人工智能与问题解决方法

我们生活在一个速变的、快节奏的时代。每个人至少有一台电子设备，如智能手机、笔记本电脑等，这些设备是每个人生活中必不可少的。每个人都耐心有限，希望无需做大量复杂的调查就快速得到结果（如谷歌）。学生在上课时毫无顾忌地打开这些设备，老师也不知道他们是在发短信、玩社交网络还是在解决手头问题，注意力总是难以集中。我们总是被一些不太重要的小事情分散注意力。最后，当我们要完成日常任务时才发现我们的生活似乎是由一些琐碎的、不连续的小片段构成的。一个人一直在桌旁不受打扰地静坐几个小时的想法在我们当前的社会显得有些另类。毅力、尝试、调查、求知，甚至连最简单的思考正在渐渐成为过去。显然，我们不会从这个技术时代回头，也不会摆脱对这种技术的依赖。然而孩子成绩下降的消息一遍又一遍地在我们耳边响起。

衡量智力的一个角度是解决问题的能力，另一个角度是一个个体或群体如何在逆境中生存。因此我们自然会想到，如果有人“关掉电源”，我们的社会和孩子将会怎样？

此时有一本解决不一般的、偶尔难以解决的问题的书就显得很有必要，因为它能满足一些相关读者的需求。这本书将学生经常在计算机科学、数学和人工智能课程上遇到的有趣的、有挑战性的问题汇集到了一起。这些问题并不是新问题，但是来自不同背景的学生都可以从解决这些问题的推导思想中受益。这本书的另一部分读者是要寻找这些问题解决方案的计算机科学、数学或人工智能课程的教师。本书不仅提供了解决方案，还探究了计算机科学和人工智能中解决这些问题的各种思想、方法和应用。此外，对解决方案能否经得起人类检验的思考（即“人类窗口”的概念）可以加深对问题及问题解决方案应该如何提出的理解。这本书对于那些希望提高自己问题解决能力的人来说也很有帮助。毫无疑问，今天的年轻人很快就会发现他们缺乏这些基本技能，而这本书在他们练习和提高问题解决能力的时候随时可以提供帮助资源，并且有助于他们形成并保持终身学习的能力。

本书的另一个特色是它对那些已证明人类难以解决并需要计算机辅助解决的问题进行了描述、分析，并提供了解决方案：第13章讲解数独问题，第14章讲解图画着色和色块数问题，第15章讲解密码学问题，第16章讲解图的随机游动与蒙特卡罗方法。

必须强调的是，这本书并不是关于快速解决问题的。技术性问题的解决，无论是学习下棋、成为一名合格的小提琴手，还是读这本书，都是需要时间的。所以准备好享受、学习、获益和成长吧！

