《人工智能及其应用》第1章.ppt

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1、文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,课程简介,关于人工智能 人工智能是研究计算机实现智能的原理以及建造智能计算机的学科。目标和任务“人工智能”是计算机科学理论基础研究的重要组成部分，是计算机类专业的专业课。本课程是关于人工智能的引导性课程，介绍人工智能的基本理论、方法和技术，目的是使学生了解和掌握人工智能的基本概念和方法，为今后的更高级课程的学习、为将来在人工智能领域的进一步研究工作和软件实践奠定良好的基础。先修课程 计算机程序设计基础、离散数学。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1 人工智能的定义与发展 1.2 人类智能与人工智能 1.3 人工智能各学派的

2、认知观 1.4 人工智能的研究与应用领域,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.1 人工智能的定义,定义1.1（智能机器（Intelligent machine）能够在各类环境中自主地或交互地进行各种拟人任务（anthropomorphic task）的机器。定义1.2（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一个分支，是一门综合性的交叉学科和边缘学科。定义1.3（人工智能（能力）是智能机器执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。,文学志 南京信息工程大学计软学院 20

3、10年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（1）,孕育期公元前900多年，我国歌舞机器人公元前850多年，古希腊关于制造机器人帮助人们劳动的神话传说古希腊伟大的哲学家亚里士多德创立的演绎法德国数学和哲学家莱布尼茨奠定的数理逻辑基础英国数学家图灵创立图灵机模型美国数学家、电子数字计算机的先驱莫克利等人研制成功的世界上第一台通用电子计算机此外1943年，美国神经生理学家麦卡锡和皮茨一起研制出了世界上第一个人工神经网络模型，开创了以仿生学观点和结构化方法模拟人类智能的途径1948年，美国著名数学家维纳创立了控制论，为以行为模拟观点研究人工智能奠定了理论和技术基础。1950年，图灵又发表了题为计算机

4、能思维吗？的著名论文，明确提出了“机器能思维”的观点。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（2）,形成期（19561970年）1956年夏季，达特茅斯（Dartmouth）大学数学家、计算机专家麦卡锡和他的3位朋友：哈佛大学数学家、神经学家明斯基，IBM公司信息中心负责人洛切斯特，贝尔实验室信息部数学研究员香农共同发起在达特茅斯大学举行了一个为期两个月的夏季学术研讨会（用机器模拟人类智能）人工智能诞生以人工智能为目标的3个研究小组纽厄尔和西蒙的卡内基-兰德小组（心里学小组）塞缪尔的IBM公司工程课题研究小组明斯基和麦卡锡的MIT研究小组3个小组取

5、得的成就领域定理证明、问题求解、博弈,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（3）,知识应用期（197120世纪80年代末，低潮期）挫折和教训博弈方面：塞缪尔的下棋程序与世界冠军的战绩：5战4负定理证明：鲁滨逊归结法的能力有限：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问题求解方面：理想的良结构问题，现实的不良结构问题，产生组合爆炸机器翻译：如，把“心有余而力不足”的英语句子“The spirit is willing but the flesh is weak”翻译成俄语，然后再翻译回来时竟变成了“酒是好的，肉变质了”，

6、即英语句子为“The wine is good but the meat is spoiled”.以人工智能为目标的3个研究小组在神经生理学方面，研究发现人脑由10111012个神经元组成，在现有技术条件下用机器从结构上模拟人脑是根本不可能的。人工智能的本质、理论、思想和机理受到了来自哲学、心理学、神经学等社会各界的责难、怀疑和批评。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（3）,以知识是为中心的研究（20世纪70年代至80年代）专家系统 是一个具有大量专门知识，并能够利用这些知识去解决特定领域中需要专家才能解决的那些问题的计算机程序。实现了人工智能

7、从理论研究走向实际应用，从一般思维规律探讨走向专门知识运用的重大突破，是人工智能发展史上的一次重大转折。1976年费根鲍姆领导研制成功的MYCIN专家系统可以协助内科医生诊断、治疗细菌感染疾病,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（4）,从学派分立走向综合（20世纪80年代末至本世纪初）基于知识工程的符号主义学派基于人工神经网络的联结主义学派基于控制论的行为主义学派,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（5）,智能科学技术学科的兴起（本世纪初到现在）由对人工智能的单一研究走向以自然智能、人工智能、集成智

