第一章人工智能基礎(chǔ)

1、人工智能基礎(chǔ),北京理工大學(xué)軟件學(xué)院,,主講教師：胡晶晶 （軟件學(xué)院） E_mail：hujingjing@bit.edu.cn參考教材： ： 《人工智能原理與方法》 作者：王永慶 （西安交通大學(xué)出版社） 《人工智能及其應(yīng)用》 作者：蔡自興 徐光祐 （清華大學(xué)出版社）,2,第1章 緒論,緒論,4,人工智能（Artificial Intelligence, AI）是當(dāng)前科學(xué)

2、技術(shù)發(fā)展中的一門前沿學(xué)科。 人工智能是在計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)心理學(xué)、哲學(xué)等多種學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 工業(yè)革命主要是延長(zhǎng)了人手的功能，把人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，而人工智能延伸了人腦的功能，實(shí)現(xiàn)腦力勞動(dòng)的自動(dòng)化。,5,20世紀(jì)40位圖靈獎(jiǎng)獲得者中有6名人工智能學(xué)者，可見(jiàn)人工智能學(xué)科影響之深遠(yuǎn)。 1969年：馬文·明斯基 1971年：約翰·麥卡錫

3、1975年：赫伯特·西蒙和艾倫·紐厄爾 1994年：愛(ài)德華·費(fèi)根鮑姆和勞伊·雷迪,6,人工智能前景誘人，同時(shí)也任重而道遠(yuǎn)。本章作為概述，主要介紹:,人工智能的定義 人工智能的產(chǎn)生和發(fā)展 人工智能技術(shù)特點(diǎn) 人工智能學(xué)派 人工智能在中國(guó),1.1 人工智能定義,7,第一，人工智能和其他許多新興學(xué)科一樣，至今尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的定義，所謂人工智能的定義，只能是人工智能學(xué)者根據(jù)對(duì)

4、它的已有認(rèn)識(shí)所作的一些不同解釋。,第二，人工智能的定義依賴于智能的定義。因此，要定義人工智能，首先應(yīng)該定義智能。,8,通俗地說(shuō)，智能是一種認(rèn)識(shí)客觀事物和運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的綜合能力。至于其確切定義，還有待于對(duì)人腦奧秘的徹底揭示。,一. 什么是智能,9,1. 認(rèn)識(shí)智能的不同觀點(diǎn),人類在認(rèn)識(shí)智能的過(guò)程中提出了許多不同的觀點(diǎn)，其中最具有代表性的觀點(diǎn)有三種。,①智能來(lái)源于思維活動(dòng)-思維理論。②智能取決于可運(yùn)用的知識(shí)-知識(shí)閾值理論。③智能可由逐

5、步進(jìn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)-進(jìn)化理論。,10,人類的智能總體上可分為高、中、低三個(gè)層次，不同層次智能的活動(dòng)由不同的神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)完成。,思維理論和知識(shí)閾值理論對(duì)應(yīng)于高層智能，而進(jìn)化理論則對(duì)應(yīng)于中層智能和低層智能。,2. 智能的層次結(jié)構(gòu),高層智能以大腦皮層為主，主要完成記憶和思維等活動(dòng)； 中層智能以丘腦為主，主要完成感知活動(dòng)； 低層智能以小腦、脊髓為主，主要完成動(dòng)作反應(yīng)。,11,智能是一種綜合能力。具體地說(shuō)，它包含的各種能力如下:,①智能具有感知能

6、力②智能具有記憶與思維能力③智能具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力④智能具有行為能力,3. 智能所包含的能力,12,綜合各種不同的人工智能觀點(diǎn)，可以從“能力”和“學(xué)科”兩個(gè)方面對(duì)人工智能進(jìn)行定義。,從能力的角度來(lái)看，人工智能是相對(duì)于人的自然智能而言的，所謂人工智能是指用人工的方法在機(jī)器（計(jì)算機(jī)）上實(shí)現(xiàn)的智能； 從學(xué)科的角度來(lái)看，人工智能是作為一個(gè)學(xué)科名稱來(lái)使用的，所謂人工智能是一門研究如何構(gòu)造智能機(jī)器或智能系統(tǒng)，使它能模擬、延伸和擴(kuò)展人類智

