智能科学技术导论-周昌乐-第07讲 思维能力.docx

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1、第07讲思维能力导语公元1997年5月11日，星期一，北京时间凌晨4时50分，一台美国ＩＢＭ公司的“深蓝”超级计算机将棋盘上的一个兵走到Ｃ４位置时，世界国际象棋冠军加里·卡斯帕罗夫不得不沮丧地承认自己输给了没有情感和思想的机器对手。消息传出，一时舆论哗然，人们不禁要问，“深蓝”是如何会战胜人类最优秀的棋手的呢？这是否真的意谓着人类思维能力将在机器面前丧失最后的优势呢？为了能够回答这些问题，让我们从简单智力游戏的机器求解开始。第7.1节智力游戏为了说明目前机器所具备的思维能力，我就从早期人工智能相对集中开展的有关智力游戏说起，看看机器到底是如何进行问题求解的。首先让我们来看一个具体的八数

2、码难题的智力问题。如图所示，在３×３个格图中置入１到８这八个数码，问题要求对于任意事先设定的两种格局，你是否能单靠一步一步挪动数码（利用空格进行）来建立起从一种设定的格局转变为另一种设定格局的完整步骤。这个问题有点类似于我们小时候常常游玩的“华容道”游戏，你必须想方设法将曹操从围困中解救出来。只是对于八数码问题来说，其格图布置要比“华容道”游戏更简明一些。因此，对于智力正常的人而言，显然是不难解决这样的问题的。三国华容道游戏比如我们可以通过状态空间遍历搜索策略来解决这一问题。这种解法的思想就是，我们对所有可能走出的格局全部依次列出，然后寻找一条能够在两种设定格局之间连接起来的途径，那么

3、这条路径所经过的格局，依次就构成了沟通两种设定格局转变的完整步骤。前面下图给出的就是上图八数码问题的一种解步骤，可以让机器自动去完成。更一般地，为了方便满足机器算法实现上的要求，我们还可以通过设置一些基本的格局单步变换规则，来使机器具有通用八数码问题的解题能力。此时机器可以对任意给定的初始格局和终结格局，靠运用固定的变换规则，求解出其间完整的步骤路径。很显然，只要给出的具体格局之间有解的路径存在，那么采用上述策略，机器照样可以胜任工作，顶多花费多一点时间而已。但如果让人来进行足够大的数码问题的求解，不管你有多么快的思考速度，要按照这里的思路去解题，恐怕你会力不从心了。这其实就是人与机器

4、在求解问题中的一个显著差别，当然也是机器所固有的一个最大优势：具有十分强大的计算和搜索能力。利用状态空间搜索方法，原则上我们可以让机器解决一大类智力游戏问题。只要为机器找到反映问题本身状态（格局）及其变化规则，然后利用机器无比惊人的搜索能力去寻找解路径。例如一个稍微复杂的问题是所谓寻找“独立钻石棋”解的问题，如图所示。（ａ）棋盘初始（ｂ）棋位编码独立钻石棋独立钻石棋是一个人独自下棋的游戏，在有33个方格的棋盘上，共有32个棋子，棋子的移动规则为：一个棋子以竖直或水平方向跳过与其相邻的棋子且正好落于空位，那么就可以去掉那个被跳过的棋子（这一步骤称为吃子）。如果你通过不断运用这唯一的规则能

5、将棋盘上的棋子吃剩一个并且其刚好位于棋盘中央，那么你就获胜。很明显，如果你真正理解了刚才八数码问题的解题策略的话，那么无疑你就可以如法炮制，通过找出所有可能到达终结状态的棋局状态的搜索来解决独立钻石棋的求解问题。右图给出了这一问题求解状态空间的一个片断。独立钻石棋图解聪明的读者也许早已觉察到这种方法太机械蠢笨，许多绝对不可能获胜的状态棋局，就根本没有必要去搜索产生的。确实如此，机器在解决问题时，同人类解决问题时所采用的那种审时夺势和灵活机变的原则是大相径庭的。我的一位学生第一次下这种独立钻石棋时就是靠得直觉判断和有方向的选择完成了问题的解。如果试想这位学生采用这种机械的搜索方法去搜索，

6、那么恐怕劳其一生也未必能够找到通向成功的路径。当然，尽管机器有强大的搜索能力，但机器的计算速度总是有限度的，特别是对于搜索空间特别庞大的问题求解，如何避免不必要的计算搜索也是机器要更好地解决实际问题所面临的课题。经过科学家们的研究，作为一种改进，原则上机器也可以变得稍许“聪明”一点，虽然乃难逃机械搜索的巢臼，但确实可以避免许多不必要的搜索；特别那些会落入死胡同的路径，根本就不去搜索。为了做到这一点，在实际的机器算法实现中，对于任意一种棋局状态都先将其与终结状态进行比较，计算其间的差距，然后每次在向前生成新棋局状态时，只对最有希望（差距最小）的作进一步搜索发展，并依次类推，直到遇到终结状

7、态为止。只有在最佳棋局搜索发展失败时，才再去发展次佳棋局。如果为了保证不丢失正确的路径或多种解的可能，则要求能判断出每个棋局状态是否为无效棋局，而搜索只在有效棋局间展开。这样就可以避免大量不必要状态的试探。用这种方法，就需要有对所解问题本身的了解并在大量经验或知识的基本上设计出能巧妙估算出当前棋局好坏标准的策略和估算方法，从而更加有效地实现问题求解。对于独立钻石棋，采用这种新思想进行问题求解，可以得到的解为：5D，12L，3D，1R，18U，3