8、能为一体的协同智能研究；由人工智能学科的独立研究走向重视与脑科学、认知科学等学科的交叉研究由多个不同学派的分立研究走向多学派的综合研究由对个体、集中智能的研究走向对群体、分布智能的研究集成智能：自然智能与人工智能通过协调配合所集成的智能协同智能：个体智能相互协调所涌现的群体智能。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（6）,人工智能在我国1978年 开始设立人工智能的研究课题主要在定理证明、汉语自然语言理解、机器人和专家系统方面取得一批 研究成果,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.1.2 人工智能的起源与发展（7）,人工智能的目

9、标远期目标 制造智能机器，即能够在各类环境中自动地或交互地执行各种拟人任务（anthropomorphic tasks）的机器。近期目标 实现机器智能，即先部分地或某种程度地实现机器的智能 eg：1）深蓝巨型机&世界象棋冠军 2）自动驾驶汽车,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.2 人类智能与人工智能,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,符号处理系统的六种基本功能 符号处理系统 信息处理系统又叫符号操作系统(Symbol Operation System)或物理符号系统(Physical Symbol System)。所谓符号就是模式(pattern)。符号操作

10、系统任务及功能：辨认相同的符号和区别不同的符号6种基本功能(1)输入符号(input)；(2)输出符号(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。,1.2.1 智能信息处理系统的假设,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,物理符号系统的假设 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；这种智能指的是人类所具有

11、的那种智能。把这个假设称为物理符号系统的假设。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。,1.2.1 智能信息处理系统的假设,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,人类的认知行为具有不同的层次 认知生理学 研究认知行为的生理过程，主要研究人的神经系统（神经元、中枢神经系统和大脑）的活动，是认知科学研究的底层。认知心

12、理学 研究认知行为的心理活动，主要研究人的思维策略，是认知科学研究的顶层。认知信息学 研究人的认知行为在人体内的初级信息处理，主要研究人的认知行为如何通过初级信息自然处理，由生理活动变为心理活动及其逆过程，即由心理活动变为生理行为。这是认知活动的中间层，承上启下。认知工程学 研究认知行为的信息加工处理，主要研究如何通过以计算机为中心的人工信息处理系统，对人的各种认知行为（如知觉、思维、记忆、语言、学习、理解、推理、识别等）进行信息处理。这是研究认知科学和认知行为的工具，应成为现代认知心理学和现代认知生理学的重要研究手段。,1.2.1 智能信息处理系统的假设,文学志 南京信息工程大学计软学院 2

13、010年2月,1.2.2 人类智能的计算机模拟,机器智能可以模拟人类智能 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。智能计算机的功能 如下棋、证明定理、翻译语言文字和解决难题等。神经计算机(neural computer)能够以类似人类的方式进行“思考”，它力图重建人脑的形象。一些国家对量子计算机的研究也已起步，希望通过对量子计算(quantum computing)的研究，产生量子计算机。量子计算机：由理乍得费

14、曼提出，是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.3 人工智能各学派的认知观,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,人工智能三大学派 符号主义(Symbolicism)又称为逻辑主义(Logicism)、心理学派(Psychlogism)或计算机学派(Computerism)，其原理主要为物理符号系统(即符号操作系统)假设和有限合理性

15、 原理。连接主义(Connectionism)又称为仿生学派(Bionicsism)或生理学派(Physiologism)，其原理主要为神经网络及神经网络间的连接机制与学习算法。行为主义(Actionism)又称进化主义(Evolutionism)或控制论学派(Cyberneticsism)，其原理为控制论及感知 动作型控制系统。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,三大学派对人工智能发展历史的不同看法 符号主义 认为人工智能源于数理逻辑。符号主义仍然是人工智能的主流派。这个学派的代表有纽厄尔、肖、西蒙和尼尔逊(Nilsson)等。连接主义 认为人工智能源于仿生学，特别是人脑模型

16、的研究。行为主义 认为人工智能源于控制论。这一学派的代表作首推布鲁克斯(Brooks)的六足行走机器人，它被看做新一代的“控制论动物”，是一个基于感知动作模式的模拟昆虫行为的控制系统。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4 人工智能的研究与应用领域,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.1 问题求解,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。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.2 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

17、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 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。例如，采用谓词逻辑语言的演绎过程的形式化有助于更清楚地理解推理的某些子命题。许多非形式的工作，包括医疗诊断和信息检索都可以和定理证明问题一样加以形式化。因此，在人工智能方法的研究中定理证明是一个极其重要的论题。我国人工智能大师吴文俊院士提出并实现了几何定理机器证明的方法，被国际上承认为“吴氏方法”，是定理证明的又一标志性成果。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.3 自然语言理解,语言处理也是人工智能的早

