人工智能介绍章

1人工智能的基本内容•人工智能基本概念、方法和技术•基本技术：知识表示、推理、搜索、规划•人工智能的主要研究、应用领域•机器感知：机器视觉；机器听觉；自然语言理解；机器翻译•机器思维：机器推理•机器学习：符号学习；连接学习•机器行为：智能控制•智能机器：智能机器人；机器智能•智能应用：博弈；自动定理证明；自动程序设计•专家系统；智能决策；智能检索；智能CAD；智能CAI•智能交通；智能电力；智能产品；智能建筑等•人工智能新技术•计算智能：神经计算；模糊计算；进化计算；自然计算•人工生命：人工脑；细胞自动机•分布智能：多Agent,群体智能•数据挖掘：知识发现；数据挖掘•一个新兴的“智能科学与技术学科”正在兴起2本课程的主要内容•第1章：人工智能概述•定义，产生过程，基本内容，不同学派，研究和应用领域，近期发展分析•第2章：知识表示方法•谓词，产生式，语义网络、框架等•第3章：确定性推理•自然演绎推理，归结推理，基于规则的演绎推理•第4章：搜索策略•状态空间的盲目搜索，状态空间的启发式搜索•第5章：计算智能•神经计算，进化计算，模糊计算•第6章：非确定性推理•确定性理论，主观Bayese方法，证据理论，模糊推理•第7章：机器学习•符号学习，连接学习•第8章：自然语言理解•词法分析，句法分析，语义分析•第9章：分布智能•多Agent技术，移动Agent技术•第10章：高级专家系统•模糊专家系统，神经网络专家系统，基于Web的专家系统，分布式和协同式专家系统3物质、能量、信息和智能•构成宇宙的三大要素：•三大要素：物质、能量与信息•信息：是物质和能量的表现形式，是以物质和能量为载体的客观存在•三大要素的基本关系：•能量与物质之间的相互转换•能量之间的转换（电能--热能），物质之间的转换（粮食--酒）•能量转换为物质（电--光），物质转换为能量（煤--电）•信息是物质与能量的表现形式•物质与能量表现为信息，或者产生信息•信息可控制物质与能量的转换•信息能够控制物质、能量自身及相互之间的转换•三大要素与智能•人类的智能：物质(碳)+能量(生物电)→(生物)信息•人造的智能：物质(硅)+能量(物理电)→(电子)信息•产业革命及其意义•是物质与能量领域的革命，放大了人的体能4信息、知识和智能•信息、知识和智能•信息：是由数据表达的客观事实•知识：是由智力对信息进行加工后所形成的对客观世界规•律性的认识•智能：是指人类在认识客观世界中，由思维过程和脑力活•动所表现出的综合能力•三者之间的关系•信息：是形成知识的原料，是智能的加工对象•知识：是信息的关联，是由智能加工后的产品•智能：是信息到知识的一个加工器•信息革命及其意义•是信息与智能领域的革命，需要放大人的智能5第1章人工智能概述•AI的定义及其研究目标•AI的产生与发展•AI研究的基本内容•AI研究的不同学派•AI的主要研究和应用领域•AI近期发展分析•我国智能科学技术教育体系61.1AI的定义及其研究目标AI的定义•形式化定义•目前还没有•一般解释•人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能，或称机器智能•无形式化定义的理由•人工智能的严格定义依赖于对智能的定义•即要定义人工智能，首先应该定义智能•但智能本身也还无严格定义•因此，应先对人类的自然智能进行讨论7何谓智能（自然智能）•自然智能•指人类和一些动物所具有的智力和行为能力•人类的自然智能（简称智能）•指人类在认识客观世界中，由思维过程和脑力活动所表现出的综合能力。•人类大脑是如何实现智能的•两大难题之一：宇宙起源、人脑奥秘•对人脑奥秘知之甚少•对人脑奥秘知道什么•结构：1011-12量级的神经元，分布并行•功能：记忆、思维、观察、分析等•对智能的严格定义•有待于人脑奥秘的揭示，进一步认识8认识智能的观点•思维理论•智能来源于思维活动，智能的核心是思维，人的一切知识都是思维的产物。可望通过对思维规律和思维方法的研究，来揭示智能的本质。