教学课件 《人工智能基础》蔡自兴
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• 启发式搜索、消解原理、不确定性推理…
– 计算智能(Computational Intelligence)
• 模糊计算、神经计算、进化计算…
– 构成技术(系统与语言)
• 产生式系统、LISP语言、Prolog语言…
22
1.6 人工智能的研究和应用领域
1 问题求解与博弈
• 问题的表示、分解、搜索、归约等 • 进行复杂的数学公式符号运算求解
(W,0,W,z) climbbox (W,1,W,z)
49
• grasp猴子摘到香蕉,即有
3
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 孕育时期(1956年前)
– 数理逻辑学科(弗雷治、维纳等 ) – 计算的新思想(丘奇、图灵等) – 拟脑机器(麦卡洛克、皮茨)
• 形成时期(1956 - 1970年)
– 1956年,第一次人工智能的研讨会 – 1969年,第一届国际人工智能联合会议 – 1970年,《人工智能》国际杂志创刊
• 有向图 • 路径 • 代价 • 图的显示说明 • 图的隐示说明
A
B
45
2.2.3 状态空间表示举例
• 产生式系统(production system) – 一个总数据库(global database) :它含有
与具体任务有关的信息随着应用情况的不同,
这些数据库可能简单,或许复杂。 – 一套规则:它对数据库进行操作运算。每条
5
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 集成发展时期(1986年至今)
– 进一步研究AI基本原理方法和技术 – 深入渗透到其他学科和科学技术领域 – 三大学派综合集成,优势互补,共同发展
6
1.2 人工智能的各种认知观
1.2.1 人工智能的主要学派
• 符号主义(Symbolicism)
基于物理符号系统假设和有限合理性原理
15
1.3.2 智能信息处理系统的假设
• 人是一种智能信息处理系统 • 物理符号系统的六种基本功能 • 物理符号系统的假设
– 推论一 – 推论二 – 推论三
16
1.3.3 智能信息处理系统的假设
• 人类的认知行为具有不同层次 – 认知生理学 – 认知心理学 – 认知信息学 – 认知工程学
17
1.3.3 人类智能的计算机模拟
8
连接主义(Connectionism)
• 又称:仿生学派或生理学派 • 原理:神经网络及神经网络间的连接机制
与学习算法 • 起源:源于仿生学,特别是人脑模型的研
究 • 学派代表:卡洛克、皮茨、Hopfield、鲁梅
尔哈特等
9
行为主义(Actionism)
• 又称:进化主义或控制论学派 • 原理:控制论及感知—动作型控制系统 • 起源:源于控制论 • 学派代表作:布鲁克斯(Brooks)的六足行走
– 问题的状态空间: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,即三元状态(S,F,G)。
42
状态空间表示概念详释
Original State
Middle State
Goal State
43
三数码难题
23 1
23 1
2 13
2 13
3
21
初始棋局
12 3
目标棋局
44
2.2.2 状态图示法
• 机器智能可以模拟人类智能 • 智能计算机
– 下棋 – 定理证明 – 语言翻译
• 新型智能计算机
– 神经计算机 – 量子计算机
18
1.4 人工智能的研究目标和内 容
1.4.1 人工智能的研究目标
• 一般研究目标
– 更好地理解人类智能 通过编写程序来模仿和检验有 关人类智能的理论。
– 创造有用的灵巧程序,该程序能够执行一般需要人 类专家才能实现的任务。
规则由左部鉴别规则的适用性或先决条件以及 右部描述规则应用时所完成的动作。
– 一个控制策略:它确定应该采用哪一条适用
规则,而且当数据库的终止条件满足时,就停 止计算。
46
2.2.3 状态空间表示举例
• 猴子和香蕉问题
图2.4 猴子和香蕉问题
47
解题过程
• 用一个四元表列(W,x,Y,z)来 表示这个问题状态。
13
1.2.2 人工智能的争论
对人工智能方法的争论
• 符号主义
– 功能模拟
• 连接主义
– 结构模拟
