智能科学技术导论-周昌乐-第03讲 算法设计.docx

《智能科学技术导论-周昌乐-第03讲 算法设计.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第03讲算法设计导语算法是智能计算领域最核心的概念之一。当你拥有了一台机器，希望机器系统能够为你服务，解决你需要解决的某个智能计算任务，那你首先要给出完成这项任务的算法步骤。比如，你希望具备猜扑克牌颜色这样一个魔术游戏的能力，那么你就需要为机器编制完成这样任务的算法。如果说对于计算机科学技术的学生而言，玩的就是算法，那么对于智能科学技术的学生而言，玩的就是智能算法！正是通过使用算法，可以将智慧编进机器系统中，从而来构建能够表现智能行为的机器。因此，你编制的算法越有智慧，那么所构建的机器也就越能够具有更智慧的行为表现。

2、从某中意义上讲，机器智能的限度就是能否找到算法的限度。那些能够找到算法的智能任务范围，也就是智能机器的能力范围。智能科学技术研究的目的，就是要找出尽可能多的智能算法，使我们的机器拥有尽可能多的智慧能力。由此可见，算法在智能科学与技术领域中的重要地位，掌握算法设计的原理，也就成为学习这一专业的最基本技能。第3.1节算法概述一般而言，所谓算法就是给出解决一个（智能）计算问题具体步骤的集合。我们在前面“机器系统”一讲中已经遇到过一些简单的指令执行算法。比如中央处理机常规处理“算法”就是，只要未发出停机指令就执行以下步骤：（

3、1）获得指令；（2）指令解码；（3）执行指令。“煮鸡蛋吃”算法如下：（1）从冰箱里取一枚鸡蛋；（2）将鸡蛋放进煮锅；（3）锅里加水直到盖满鸡蛋；（4）持续给锅加温直到沸腾为止；（5）停止加温取出鸡蛋；（6）将鸡蛋放入凉水浸泡1分钟；（7）敲破鸡蛋壳，去除全部蛋壳；（8）将去壳后的鸡蛋一口一口吃掉。“遛小狗”算法：（1）给小狗套上狗绳，（2）出门上路；（3）如果遇到树小狗在逗留，则等待小狗尿尿；（4）继续前进，如果遛狗时间没有达到规定的时间，则继续遛狗转（3），否则返回。“揲蓍成卦”算法：揲蓍，古代问卜的一种方式，用手

4、抽点蓍草茎的数目，以决定吉凶祸福。其法为，大衍之数五十，其用四十有九，分而为二以象两，挂一以象三，揲之以四以象四时，归奇于劫以象闰，五岁再闰，故再营而后卦。是故四营而成易（爻），十有八变而成卦。八卦而小成，引而伸之，触类而长揲，天下之能事毕矣。如果强调精确性，那么实际卦象生成算法如下（重复如下三变步骤之六遍，共计十八变）：（1）大衍之数50，其用49：50根蓍草，去其1而不用，令可用之数s=49，余数之和t=0，循环如下操作三变：（2）分二（分而为二以象两）：余49根随意分为左右两堆（天意）（3）挂一（挂一以象三）：

5、从右堆中取出1根（4）揲四（揲之以四以象四时）：对左右两堆均以四根一组数之，令其为新的可用之数s（5）归奇（归奇于扐以象闰）：t=t+两堆得出的余数之和（6）（故四营而成易）：不到三变转（2）（7）根据y=（49-t）/4来决定一个爻画：y=7（少阳）、8（少阴）、9（老阳）、6（老阴）通过上述几个算法例子，我们不难了解算法的一些特点。但作为机器系统能够严格精确执行的操作步骤集合，我们必须对算法下一个严格的定义：算法是一组明确的、可以直接执行之步骤的有限有序集合。（1）有序性：算法中所有步骤均规定有执行顺序的；（2）

6、有限性：算法中的步骤是有限的；（3）明确性：集合中的每条指令均是明确的、可以直接执行的步骤。有时候，我们还会要求每一个算法不但构成步骤是有限的，而且还要求这些步骤的动态执行也是在有限时间中能够结束的，即所谓（4）终止性。不过，对于特殊算法，有时候我们却需要永不终止，如操作系统。关于这个话题，更多地涉及到计算理论的内容，并跟算法效率的讨论有关。我们不做展开了。对于算法而言，还有一个重要的方面就是一定区分算法内涵与算法描述之间的区别。算法的内涵是指一个算法所固有的功能本质，完成某一任务的具体步骤及其内在联系。而算法的描述

7、则是具体给出的一种表示方式。一个算法可以有不同的描述文本，这些描述文本完成的任务完全一致，因此代表着一个相同的抽象本质。就好像一本书与一个故事的区别，一个故事可以写成不同版本的书，而这不同版本的书却讲述的是同一个故事。算法的抽象本质，是任务固有的复杂本性所决定的，而算法的表示只是完成这一任务之算法的一种具体描述。如果我们考虑到算法的执行问题，还需要区分程序、算法与进程三者的关系。程序是算法的描述，进程是执行程序的活动，而执行一个程序就是执行这个程序所表达的算法，因此进程是算法执行活动。最后，对于算法，还要考虑算法的效

8、率与正确性问题。效率是指执行一个算法所要花费的时空代价。时间代价是指算法执行中花消的时间，而空间代价是指算法执行中花消的内存。当然，一般我们仅仅从理论上来讨论算法的效率，并不考虑具体的机器系统，加上空间代价可以转化为时间代价。因此，在考虑算法的效率时，主要查看对于给定的输入数据规模，一个算法需要动态执行多少个计算步骤，称为算法的计算复杂性。算法