智能科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論-周昌樂-第07講 思維能力

1、第07講思維能力講思維能力導(dǎo)語導(dǎo)語公元1997年5月11日，星期一，北京時(shí)間凌晨4時(shí)50分，一臺(tái)美國ＩＢＭ公司的“深藍(lán)”超級(jí)計(jì)算機(jī)將棋盤上的一個(gè)兵走到Ｃ４位置時(shí)，世界國際象棋冠軍加里卡斯帕羅夫不得不沮喪地承認(rèn)自己輸給了沒有情感和思想的機(jī)器對(duì)手。消息傳出，一時(shí)輿論嘩然，人們不禁要問，“深藍(lán)”是如何會(huì)戰(zhàn)勝人類最優(yōu)秀的棋手的呢？這是否真的意謂著人類思維能力將在機(jī)器面前喪失最后的優(yōu)勢(shì)呢？為了能夠回答這些問題，讓我們從簡(jiǎn)單智力游戲的機(jī)器求解開始。

2、第7.1節(jié)智力游戲節(jié)智力游戲?yàn)榱苏f明目前機(jī)器所具備的思維能力，我就從早期人工智能相對(duì)集中開展的有關(guān)智力游戲說起，看看機(jī)器到底是如何進(jìn)行問題求解的。首先讓我們來看一個(gè)具體的八數(shù)碼難題的智力問題。如圖所示，在３３個(gè)格圖中置入１到８這八個(gè)數(shù)碼，問題要求對(duì)于任意事先設(shè)定的兩種格局，你是否能單靠一步一步挪動(dòng)數(shù)碼（利用空格進(jìn)行）來建立起從一種設(shè)定的格局轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N設(shè)定格局的完整步驟。這個(gè)問題有點(diǎn)類似于我們小時(shí)候常常游玩的“華容道”游戲，你必須想方設(shè)

3、法將曹操從圍困中解救出來。只是對(duì)于八數(shù)碼問題來說，其格圖布置要比“華容道”游戲更簡(jiǎn)明一些。因此，對(duì)于智力正常的人而言，顯然是不難解決這樣的問題的。三國華容道游戲比如我們可以通過狀態(tài)空間遍歷搜索策略來解決這一問題。這種解法的思想就是，我們對(duì)所有可能走出的格局全部依次列出，然后尋找一條能夠在兩種設(shè)定格局之間連接起來的途徑，那么這條路徑所經(jīng)過的格局，依次就構(gòu)成了溝通兩種設(shè)定格局轉(zhuǎn)變的完整步驟。前面下圖給出的就是上圖八數(shù)碼問題的一種解步驟，可以

4、讓機(jī)器自動(dòng)去完成。更一般地，為了方便滿足機(jī)器算法實(shí)現(xiàn)上的要求，我們還可以通過設(shè)置一些基本的格局單步變換規(guī)則，來使機(jī)器具有通用八數(shù)碼問題的解題能力。此時(shí)機(jī)器可以對(duì)任意給定的初始格局和終結(jié)格局，靠運(yùn)用固定的變換規(guī)則，求解出其間完整的步驟路徑。很顯然，只要給出的具體格局之間有解的路徑存在，那么采用上述策略，機(jī)器照樣可以勝任工作，頂多花費(fèi)多一點(diǎn)時(shí)間而已。但如果讓人來進(jìn)行足夠大的數(shù)碼問題的求解，不管你有多么快的思考速度，要按照這里的思路去解題，恐

5、怕你會(huì)力不從心了。這其實(shí)就是人與機(jī)器在求解問題中的一個(gè)顯著差別，當(dāng)然也是機(jī)器所固有的一個(gè)最大優(yōu)勢(shì)：具有十分強(qiáng)大的計(jì)算和搜索能力。利用狀態(tài)空間搜索方法，原則上我們可以讓機(jī)器解決一大類智力游戲問題。只要為機(jī)器找到反映問題本身狀態(tài)（格局）及其變化規(guī)則，然后利用機(jī)器無比驚人的搜索能力去尋找解路徑。例如一個(gè)稍微復(fù)雜的問題是所謂尋找“獨(dú)立鉆石棋”解的問題，如圖所示。（ａ）棋盤初始（ｂ）棋位編碼獨(dú)立鉆石棋獨(dú)立鉆石棋是一個(gè)人獨(dú)自下棋的游戲，在有33個(gè)方