•知识阈值理论•智能取决于知识的数量及其可运用程度。一个系统所具有的可运用知识越多，其智能就会越高。•进化理论•是美国MIT的Brooks在对人造机器虫研究的基础上提出来的。智能取决于感知和行为，取决于对外界复杂环境的适应，智能不需要知识、不需要表示、不需要推理，智能可由逐步进化来实现。•不一致，从层次结构再认识9智能的层次结构•高层智能•以大脑皮层（抑制中枢）为主，主要完成记忆、思维等活动。•中层智能•以丘脑（感觉中枢）为主，主要完成感知活动。•低层智能•以小脑、脊髓为主，主要完成动作反应活动。•不同观点在层次结构中的对应关系•思维理论•知识阈值理论•进化理论中层智能和低层智能•包含哪些能力？高层智能10智能包含的能力（一）•感知能力•通过感知器官感知外界的能力。是人类获得外界信息的基本途径，其处理方式有以下两种：•感知--动作方式：对简单、紧急信息•感知--思维--动作方式：对复杂信息•记忆和思维能力•记忆：对感知到的外界信息和由思维产生的内部知识的存储过程•思维：对已存储信息或知识的本质属性、内部知识的认识过程•思维方式：•抽象思维（逻辑思维）：根据逻辑规则对信息和知识进行处理的理性思维方式。例如，逻辑推理等•形象思维（直感思维）：基于形象概念，根据感性形象认识材料对客观现象进行处理的一种思维方式。例如，图像、景物识别等•灵感思维（顿悟思维）：是一种显意识和潜意识相互作用的思维方式。例如，因灵感而顿时开窍11智能包含的能力（二）•学习和自适应能力•学习：是一个具有特定目的的知识获取过程•是人的一种本能。不同人的学习方法、能力不同•自适应：是一种通过自我调节适应外界环境的过程•是人的一种本能。不同人的适应能力不同•行为能力•含义：是人们对感知到的外界信息作出动作反应的能力•信息来源：由感知直接获得的外界信息•经过思维加工后的信息•实现过程：通过脊髓来控制•由语言、表情、体姿等来实现12何谓人工智能（一）•综合各种不同观点，可从能力和学科两个方面讨论•能力方面•人工智能就是用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能，或称机器智能•学科方面•是一门研究如何构造智能机器或智能系统，以模拟、延伸和扩展人类智能的学科•Turing测试•如下图所示。能分辨出人和机器的概率小于50%•Turing测试存在的问题•仅反映了结果的比较，无涉及思维过程•没指出是什么人13何谓人工智能（二）----Turing测试测试主持人被测机器被测人小于50%？14人工智能的研究目标•远期目标•揭示人类智能的根本机理，用智能机器去模拟、延伸和扩展人类的智能•涉及到脑科学、认知科学、计算机科学、系统科学、控制论等多种学科，并依赖于它们的共同发展•近期目标•研究如何使现有的计算机更聪明，即使它能够运用知识去处理问题，能够模拟人类的智能行为。•相互关系•远期目标为近期目标指明了方向•近期目标则为远期目标奠定了理论和技术基础151.2AI的产生与发展•50多年来，人工智能走过了一条起伏和曲折的发展道路。回顾历史，可以按照不同时期的主要特征，将其产生与发展过程分为5个阶段。•孕育期（1956年以前）•形成期（1956----1970年）•知识应用期（1970----20世纪80年代末）•从学派分离走向综合（20世纪80年代末到本世纪初）•智能科学技术学科的兴起（本世纪初以来）161.2AI的产生与发展孕育期（1956年以前）(1/2)•自远古以来，人类就有用机器代替人们脑力劳动的的幻想：公元前900多年我国有歌舞机器人流传的记载；公元前850年古希腊有制造机器人帮助人们劳动的神话传说•亚里斯多德（Aristotle，公元前384——322）：古希腊伟大的哲学家和思想家，创立了演绎法。他提出的三段论至今仍然是演绎推理的最基本出发点。•莱布尼茨(G.W.Leibnitz，1646——1716)：德国数学家和哲学家把形式逻辑符号化，奠定了数理逻辑的基础•图灵(A.M.Turing，1912——1954)：英国数学家，1936年创立了自动机理论，自动机理论亦称图灵机，是一个理论计算机模型。