人工智能基础01-绪论.ppt
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1、人工智能原理,合肥工业大学计算机与信息学院王浩,主要教材与参考书,人工智能基础(第2版)蔡自兴、蒙祖强 编著高等教育出版社人工智能导论 王万良编著 高等教育出版社人工智能复杂问题求解的结构和策略(第4版)George F.luger 著 史忠植等译 机械工业出版社人工智能 Nils J.Nilsson著 郑扣根等译 机械工业出版社智能科学 史忠植著 清华大学出版社,目录,第一章绪论第二章知识表示 第三章搜索技术第四章推理技术第五章机器学习 第六章专家系统 第七章自动规划系统第八章 自然语言理解第九章 智能控制第十章 人工智能程序设计,人工智能的定义和发展人工智能的各种认知观人类智能与人工智能人
2、工智能的研究目标和内容人工智能研究的主要方法人工智能的研究和应用领域,1.1 人工智能的定义和发展,21世纪最具有发展前景和最具影响力的两大带头学科群:,生命科学群;,信息科学群;,人工智能:是上述两个学科群中最重要、最精彩、且最具前景的交叉领域,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.1 人工智能的定义 人工智能Artificial Intelligence,AI定义1.1 智能(Intelligent)人的智能是他们理解和学习事务的能力。智能是思考和理解能力而不是本能的做事能力。“一种非常广泛的精神能力,包括推理、计划、解决问题、抽象思维、领悟复杂思想、快速学习及吸取经验等”,1.1 人工智
3、能的定义和发展,1.1.1 人工智能的定义 智能是个体的不断学习、理解周围环境、对客观事物进行合理分析、判断并有效地处理周围环境的综合能力。这种综合能力包括:适应即改变周围环境的能力、获取知识的能力、理性及抽象思维的能力、理解关系的能力、评估和判断的能力、意识及创造力等。定义1.2 智能机器(Intelligent Machine)智能机器是一种能够呈现人类智能行为的机器。,1.1 人工智能的定义和发展,定义1.3 人工智能(Nilsson)人工智能是关于知识的科学(知识的表示、知识的获取以及知识的运用)。定义1.4 人工智能(学科)人工智能(学科)是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的
4、一个分支。它的近期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能,并开发相关理论和技术。,1.1 人工智能的定义和发展,定义1.5 人工智能(能力)人工智能(能力)是智能机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为,如判断、推理、证明、识别、感知、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。,The Turing Test,1950:Alan Turing的文章“Computing Machinery and Intelligence.”Mind,Vol.59,No.236,pp.433-460提出图灵测试,1.1 人工智能的定义和发展,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.2
5、人工智能的起源和发展1.孕育时期(1956年前)公元前384-322 亚里士多德(Aristotle)形式逻辑 三段论20世纪3040年代 数理逻辑 维纳(Wiener)、弗雷治、罗素等为代表对发展数理逻辑学科的贡献 计算模型 丘奇(Church)、图灵和其它一些人关于计算本质的思想,为人工智能的形成产生了重要影响。1943年 麦卡洛克和皮茨 神经网络模型 连接主义学派1948年 维纳 控制论 行为主义学派,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.2 人工智能的起源和发展2.形成时期(19561976年)1956年夏季,McCarthy、Minsky、Lochester、Shannon,人类历史