Danny Kopee

Merrick,NY

2016年6月

前言

第1章 简介 1
1.1 本书目的 1
1.2 背景和以前的工作 2
1.3 本书贡献 3
1.4 参考文献 3
PART I 传统人工智能问题 5
第2章 解决问题 6
2.1 波利亚用于解决问题的五步法 6
2.2 问题解决技术 9
2.2.1 启发法/启发式 13
2.2.2 解决问题的其他启发式 15
2.3 人类窗口 15
2.4 人类窗口标准和方案分类 17
2.5 分类 19
2.6 参考文献 19
第3章 传教士和野人问题 21
3.1 背景 21
3.2 选择恰当的问题表示 22
3.3 解决方案 24
3.4 人类问题解决 27
3.5 人类窗口分析解决方案 30
3.5.1 最佳人类窗口匹配
解决方案 31
3.5.2 最差人类窗口匹配
解决方案 33
3.6 最佳机器解决方案 34
3.7 相关问题 34
3.8 可体验程序 35
3.9 参考文献 35
第4章 12硬币问题 37
4.1 背景 37
4.2 解决一个较简单的问题 38
4.3 解决方案 41
4.4 人类问题解决 45
4.5 人类窗口分析解决方案 46
4.5.1 最佳人类窗口匹配解决方案 47
4.5.2 最差人类窗口匹配解决方案 48
4.6 最佳机器解决方案 50
4.7 可体验程序 50
4.8 参考文献 51
第5章 密码算术问题 52
5.1 背景 52
5.2 问题解决技术 52
5.3 解决方案 53
5.4 人类问题解决 62
5.5 人类窗口分析解决方案 62
5.5.1 最佳人类窗口匹配解决方案 64
5.5.2 最差人类窗口匹配解决方案 64
5.6 最佳机器解决方案 65
5.7 相关问题 66
5.8 可体验程序 67
5.9 参考文献 67
第6章 红驴拼图问题 69
6.1 背景 69
6.2 解决方案 70
6.3 人类问题解决 73
6.4 人类窗口分析解决方案 74
6.4.1 最佳人类窗口匹配解决方案 75
6.4.2 最差人类窗口匹配解决方案 77
6.5 最佳机器解决方案 78
6.6 相关问题 79
6.7 可体验程序 79
6.8 参考文献 79
第7章 15拼图问题 81
7.1 背景 81
7.2 问题解决技术 82
7.3 解决方案 82
7.3.1 求解第一行 82
7.3.2 角技术 85
7.3.3 求解第二行 87
7.3.4 求解第三行 87
7.3.5 求解第四行 89
7.4 人类窗口分析解决方案 90
7.4.1 最佳人类窗口匹配解决方案 91
7.4.2 最差人类窗口匹配解决方案 92
7.5 最佳机器解决方案 93
7.6 相关问题 94
7.7 可体验程序 94
7.8 参考文献 94
第8章 骑士旅行问题 96
8.1 背景 96
8.2 问题解决技术 97
8.3 解决方案 97
8.4 人类问题解决 103
8.5 人类窗口分析解决方案 103
8.5.1 最佳人类窗口匹配解决方案 105
8.5.2 最差人类窗口匹配解决方案 105
8.6 最佳机器解决方案 107
8.7 相关问题 107
8.8 可体验程序 108
8.9 参考文献 108
第9章 神机妙算问题 109
9.1 背景 109
9.2 问题解决技术 110
9.3 解决方案 110
9.3.1 例1 111
9.3.2 例2 112
9.3.3 例3 114
9.3.4 例4 116
9.4 人类问题解决 117
9.5 人类窗口分析解决方案 117
9.6 最佳机器解决方案 118
9.7 相关问题 118
9.8 可体验程序 119
9.9 参考文献 119
第10章 蒙提霍尔问题 120
10.1 背景 120
10.2 问题解决技术 121
10.3 解决方案 122
10.4 人类问题解决 122
10.5 相关问题 122
10.6 参考文献 123
第11章 魔方问题 124
11.1 背景 124
11.2 问题解决技术 125
11.3 解决方案 125
11.3.1 魔方组件 126
11.3.2 子目标1：顶部十字 129
11.3.3 子目标2：顶面角 130
11.3.4 子目标3：中间层 132
11.3.5 子目标4：新顶部十字 133
11.3.6 子目标5：新顶部角 135
11.3.7 子目标6：正确角块定位 136
11.3.8 子目标7：顶部边 137
11.4 人类问题解决 138
11.5 人类窗口分析解决方案 139
11.5.1 最佳人类窗口匹配解决方案 140
11.5.2 最差人类窗口匹配解决方案 141
11.6 最佳机器解决方案 143
11.7 可体验程序 144
11.8 参考文献 144
第12章 囚徒困境问题 146
12.1 传统问题 146
12.2 重复的囚徒困境 148
12.3 在不同领域的应用 148
12.4 相关问题 150
12.5 参考文献 150
PART II 需要计算机求解的问题 151
第13章 数独 152
13.1 背景 152
13.2 数学分析 153
13.3 问题解决技术和策略 157
13.4 真实生活实验 160
13.5 计算机解决方案算法 163
13.6 人类窗口分析解决方案 164
13.6.1 最佳人类窗口匹配解决方案 165
13.6.2 最差人类窗口匹配解决方案 170
13.7 在线可体验程序 171
13.8 参考文献 171
第14章 图画着色和色块数 173
14.1 背景 173
14.2 说明定理 174
14.3 早期尝试证明 176
14.4 事件导致的四色问题的定义和
解决方案概述 177
14.5 样本代码的证明 179
14.6 参考文献 180
第15章 密码学 181
15.1 背景 181
15.2 对称加密 182
15.3 公钥加密 184
15.4 RSA加密 185
15.5 关于RSA加密系统的问题 186
15.5.1 RSA实现实例 187
15.5.2 RSA的安全性和攻击 187
15.6 参考文献 188
第16章 图的随机游动与蒙特卡罗方法 190
16.1 简介 190
16.2 推理应用程序 192
16.3 在图上的随机游动 193
16.4 马尔可夫链和蒙特卡罗方法 194
16.5 参考文献 195
PART III 各种各样的小问题及导出理论 197
第17章 各种各样的问题 198
17.1 暗处的纸牌/硬币 198
17.1.1 暗处的纸牌 198
17.1.2 硬币版的问题 200
17.1.3 参考文献 200
17.2 十大海盗和他们的黄金 200
17.3 霍尔姆斯握手问题 203
17.4 随机的航空座位问题 208
17.5 生日问题 210
17.6 新的人工智能技术 211
17.6.1 深层学习 211
17.6.2 卷积神经网络 212
17.6.3 深度信念网络 213
17.6.4 参考文献 214
第18章 结论：导出解决问题的理论 217
18.1 人类窗口研究 217
18.2 经验教训 217
18.2.1 传教士和野人问题 218
18.2.2 12硬币问题 219
18.2.3 密码算术问题 219
18.2.4 红驴拼图问题 220
18.2.5 15拼图问题 220
18.2.6 骑士旅行问题 220
18.2.7 神机妙算问题 220
18.2.8 蒙提霍尔问题 221
18.2.9 魔方问题 221
18.2.10 囚徒困境问题 221
18.2.11 各种各样的问题 221
18.3 回顾、结论和未来的工作 221
18.4 参考文献 222
18.5 复合性网站的问题 224