•莫克利(J.W.Mauchly，1907——1980)：美国数学家、电子数字计算机的先驱，与他的研究生埃克特(J.P.Eckert)合作，1946年研制成功了世界上第一台通用电子计算机ENIAC171.2AI的产生与发展孕育期（1956年以前）(2/2)•麦克洛奇(W.McCulloch)和皮兹(W.Pitts)：美国神经生理学家，于1943年建成了第一个神经网络模型(MP模型)。•维纳(N.Wiener，1874—1956)：美国著名数学家、控制论创始人。1948年创立了控制论。控制论向人工智能的渗透，形成了行为主义学派。•图灵又于1950年，发表题为《计算机能思维吗？》的著名论文，明确提出了“机器能思维”的观点。•可见，在人工智能诞生之前，一些著名科学家就已经创立了数理逻辑、神经网络模型和控制论，并发明了通用电子数字计算机。为人工智能的诞生准备了必要的思想、理论和物质技术条件。181.2AI的产生与发展形成期（1956--1970年）(1/3)•AI诞生于一次历史性的聚会•时间：1956年夏季•地点：达特莫斯(Dartmouth)大学•目的：为使计算机变得更“聪明”，或者说使计算机具有智能•发起人：•麦卡锡(J.McCarthy），Dartmouth的年轻数学家、计算机专家，后为MIT教授•明斯基(M.L.Minsky），哈佛大学数学家、神经学家，后为MIT教授•洛切斯特(N.Lochester)，IBM公司信息中心负责人•香农(C.E.Shannon)，贝尔实验室信息部数学研究员•参加人：•莫尔(T.more)、塞缪尔(A.L.Samuel)，IBM公司•塞尔夫里奇(O.Selfridge)、索罗蒙夫(R.Solomonff)，MIT•纽厄尔(A.Newell)，兰德(RAND)公司•西蒙(H.A.Simon)，卡内基(Carnagie)工科大学•会议结果：•由麦卡锡提议正式采用了“ArtificialIntelligence”这一术语191.2AI的产生与发展形成期（1956--1970年）(2/3)•心理学小组•1957年，纽厄尔、肖(J.Shaw)和西蒙等人的心理学小组研制了一个称为逻辑理论机(LogicTheoryMachine，简称LT)的数学定理证明程序。•1960年研制了通用问题求解(GeneralProblemSolving)程序。该程序当时可以解决11种不同类型的问题，如不定积分、三角函数、代数方程、猴子摘香蕉、河内梵塔、人—羊过河等。•IBM工程小组•1956年，塞缪尔在IBM704计算机上研制成功了具有自学习、自组织和自适应能力的西洋跳棋程序。这个程序可以从棋谱中学习，也可以在下棋过程中积累经验、提高棋艺。通过不断学习，该程序1959年击败了塞缪尔本人，1962年又击败了一个州的冠军。•MIT小组•1958年，麦卡西建立了行动规划咨询系统。•1960年，麦卡西又研制了人工智能语言LISP。•1961年，明斯基发表了“走向人工智能的步骤”的论文，推动了人工智能的发展。201.2AI的产生与发展形成期（1956--1970年）(3/3)•其他方面•1965年，鲁宾逊(J.A.Robinson)提出了归结（消解）原理。•1965年，费根鲍姆(E.A.Feigenbaum)开始研究化学专家系统DENDRAL。211.2AI的产生与发展知识应用期（1971--80年代末）(1/2)•失败的预言：•60年代初，西蒙预言：10年内计算机将成为世界冠军、将证明一个未发现的数学定理、将能谱写出具有优秀作曲家水平的乐曲、大多数心理学理论将在计算机上形成。•挫折和教训•在博弈方面，塞缪尔的下棋程序在与世界冠军对弈时，5局败了4局。•在定理证明方面，发现鲁宾逊归结法的能力有限。当用归结原理证明两个连续函数之和还是连续函数时，推了10万步也没证出结果。•在问题求解方面，对于不良结构，会产生组合爆炸问题。•在机器翻译方面，发现并不那么简