Задачи по теме «Искусственный интеллект» в школьной информатике

Лялин Андрей Васильевич старший преподаватель, кафедра прикладной математики и информатики, Вятский государственный университет 610000, Россия, Кировская область, г. Киров, ул. Московская, 36 Lialin Andrei Vasilevich Senior Lecturer of Applied Mathematics and Computer Science Department, Vyatka State University 610000, Russia, Kirov region, Kirov, Moskovskaya str., 36 lialinandrei@rambler.ru

Введение

Искусственный интеллект – одно из самых перспективных направлений информатики. Здесь создают программы, которые распознают текст и речь, переводят с одного языка на другой, выявляют плагиат, рекомендуют фильмы, книги или музыку, ищут информацию в Интернете, управляют роботами, прогнозируют курс акций, доказывают теоремы, играют в шахматы, выносят медицинский диагноз и так далее и так далее. А в нескольких словах, здесь изучают то, «как заставить компьютеры делать вещи, которые в настоящее время лучше делают люди» ^{[1, с.3]}.

Интеллектуальные системы являются обязательной и фундаментальной областью в рекомендациях по преподаванию информатики, составленных объединённой комиссией ACM и IEEE Computer Science ^[2]. По ним обучают студентов многих американских и европейских высших учебных заведений.

Однако в российских школьных учебниках по информатике тема искусственного интеллекта затрагивалась давно и только дважды. Это учебник В. А. Каймина 1989 г. ^[3] и учебник И. Г. Семакина 1998 г. ^[4]. В том и другом дан общий обзор и рассказано о языке программирования Пролог.

В настоящее время, если не считать единственный элективный курс Л. Н. Ясницкого ^[5], вопросы, которые касаются искусственного интеллекта, не рассматриваются в общеобразовательной информатике. Хотя они могли бы стать источником реальных, осмысленных, естественных, посильных и интересных для школьников задач. Их примеры приводятся ниже.

Пример 1. Кластеризация

Кластеризация – это разбиение объёктов на группы. Каждая группа должна состоять из схожих объектов, а объекты из разных групп существенно отличаться.

Кластеризацию используют, например, в рекомендательных системах. Пользователей разбивают на группы и каждому рекомендуют те товары, фильмы, музыку, книги, которые покупают, смотрят, слушают, читают его «одногруппники».

Допустим, известны оценки нескольких пользователей за два фильма (рис. 1). По рисунку видно, что их легко разбить на три группы.

Рисунок 1. Оценки пользователей за два фильма.

Конечно, когда пользователей и фильмов больше, визуально разбиение не сделать. Для этого придумано множество алгоритмов кластеризации.

Например, алгоритм кластеризации с помощью минимального остовного дерева. На точках строим минимальное остовное дерево. Пусть их необходимо разделить на k кластеров. Тогда из дерева удаляем (k-1) самых длинных рёбер. Оно распадается ровно на k поддеревьев, которые и будут кластерами.

Задание

1. Дайте определение минимального остовного дерева. Вы должны понимать все слова, которые встретится в определениях.

2. Сформулируйте известный алгоритм Крускала для построения минимального остовного дерева.

3. Выполните вручную для точек с рисунка алгоритм Крускала. А именно, нарисуйте все рёбра и укажите, в каком порядке они появлялись. Удалите два самых длинных ребра из полученного дерева. Пользователи разделятся на три группы.

Пример 2. Классификация

Классификация ­­– это отнесение нового объекта к одному из данных классов.

Один из самых простых алгоритмов классификации называется алгоритмом k ближайших соседей.

Например, мы хотим построить систему, которая решает, выдавать человеку кредит или не выдавать, относится он к классу «хороших» или к классу «плохих» клиентов.

Нам известна история банка (рис. 2). Клиенты, обозначенные зелёными кружками, в прошлом возвращали деньги, а красными – не возвращали.

Рисунок 2. История банка.

Приходит новый клиент – жёлтый кружок. Что с ним делать? Находим k его ближайших соседей. Пусть k=3. Если среди них больше зелёных, то одобряем кредит, а если больше красных – отказываем.

Конечно, реальные системы включают тысячи клиентов и смотрят не только на их расходы и доходы.

Задание

1. Пусть новый клиент имеет доход 14, а расход 2. В алгоритме k ближайших соседей параметр k=5. Какой ответ выдаст алгоритм для этого клиента и почему?

2. Почему параметр k лучше брать нечётным?

3. Пользователь вводит доход и расход клиента. Программа, с помощью алгоритма k ближайших соседей при k=3, сообщает, выдавать ему кредит или нет. Решите задачу в МS Excel. Данные возьмите с рисунка. Сохраните их на листе.

Пример 3. Распознавание

В текстовом файле хранится «картинка» из черных и белых клеток (рис. 3). Чёрные клетки обозначены 1. Белые – 0. Мы считываем её в двумерный массив.

Рисунок 3. Пример «картинки» и текстового файла для неё.

Задание

На «картинке» – цифра. Придумайте алгоритм и напишите программу, которая распознаёт, какая именно это цифра. Как их размер, так и расположение может быть любым. Но рисуются они только вертикальными и горизонтальными сплошными отрезками толщиной в одну клетку (рис. 4).

Рисунок 4. Примеры написания цифр.

Пример 4. Управление

Пусть у хулигана есть три детектора. Детектор силы срабатывает, если прохожий может защитить себя. Детектор людей – если на улице есть кто-то ещё, кроме прохожего. Детектор денег – если закончились деньги. Детектор, который сработал, выдаёт сигнал 1. Иначе – 0.

Хулиган нападает на прохожего, если тот не может защитить себя, вокруг никого нет и закончились деньги. В остальных случаях – просто наблюдает.

Задание

Постройте и обучите «вручную» нейронную сеть, которая будет управлять таким поведением хулигана. На ёё входе – три детектора. На выходе – один командный сигнал. Он равен 1, если хулиган нападает, и 0 – если нет.

Подсказка. Здесь достаточно взять нейронную сеть, состоящую всего из одного слоя и одного нейрона.

Выводы

Нетекстовая задача уже сформулирована на языке той области знаний, средствами которой она может быть решена, а текстовая задача требует перевода её условия на этот язык ^{[6, с. 10]}.

Например, следующая задача из школьного учебника по информатике под авторством К.Ю. Полякова и Е.А. Еремина является нетекстовой. «Заполните массив случайными числами в диапазоне 20..100 и посчитайте отдельно число элементов с чётными и нечётными значениями» ^{[7, с.170]}.

В своей работе ^[8] польский педагог В.Оконь озвучил и обосновал следующий тезис.

Образование тем успешнее и тем больше развивает интеллект, чем больше ученик попадает на тот путь, по которому идёт учёный в ходе исследования (рис.5).

Рисунок 5. Полный цикл научного познания

Что случится, если предлагать школьникам только нетекстовые задачи?

Они окажутся выключенными из самого первого, важного и интересного шага на этом пути. У них не будет «условий и возможностей учиться самим ставить проблемы и формулировать специальные вопросы – налицо явная ущербность в развитии мыслительной культуры» ^[9].

Приведённые выше задачи из области искусственного интеллекта как раз являются текстовыми. Кроме знакомства с «внутренней кухней» искусственного интеллекта, они приближают обучение к деятельности учёного, а значит, способствуют интеллектуальному развитию учеников.