6、格的棋盤上，共有32個(gè)棋子，棋子的移動(dòng)規(guī)則為：一個(gè)棋子以豎直或水平方向跳過與其相鄰的棋子且正好落于空位，那么就可以去掉那個(gè)被跳過的棋子（這一步驟稱為吃子）。如果你通過不斷運(yùn)用這唯一的規(guī)則能將棋盤上的棋子吃剩一個(gè)并且其剛好位于棋盤中央，那么你就獲勝。很明顯，如果你真正理解了剛才八數(shù)碼問題的解題策略的話，那么無疑你就可以如法炮制，通過找出所有可能到達(dá)終結(jié)狀態(tài)的棋局狀態(tài)的搜索來解決獨(dú)立鉆石棋的求解問題。右圖給出了這一問題求解狀態(tài)空間的一個(gè)片斷

7、。grasp狀態(tài)空間圖如右。不過，如果現(xiàn)在假設(shè)猴子是一臺(tái)機(jī)器，而要讓你編制一個(gè)程序，使得這臺(tái)機(jī)器能通過搬動(dòng)箱子和走動(dòng)，來取到香蕉。有沒有其他更通用的方法求解這一個(gè)問題呢？稍深入分析，不難發(fā)現(xiàn)，這個(gè)問題可以歸結(jié)為如下四個(gè)子問題：（１）猴子從位置ａ走到位置ｂ；（２）猴子把箱子從位置ｂ推到位置ｃ；（３）猴子爬上箱頂；（４）猴子摘取香蕉。如果我們能夠得到這四個(gè)子問題的一組解答，那么我們也就求得了原問題的解答。因此，也可以采用歸約方法來求解猴子香

8、蕉問題（我們將采用一種與或圖問題分解表示方法）。（1）初始問題表示為（a，0，b，0，F(xiàn)，G）其中F=（f1，f2，f3，f4），f1=goto（U），f2=pushbox（V），f3=climbbox，f4=grasp；G為狀態(tài)集。（2）滿足解的關(guān)鍵條件是末位狀態(tài)變量的值為1，現(xiàn)初始狀態(tài)顯然不滿足，于是產(chǎn)生差別。解決的關(guān)鍵算符是f4=grasp，于是可用f4來歸約初始問題，得到如下子問題：（（a，0，b，0），Gf4）（f4（s1），

9、G）其中Gf4是適合于f4處理的狀態(tài)集，而s1為Gf4中通過求解第一個(gè)子問題可以得到的狀態(tài)。（3）進(jìn)一步分析s1與Gf4之間差別，依次可以找到關(guān)鍵算符f3，f2、f1，最終可以歸約為原子問題，結(jié)果給出解序列為goto（b），pushbox（c），climbbox，grasp。猴子香蕉問題的與或圖能夠靠歸結(jié)方法解決問題，這就使得機(jī)器的解題能力和范圍大大提高和擴(kuò)大了。即使是一個(gè)實(shí)際生活中的復(fù)雜問題，你只要能夠?qū)⑵浞纸饣驓w結(jié)為某些機(jī)器能夠解決

10、的子問題，那么原則上機(jī)器就可以解決這樣的實(shí)際問題。但實(shí)際上，在許多情況下這種歸結(jié)求解問題的方法也會(huì)失效。例如設(shè)有一條狗，主人扔給他的一塊肉骨頭不巧飛過柵欄落入了鄰居的院子里。狗隔著柵欄能看到骨頭，而在離骨頭約十多米遠(yuǎn)處有扇開著的門。此時(shí)狗會(huì)繞道通過門去取骨頭嗎？看來要構(gòu)造全部狀態(tài)搜索空間是不可能的事，按照“縮短目標(biāo)距離”的優(yōu)化方法也不可能讓狗啃到骨頭，而這一問題又難以分解歸結(jié)，除非狗自己知道某種背離目標(biāo)的子問題的實(shí)現(xiàn)是有助于接近目標(biāo)的。

11、此時(shí)需要某種根據(jù)局勢(shì)的審定來正確地選擇問題的表述，但機(jī)器卻缺乏這種整體局勢(shì)判斷能力，機(jī)器只能根據(jù)表述好的問題去求解。從這個(gè)意義上講，說到底機(jī)器所解決的任何問題，實(shí)際上也是人解決的，是人設(shè)計(jì)好了解決問題的方案和程序，借用搜索和計(jì)算能力蠻勁十足的機(jī)器作為工具去解決問題的，除非有朝一日機(jī)器能夠解決“解決問題”的問題，自己會(huì)設(shè)計(jì)解決問題的方案、策略以及程序。第7.2節(jié)難倒深藍(lán)節(jié)難倒深藍(lán)了解了機(jī)器求解問題的基本原理和策略后，現(xiàn)在我們可以回到“深藍(lán)