6、上第一次人工智能研讨会在美国的达特茅斯(Dartmouth)大学举行,标志着人工智能学科的诞生。1965年 Feigenbaum 专家系统 DENDRAL 1969年召开了第一届国际人工智能联合会议(International Joint Conference on AI,IJCAI),此后每两年召开一次。1970年人工智能国际杂志(International Journal of AI)创刊。,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.2 人工智能的起源和发展3.暗淡时期(19661974年)盲目乐观:机器翻译,定理证明(数学原理)、跳棋程序、模式识别(字符、积木结构)、通用解题程序(GPS)预
7、言:2000年机器智能超过人类 巨大困难:神经元数目1010,The spirit is willing but the flesh is weak(心有余而力不足)俄The wine is good but the meat is spoiled 1971年 詹姆士综合报告,“人工智能即使不是骗局,也是庸人自扰”,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.2 人工智能的起源和发展4.知识应用时期(19701988年)Feigenbaum 专家系统 1968年,DENDRAL 19721976年 MYCIN 1977年 第五届人工智能联合会议 知识工程(Knowledge Engineering)
8、1981年 日本 第五代智能计算机计划,1.1 人工智能的定义和发展,1.1.2 人工智能的起源和发展5.集成发展时期(1986年至今)专家系统问题:缺乏常识知识、应用领域狭窄、知识获取困难、推理机制单一、缺少学习能力、未能分布处理。机器学习、计算智能(神经计算、进化计算、自然计算、免疫计算、群计算)、智能体(Agent)、网络智能 三大流派:综合集成、优势互补、共同发展,1.1 人工智能的定义和发展,1.2 人工智能的各种认知观,1.2.1 人工智能的主要学派1.符号主义 又称逻辑主义(Logicism)、心理学派(Psychlogism)、计算机学派(Computerism)基本原理:物理
9、符号系统(即符号操作系统)假设和有限合理性原理。起源:数理逻辑 认为认知是一种符号处理的过程,人类思维过程也可用某种符号来描述,思维就是计算,认知就是计算。LISP语言、PROLOG语言、自然语言理解、机器定理证明、专家系统。,domains person,another=symbolpredicates likes(person,another).clauses likes(jack,sussan).likes(john,marry).likes(tom,cathy).likes(tom,ellen).likes(jack,X)if likes(tom,X).,【事实】Jack 喜欢 Sus
10、san John 喜欢 Marry Tom 喜欢 Cathy Tom 喜欢 Ellen【规则】如果Tom喜欢X,那么Jack喜欢X,1.2 人工智能的各种认知观,1.2.1 人工智能的主要学派2.连接主义 又称仿生学派(Bionicsism)、生理学派(Physiologism)基本原理:神经网络及神经网络间的连接机制和学习算法。起源:仿生学 人脑模型 认为人类认知活动主要基于大脑神经元的活动。,1.2 人工智能的各种认知观,1.2.1 人工智能的主要学派3.行为主义 又称进化主义(Evolutionism)、控制论学派(Cyberneticism)基本原理:控制论及感知-动作模式控制系统 起
11、源:控制论,1.2 人工智能的各种认知观,1.2.2 对人工智能的争论1.对人工智能理论的争论 符号主义:人的认知基元是符号,认知过程即是符号操作过程。AI的核心:知识表示、知识推理和知识运用 连接主义:人的思维基元是神经元。神经元连接的大脑工作模式 行为主义:只能取决于感知和行为。不需要知识、不需要推理。智能行为只能在现实世界中与环境交互作用而表现出来。2.对人工智能方法的争论 符号主义:功能模拟 连接主义:结构模拟 行为主义:行为模拟,1.3 人类智能与人工智能,1.3.1 研究认知过程的任务 探求高层次思维决策与初级信息处理的关系,并用计算机程序来模拟人的思维策略水平,而用计算机语言模拟
12、人的初级信息处理过程。,思维策略,初级信息处理,生理过程,计算机程序,计算机语言,计算机硬件,人类认知活动,计算机,1.3 人类智能与人工智能,1.3.2 智能信息处理系统的假设 令T表示时间变量,x表示认知操作,x的变化x为当前机体状态S(机体的生理和心理以及大脑的记忆等)和外界刺激R的函数。当外界刺激作用到处于某一特定状态的机体时,便发生变化,即 TT+1 x x+x x=f(S,R),1.3 人类智能与人工智能,1.3.2 智能信息处理系统的假设信息处理系统又叫符号操作系统或物理符号系统。所谓符号就是模式。一个完善的符号系统应具有下列6种基本功能:(1)输入符号(input);(2)输出