18、期研究领域之一，并引起了进一步的重视。语言的生成和理解是一个极为复杂的编码和解码问题。一个能理解自然语言信息的计算机系统看起来就像一个人一样需要有上下文知识以及根据这些上下文知识和信息用信息发生器进行推理的过程。理解口头的和书写语言的计算机系统所取得的某些进展，其基础就是有关表示上下文知识结构的某些人工智能思想以及根据这些知识进行推理的某些技术。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.5 专家系统,一般地说，专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部具有大量专家水平的某个领域知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。发展专家系统的关键是表达和运用专

19、家知识，即来自人类专家的并已被证明对解决有关领域内的典型问题是有用的事实和过程。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.6 机器学习,学习是人类智能的主要标志和获得知识的基本手段；机器学习(自动获取新的事实及新的推理算法)是使计算机具有智能的根本途径；机器学习还有助于发现人类学习的机理和揭示人脑的奥秘。学习是一个有特定目的的知识获取过程，其内部表现为新知识结构的不断建立和修改，而外部表现为性能的改善。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.7 神经网络,神经网络处理直觉和形象思维信息具有比传统处理方式好得多的效果。神经网络已在模式识别、图象处理、组合优化

20、、自动控制、信息处理、机器人学和人工智能的其它领域获得日益广泛的应用。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.8 机器人学,人工智能研究日益受到重视的另一个分支是机器人学，其中包括对操作机器人装置程序的研究。这个领域所研究的问题，从机器人手臂的最佳移动到实现机器人目标的动作序列的规划方法，无所不包。目前已经建立了一些比较复杂的机器人系统。机器人和机器人学的研究促进了许多人工智能思想的发展。智能机器人的研究和应用体现出广泛的学科交叉，涉及众多的课题，机器人已在各领域获得越来越普遍的应用。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.9 模式识别,人工智能所研究的

21、模式识别是指用计算机代替人类或帮助人类感知模式，是对人类感知外界功能的模拟，研究的是计算机模式识别系统，也就是使一个计算机系统具有模拟人类通过感官接受外界信息、识别和理解周围环境的感知能力。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.10 机器视觉,实验表明，人类接受外界信息的80%以上来自视觉，视觉对人类是非常重要的。机器视觉或计算机视觉已从模式识别的一个研究领域发展为一门独立的学科；在视觉方面，已经给计算机系统装上电视输入装置以便能够“看见”周围的东西。机器视觉的前沿研究领域包括实时并行处理、主动式定性视觉、动态和时变视觉、三维景物的建模与识别、实时图像压缩传输和复原、多光

22、谱和彩色图像的处理与解释等。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.11 智能控制,人工智能的发展促进自动控制向智能控制发展。智能控制是一类无需(或需要尽可能少的)人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。智能控制是同时具有以知识表示的非数学广义世界模型和数学公式模型表示的混合控制过程，也往往是含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数学过程，并以知识进行推理，以启发来引导求解过程。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.16 数据挖掘与知识发现,知识获取是知识信息处理的关键问题之一。数据挖掘是通过综合运用统计学、粗糙集、

23、模糊数学、机器学习和专家系统等多种学习手段和方法，从大量的数据中提炼出抽象的知识，从而揭示出蕴涵在这些数据背后的客观世界的内在联系和本质规律，实现知识的自动获取。数据挖掘和知识发现技术已获广泛应用。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.17 人工生命,人工生命(Artificial Life,ALife)旨在用计算机和精密机械等人工媒介生成或构造出能够表现自然生命系统行为特征的仿真系统或模型系统。自然生命系统行为具有自组织、自复制、自修复等特征以及形成这些特征的混沌动力学、进化和环境适应。人工生命所研究的人造系统能够演示具有自然生命系统特征的行为，在“生命之所能”(life as it could be)的广阔范围内深入研究“生命之所知”(life as we know it)的实质。人工生命学科的研究内容包括生命现象的仿生系统、人工建模与仿真、进化动力学、人工生命的计算理论、进化与学习综合系统以及人工生命的应用等。,文学志 南京信息工程大学计软学院 2010年2月,1.4.18 系统与语言工具,除了直接瞄准实现智能的研究工作外，开发新的方法也往往是人工智能研究的一个重要方面。人工智能对计算机界的某些最大贡献已经以派生的形式表现出来。计算机系统的一些概念，如分时系统、编目处理系统和交互调试系统等，已经在人工智能研究中得到发展。,