• 行为主义
– 行为模拟
14
1.3 人类智能和人工智能
1.3.1 研究认知过程的任务
• 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,最底层级是生理 过程。
• 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。
2 逻辑推理与定理证明
• 通过对事实数据库的操作来证明定理 • 多种证明方法 • 几何定理证明的“吴氏方法”
23
1.6 人工智能的研究和应用领域
3 计算智能
• 计算智能
– 包括神经计算、模糊计算、进化计算、粒群 计算、自然计算、免疫计算和人工生命等
– 进化计算的理论基础是生物进化论
4 分布式人工智能与Agent
• 要集成的信息技术除数字技术外,还包 括计算机网络、远程通信、数据库、计 算机图形学、语音与听觉、机器人学、 过程控制、并行计算、光计算、生物信 息处理等。
• 未来的智能系统还要集成认知科学、心 理学、社会学、语言学、系统学和哲学 等。
36
1.8.3 更成熟的应用方法
• 期望研究出通用而有效的人工智能开发方 法:
• 人工智能的远期研究目标: 探究人类智能和机器智能的基本原理,研 究用自动机(automata)模拟人类的思维过程 和智能行为。
34
1.8.1 更新的理论框架
• 人工智能尚存在的问题:
– 宏观与微观隔离 – 全局与局部割裂 – 理论和实际脱节
35
1.8.2 更好的技术集成
• 人工智能技术是其它信息处理技术及相 关学科技术的集成。
10 模式识别
• 是计算机对环境识别的需要 • 是对人类环境的感知模拟
27
1.6 人工智能的研究和应用领域
11 机器视觉
• 人类80%以上的外部信息来自视觉 • 低层视觉与高层视觉 • 前沿研究领域 • 广泛应用
12 神经网络
• 神经计算机
• 在其它领域中的广泛应用
28
1.6 人工智能的研究和应用领域
11
对人工智能理论的争论
• 连接主义
– 认为思维基元是神经元,而不是符号处过程; – 认为人脑不同于电脑,并提出连结主义的大脑
工作模式,用于取代符号操作的电脑工作模式。
12
对人工智能理论的争论
• 行为主义
– 认为智能取决于感知和行动(所以被称为行为主 义),提出智能行为的“感知—动作”模式;
– 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(所 以称为进化主义);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。
40
2.2 状态空间法
• 问题求解技术包括
– 问题的建模与表示 – 求解的方法
• 状态空间法三要点
– 状态(state) – 算符(operator) – 状态空间方法
41
2.2.1 问题状态描述
• 定义
– 状态:描述某类不同事物间的差别而引入的 一组最少变量q0,q1,…,qn的有序集合。
– 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。
4
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 暗淡时期(1966 - 1974年)
– 一些人工智能研究者盲目乐观 – 科学技术的发展对人工智能提出新的要求甚
至挑战
• 知识应用时期(1970-1988年)
– 专家系统与知识工程迅速发展 – 人工智能系统是一个知识处理系统
• 知识表示 • 知识利用 • 知识获取
1.6 人工智能的研究和应用领域
7 机器学习
• 是机器获取智能的途径 • 学习是一个有特定目的的知识获取过程 • 学习的本质是对信息的理解与应用 • 有多种学习方法
8 自然语言理解
• 语言
– 自然语言、人造语言、机器语言
• “理解”的标准
26
1.6 人工智能的研究和应用领域
9 机器人学
• 操作机器人 • 智能机器人 • 机器人的广泛应用 • 促进人工智能的发展
• 连接主义(Connectionism)
基于神经网络及其间的连接机制与学习算法
• 行为主义(Actionism)
基于控制论及感知—动作型控制系统
7
符号主义(Symbolicism)
• 又称:逻辑主义、心理学派或计算机学派 • 原理:物理符号系统(即符号操作系统)假设