13、符号(output);(3)存储符号(store);(4)复制符号(copy);(5)建立符号结构:通过找出各符号间的关系,在符号系统中形成符号结构;(6)条件性迁移(conditional transfer):根据已有符号,继续完成活动过程。,1.3 人类智能与人工智能,1.3.2 智能信息处理系统的假设 如果一个物理符号系统具有上述全部6种功能,能够完成这个全过程,那么它就是一个完整的物理符号系统。人具有上述6种功能;现代计算机也具备物理符号系统的这6种功能。任何一个系统,如果它能表现出智能,那么它就必定能够执行上述6种功能。反之,任何系统如果具有这6种功能,那么它就能够表现出智能;这种智
14、能指的是人类所具有的那种智能。把这个假设称为物理符号系统的假设。,1.3 人类智能与人工智能,1.3.2 智能信息处理系统的假设物理符号系统3个推论推论一 既然人具有智能,那么他(她)就一定是个物理符号系统。人之所以能够表现出智能,就是基于他的信息处理过程。推论二 既然计算机是一个物理符号系统,它就一定能够表现出智能。这是人工智能的基本条件。推论三 既然人是一个物理符号系统,计算机也是一个物理符号系统,那么就能够用计算机来模拟人的活动。,1.3 人类智能与人工智能,1.3.3 人类智能的计算机模拟 物理符号系统假设的推论一告诉人们,人有智能,所以他是一个物理符号系统;推论三指出,可以编写出计算
15、机程序去模拟人类的思维活动。这就是说,人和计算机这两个物理符号系统所使用的物理符号是相同的,因而计算机可以模拟人类的智能活动过程。图灵测试,1.4 人工智能的研究目标和内容,1.4.1 人工智能的研究目标 一般研究目标:(1)更好地理解人类智能,通过编写程序来模仿和检验有关人类智能的理论。(2)创造有用灵巧的程序,该程序能够执行一般需要人类专家才能实现的任务。近期目标:建造智能计算机以代替人类的某些智力活动。远期目标:用自动机模仿人类思维活动和智力功能。,1.4 人工智能的研究目标和内容,1.4.2 人工智能研究的基本内容 1.认知建模 认知的5种类型:信息处理过程 心理上的符号计算 问题求解
16、 思维 诸如知觉、记忆、思考、判断、推理、学习、想象、问题求解、概念形成和语言使用等关联活动。认知科学(思维科学)说明人类在认知过程中是如何进行信息加工的。,1.4 人工智能的研究目标和内容,1.4.2 人工智能研究的基本内容 2.知识表示 人类知识概念化、形式化或模型化。3.知识推理 从一些已知判断或前提推导出一个新的判断或结论的思维过程。4.知识应用 专家系统、自然语言理解,,1.4 人工智能的研究目标和内容,1.4.2 人工智能研究的基本内容 5.机器感知 机器有类似于人的感觉,如机器视觉、机器听觉 6.机器思维 对传感信息和机器内部的工作信息进行有目的的处理。7.机器学习 使机器(计算
17、机)具有学习新知识和新技术,并在实践中不断改进和完善的能力。,1.4 人工智能的研究目标和内容,1.4.2 人工智能研究的基本内容 8.机器行为 智能系统(计算机、机器人)具有表达能力和行动能力。9.智能系统构建 开展对模型、系统构造与分析技术、系统开发环境和构造工具以及人工智能语言等的研究。,1.5 人工智能研究的主要方法,1.功能模拟法 以符号处理为核心对人脑功能进行模拟。2.结构模拟法 通过神经元之间的连接以及神经元间的秉性处理,实现对人脑智能的模拟。3.行为模拟法 智能行为的感知-动作模式。4.集成模拟法,1.6 人工智能的研究和应用领域,1.问题求解与博弈人工智能的第一个大成就是发展
18、了能够求解难题的下棋(如国际象棋)程序,它包含问题的表示、分解、搜索与归约等。,2006年人机中国象棋大战,1997年深蓝战胜卡斯帕罗夫,1.6 人工智能的研究和应用领域,1.问题求解与博弈人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难题的下棋(如国际象棋)程序,它包含问题的表示、分解、搜索与归约等。,1.6 人工智能的研究和应用领域,2.逻辑推理与定理证明逻辑推理是人工智能研究中最持久的子领域之一,特别重要的是要找到一些方法,只把注意力集中在一个大型数据库中的有关事实上,留意可信的证明,并在出现新信息时适时修正这些证明。定理证明的研究在人工智能方法的发展中曾经产生过重要的影响。我国人工智能大师吴文
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