1. 嵌入式人工智能技术应用（数字教材） [主编 胡娜 杨国勇 晏廷荣]
2. 人工智能应用 [主编　陈　萍　刘培培　陈孟军]
3. 人工智能开发框架应用 [主编 王明超 芦娅云]
4. 人工智能技术导论 [主编 刘军 赵守凯 林海]
5. 人工智能应用系统开发项目化教程 [主编 杨家慧 周永福 魏育华]
6. 从石器时代到智能时代—青少年人工智能启蒙 [丁红　著]
7. 人工智能技术与机器人 [主编　邵克勇]
8. 人工智能基础 [周永福 韩玉琪 王巧巧]
9. 人工智能应用基础 [主编 杨缨 李佳]
10. 人工智能概论（第二版） [主编　任云晖　丁红　徐迎春 ]
11. 人工智能基础 [主编 余平 张春阳]
12. 人工智能导论 [主编 王飞 潘立武]
13. 人工智能算法与实践 [主编　梁琨　张翼英]
14. 人工智能概论（第二版） [张广渊　周风余　朱振方　著]
15. 多智能体系统建模、仿真及应用 [赵春晓　魏楚元　著]
16. 人工智能导论 [主编　张翼英　张茜　张传雷]
17. 人工智能概论 [主编　任云晖　丁红　徐迎春]
18. 人工智能概论 [张广渊 周风余 著]
19. 人工智能改变世界：走向社会的机器人 [刘进长　雷瑾亮　著]
20. 人工智能与专家系统（第二版） [尹朝庆]