和有限合理性原理 • 起源:源于数理逻辑 • 学派代表:纽厄尔、西蒙和尼尔逊等
• 这个问题的操作(算符)如下: – 2 goto(U)表示猴子走到水平位置U – 或者用产生式规则表示为
(W,0,Y,z) goto(U) (U,0,Y,z)
48
• pushbox(V)猴子把箱子推到水平位置V, 即有
(W,0,W,z) pushbox(V) (V,0,V,z)
• climbbox猴子爬上箱顶,即有
机器人,一个基于感知—动作模式的模拟昆 虫行为的控制系统
10
1.2.2 人工智能的争论
对人工智能理论的争论
• 符号主义
– 认为人的认知基元是符号,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,能用计算机来模拟 人的智能行为;
– 认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。
人工智能基础
第一章 绪论
1.1 人工智能的定义和发展 1.2 人类智能和人工智能 1.3 人工智能的学派及其争论 1.4 人工智能的研究与应用领域 1.5 人工智能对人类的影响 1.6 对人工智能的展望
1.1.1 人工智能的定义
• 几种定义 • 智能(intelligence) • 智能机器(intelligent machine) • 人工智能 • 人工智能(学科) • 人工智能(能力)
近期研究目标的远期研究目标
– 近期研究目标是建造智能计算机应以代替人类的某 些智力活动。
– 远期目标是用自动机模仿人类的思维活动和智力功 能。
19
1.4.2 人工智能研究的基本内容
• 认知建模 • 知识表示 • 知识推理 • 知识应用 • 机器感知 • 机器思维 • 机器学习 • 机器行为 • 智能系统构建
劳务就业问题 思维方式与观念的变化
技术失控的危险(美国科幻作家阿西莫 夫提出了“机器人三守则” ) 社会结构变化 心理上的威胁
32
1.7.3 人工智能对文化的影响
• 改善人类知识 • 改善人类语言 • 改善文化生活
33
1.8 对人工智能的展望
• 人工智能的近期研究目标: 在于建造智能计算机,用以代替人类从事 脑力劳动,即使现有的计算机更聪明更有 用。
20
1.5 人工智能研究的主要方法
• 功能模拟法 • 结构模拟法 • 行为模拟法 • 集成模拟法
21
1.6 人工智能的研究和应用领 域
• 人工智能的基本技术
– 知识表示(Knowledge Representation)
• 状态空间法、问题归约法、谓词逻辑法…
– 推理搜索(Searching & Reasoning)
13 智能控制
• 驱动智能机器自主地实现其目标的过程 • 是一个定性和定量的混合控制过程 • 是当今自动控制的最高水平
14 智能调度与指挥
• 寻找最佳调度和组合 • NP完全类问题的求解 • 军事指挥系统等领域
29
1.6 人工智能的研究和应用领域 15 智能检索
• 是信息时代来临的需要 • 智能检索系统所面临的三大问题
16 系统与语言工具
• 计算机系统的一些概念得到发展 • 新的编程语言与专用开发工具
30
1.7 人工智能对人类的影响
• 人工智能对经济的影响 • 人工智能对社会的影响 • 人工智能对文化的影响
31
1.7.1 人工智能对经济的影响
• 专家系统的效益 • 人工智能推动计算机技术发展
1.7.2 人工智能对社会的影响
• 是传统人工智能的延伸和扩展 • 研究目标是创建一种能描述自然系统和
社会系统的精确概念模型
24
1.6 人工智能的研究和应用领域 5 自动程序设计
• 根据不同目的描述来编写的计算机程序 • 促进人工智能系统的发展
6 专家系统
• 是一个智能化的计算机程序系统 • 和传统的计算机程序之间有本质区别
25
• 更高级的AI通用语言; • 更有效的AI专用语言与开发环境或工具。
37
人工智能基础
第二章 知识表示
2.1 概述 2.2 状态空间法 2.3 问题归约法 2.4 谓词逻辑法 2.5 语义网络法 2.6 其他方法
39
2.1 概述
• 知识及知识表示 • 人工智能系统所关心的知识及其分类 • 知识表示应该注意的问题
– 计算智能(Computational Intelligence)
• 模糊计算、神经计算、进化计算…
– 构成技术(系统与语言)
• 产生式系统、LISP语言、Prolog语言…
