便很快在PC机上流行起来。后来又经历了PDCPROLOG、VisualProlog不同版本的发展。并行的逻辑语言也于80年代初开始研制，其中比较著名的