22
1.6 人工智能的研究和应用领域
1 问题求解与博弈
• 问题的表示、分解、搜索、归约等 • 进行复杂的数学公式符号运算求解
(W,0,W,z) climbbox (W,1,W,z)
49
• grasp猴子摘到香蕉,即有
3
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 孕育时期(1956年前)
– 数理逻辑学科(弗雷治、维纳等 ) – 计算的新思想(丘奇、图灵等) – 拟脑机器(麦卡洛克、皮茨)
• 形成时期(1956 - 1970年)
– 1956年,第一次人工智能的研讨会 – 1969年,第一届国际人工智能联合会议 – 1970年,《人工智能》国际杂志创刊
• 有向图 • 路径 • 代价 • 图的显示说明 • 图的隐示说明
A
B
45
2.2.3 状态空间表示举例
• 产生式系统(production system) – 一个总数据库(global database) :它含有
与具体任务有关的信息随着应用情况的不同,
这些数据库可能简单,或许复杂。 – 一套规则:它对数据库进行操作运算。每条
5
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 集成发展时期(1986年至今)
– 进一步研究AI基本原理方法和技术 – 深入渗透到其他学科和科学技术领域 – 三大学派综合集成,优势互补,共同发展
6
1.2 人工智能的各种认知观
1.2.1 人工智能的主要学派
• 符号主义(Symbolicism)
基于物理符号系统假设和有限合理性原理
15
1.3.2 智能信息处理系统的假设
• 人是一种智能信息处理系统 • 物理符号系统的六种基本功能 • 物理符号系统的假设
– 推论一 – 推论二 – 推论三
16
1.3.3 智能信息处理系统的假设
• 人类的认知行为具有不同层次 – 认知生理学 – 认知心理学 – 认知信息学 – 认知工程学
17
1.3.3 人类智能的计算机模拟
8
连接主义(Connectionism)
• 又称:仿生学派或生理学派 • 原理:神经网络及神经网络间的连接机制
与学习算法 • 起源:源于仿生学,特别是人脑模型的研
究 • 学派代表:卡洛克、皮茨、Hopfield、鲁梅
尔哈特等
9
行为主义(Actionism)
• 又称:进化主义或控制论学派 • 原理:控制论及感知—动作型控制系统 • 起源:源于控制论 • 学派代表作:布鲁克斯(Brooks)的六足行走
– 问题的状态空间: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,即三元状态(S,F,G)。
42
状态空间表示概念详释
Original State
Middle State
Goal State
43
三数码难题
23 1
23 1
2 13
2 13
3
21
初始棋局
12 3
目标棋局
44
2.2.2 状态图示法
• 机器智能可以模拟人类智能 • 智能计算机
– 下棋 – 定理证明 – 语言翻译
• 新型智能计算机
– 神经计算机 – 量子计算机
18
1.4 人工智能的研究目标和内 容
1.4.1 人工智能的研究目标
• 一般研究目标
– 更好地理解人类智能 通过编写程序来模仿和检验有 关人类智能的理论。
– 创造有用的灵巧程序,该程序能够执行一般需要人 类专家才能实现的任务。
规则由左部鉴别规则的适用性或先决条件以及 右部描述规则应用时所完成的动作。
– 一个控制策略:它确定应该采用哪一条适用
规则,而且当数据库的终止条件满足时,就停 止计算。
46
2.2.3 状态空间表示举例
• 猴子和香蕉问题
图2.4 猴子和香蕉问题
47
解题过程
• 用一个四元表列(W,x,Y,z)来 表示这个问题状态。
13
1.2.2 人工智能的争论
对人工智能方法的争论
• 符号主义
– 功能模拟
• 连接主义
– 结构模拟
• 行为主义
– 行为模拟
14
1.3 人类智能和人工智能
1.3.1 研究认知过程的任务
• 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,最底层级是生理 过程。
• 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。
2 逻辑推理与定理证明
• 通过对事实数据库的操作来证明定理 • 多种证明方法 • 几何定理证明的“吴氏方法”
23
1.6 人工智能的研究和应用领域
3 计算智能
• 计算智能
– 包括神经计算、模糊计算、进化计算、粒群 计算、自然计算、免疫计算和人工生命等
– 进化计算的理论基础是生物进化论
4 分布式人工智能与Agent
• 要集成的信息技术除数字技术外,还包 括计算机网络、远程通信、数据库、计 算机图形学、语音与听觉、机器人学、 过程控制、并行计算、光计算、生物信 息处理等。
• 未来的智能系统还要集成认知科学、心 理学、社会学、语言学、系统学和哲学 等。
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1.8.3 更成熟的应用方法
• 期望研究出通用而有效的人工智能开发方 法:
• 人工智能的远期研究目标: 探究人类智能和机器智能的基本原理,研 究用自动机(automata)模拟人类的思维过程 和智能行为。
34
1.8.1 更新的理论框架
• 人工智能尚存在的问题:
– 宏观与微观隔离 – 全局与局部割裂 – 理论和实际脱节
35
1.8.2 更好的技术集成
• 人工智能技术是其它信息处理技术及相 关学科技术的集成。
10 模式识别
• 是计算机对环境识别的需要 • 是对人类环境的感知模拟
27
1.6 人工智能的研究和应用领域
11 机器视觉
• 人类80%以上的外部信息来自视觉 • 低层视觉与高层视觉 • 前沿研究领域 • 广泛应用
12 神经网络
• 神经计算机
• 在其它领域中的广泛应用
28
1.6 人工智能的研究和应用领域
11
对人工智能理论的争论
• 连接主义
– 认为思维基元是神经元,而不是符号处过程; – 认为人脑不同于电脑,并提出连结主义的大脑
工作模式,用于取代符号操作的电脑工作模式。
12
对人工智能理论的争论
• 行为主义
– 认为智能取决于感知和行动(所以被称为行为主 义),提出智能行为的“感知—动作”模式;
– 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(所 以称为进化主义);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。
40
2.2 状态空间法
• 问题求解技术包括
– 问题的建模与表示 – 求解的方法
• 状态空间法三要点
– 状态(state) – 算符(operator) – 状态空间方法
41
2.2.1 问题状态描述
• 定义
– 状态:描述某类不同事物间的差别而引入的 一组最少变量q0,q1,…,qn的有序集合。
– 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。
4
1.1.2 人工智能的起源与发展
• 暗淡时期(1966 - 1974年)
– 一些人工智能研究者盲目乐观 – 科学技术的发展对人工智能提出新的要求甚
至挑战
• 知识应用时期(1970-1988年)
– 专家系统与知识工程迅速发展 – 人工智能系统是一个知识处理系统
• 知识表示 • 知识利用 • 知识获取
1.6 人工智能的研究和应用领域
7 机器学习
• 是机器获取智能的途径 • 学习是一个有特定目的的知识获取过程 • 学习的本质是对信息的理解与应用 • 有多种学习方法
8 自然语言理解
• 语言
– 自然语言、人造语言、机器语言
• “理解”的标准
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1.6 人工智能的研究和应用领域
9 机器人学
• 操作机器人 • 智能机器人 • 机器人的广泛应用 • 促进人工智能的发展
• 连接主义(Connectionism)
基于神经网络及其间的连接机制与学习算法
• 行为主义(Actionism)
基于控制论及感知—动作型控制系统
7
符号主义(Symbolicism)
• 又称:逻辑主义、心理学派或计算机学派 • 原理:物理符号系统(即符号操作系统)假设
和有限合理性原理 • 起源:源于数理逻辑 • 学派代表:纽厄尔、西蒙和尼尔逊等
• 这个问题的操作(算符)如下: – 2 goto(U)表示猴子走到水平位置U – 或者用产生式规则表示为
(W,0,Y,z) goto(U) (U,0,Y,z)
48
• pushbox(V)猴子把箱子推到水平位置V, 即有
(W,0,W,z) pushbox(V) (V,0,V,z)
• climbbox猴子爬上箱顶,即有
机器人,一个基于感知—动作模式的模拟昆 虫行为的控制系统
10
1.2.2 人工智能的争论
对人工智能理论的争论
• 符号主义
– 认为人的认知基元是符号,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,能用计算机来模拟 人的智能行为;
– 认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。
人工智能基础
第一章 绪论
1.1 人工智能的定义和发展 1.2 人类智能和人工智能 1.3 人工智能的学派及其争论 1.4 人工智能的研究与应用领域 1.5 人工智能对人类的影响 1.6 对人工智能的展望
1.1.1 人工智能的定义
• 几种定义 • 智能(intelligence) • 智能机器(intelligent machine) • 人工智能 • 人工智能(学科) • 人工智能(能力)
近期研究目标的远期研究目标
– 近期研究目标是建造智能计算机应以代替人类的某 些智力活动。
– 远期目标是用自动机模仿人类的思维活动和智力功 能。
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1.4.2 人工智能研究的基本内容
• 认知建模 • 知识表示 • 知识推理 • 知识应用 • 机器感知 • 机器思维 • 机器学习 • 机器行为 • 智能系统构建
劳务就业问题 思维方式与观念的变化
技术失控的危险(美国科幻作家阿西莫 夫提出了“机器人三守则” ) 社会结构变化 心理上的威胁
32
1.7.3 人工智能对文化的影响
• 改善人类知识 • 改善人类语言 • 改善文化生活
33
1.8 对人工智能的展望
• 人工智能的近期研究目标: 在于建造智能计算机,用以代替人类从事 脑力劳动,即使现有的计算机更聪明更有 用。
20
1.5 人工智能研究的主要方法
• 功能模拟法 • 结构模拟法 • 行为模拟法 • 集成模拟法
21
1.6 人工智能的研究和应用领 域
• 人工智能的基本技术
– 知识表示(Knowledge Representation)
• 状态空间法、问题归约法、谓词逻辑法…
– 推理搜索(Searching & Reasoning)
13 智能控制
• 驱动智能机器自主地实现其目标的过程 • 是一个定性和定量的混合控制过程 • 是当今自动控制的最高水平
14 智能调度与指挥
• 寻找最佳调度和组合 • NP完全类问题的求解 • 军事指挥系统等领域
29
1.6 人工智能的研究和应用领域 15 智能检索
• 是信息时代来临的需要 • 智能检索系统所面临的三大问题
16 系统与语言工具
• 计算机系统的一些概念得到发展 • 新的编程语言与专用开发工具
30
1.7 人工智能对人类的影响
• 人工智能对经济的影响 • 人工智能对社会的影响 • 人工智能对文化的影响
31
1.7.1 人工智能对经济的影响
• 专家系统的效益 • 人工智能推动计算机技术发展
1.7.2 人工智能对社会的影响
• 是传统人工智能的延伸和扩展 • 研究目标是创建一种能描述自然系统和
社会系统的精确概念模型
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1.6 人工智能的研究和应用领域 5 自动程序设计
• 根据不同目的描述来编写的计算机程序 • 促进人工智能系统的发展
6 专家系统
• 是一个智能化的计算机程序系统 • 和传统的计算机程序之间有本质区别
25
• 更高级的AI通用语言; • 更有效的AI专用语言与开发环境或工具。
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人工智能基础
第二章 知识表示
2.1 概述 2.2 状态空间法 2.3 问题归约法 2.4 谓词逻辑法 2.5 语义网络法 2.6 其他方法
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2.1 概述
• 知识及知识表示 • 人工智能系统所关心的知识及其分类 • 知识表示应该注意的问题