7、能的學(xué)科。,二. 什么是人工智能,13,圖靈測(cè)試,如何衡量機(jī)器是否具有智能？,14,1.2 人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展,孕育期 形成期 知識(shí)應(yīng)用期 綜合集成期,人工智能的誕生——1956年John McCarthy(1927-2011) 發(fā)展階段,15,機(jī)器學(xué)習(xí)主要研究如何使計(jì)算機(jī)能夠模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)功能。,一.人工智能的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,1. 機(jī)器學(xué)習(xí),自然語(yǔ)言理解（Natural Language Processing）主

8、要研究如何使計(jì)算機(jī)能夠理解和生成自然語(yǔ)言。,2. 自然語(yǔ)言理解,16,專家系統(tǒng)（Expert System，簡(jiǎn)稱ES）是一種基于知識(shí)的智能系統(tǒng)，它將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)用知識(shí)表示方法表示出來(lái)，并放入知識(shí)庫(kù)中，供推理機(jī)使用。,3. 專家系統(tǒng),所謂模式識(shí)別就是使計(jì)算機(jī)能夠?qū)o定的事物進(jìn)行鑒別，并把它歸入與其相同或相似的模式中。,4. 模式識(shí)別,17,計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Computer Vision）的主要研究目標(biāo)是使計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信

9、息的能力。,5. 計(jì)算機(jī)視覺(jué),機(jī)器人（Robots）是一種可再編程的多功能操作裝置。機(jī)器人學(xué)是一種綜合性技術(shù)學(xué)科，人工智能的所有技術(shù)幾乎都可以在這個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。,6. 機(jī)器人學(xué),18,博弈（Game Playing）是一個(gè)有關(guān)對(duì)策和斗智問(wèn)題的研究領(lǐng)域。,7. 博弈,自動(dòng)定理證明（Automatic Theorem Proving）就是讓計(jì)算機(jī)模擬人類證明定理的方法，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)象人類證明定理那樣的非數(shù)值符號(hào)演算過(guò)程。,8. 自動(dòng)定理證明,

10、19,自動(dòng)程序設(shè)計(jì)（Automatic Programming）是一種讓計(jì)算機(jī)把用高級(jí)形式語(yǔ)言或自然語(yǔ)言描述的程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行程序的技術(shù)。,9. 自動(dòng)程序設(shè)計(jì),智能控制（Intelligent Control）是指那種無(wú)需（或需要盡可能少的）人的干預(yù)就能獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。,10. 智能控制,20,智能決策支持系統(tǒng)（Intelligent Decision Support System）是指那種在傳統(tǒng)決策支持系統(tǒng)

11、中增加了相應(yīng)的智能部件的決策支持系統(tǒng)。,11. 智能決策支持系統(tǒng),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱 ANN）是一個(gè)用大量的簡(jiǎn)單處理單元經(jīng)廣泛并行互連所構(gòu)成的人工網(wǎng)絡(luò)，用于模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。,12. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),21,知識(shí)發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery in Database）和數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）是在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一種知識(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)。,13. 知識(shí)發(fā)現(xiàn)和

12、數(shù)據(jù)挖掘,分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱DAI）主要研究在邏輯或物理上分散的智能系統(tǒng)之間如何相互協(xié)調(diào)各自的智能行為，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的并行求解。,14. 分布式人工智能,22,二. 人工智能的基本研究?jī)?nèi)容,1. 認(rèn)知建模,所謂認(rèn)知可一般地認(rèn)為是和情感、動(dòng)機(jī)、意志相對(duì)應(yīng)的理智或認(rèn)識(shí)過(guò)程，或者說(shuō)是為了一定目的，在一定的心理結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的信息加工過(guò)程。,23,所謂機(jī)器感知，就是要讓計(jì)算機(jī)具有

13、類似于人的感知能力，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)。,2. 機(jī)器感知,3. 機(jī)器思維,所謂機(jī)器思維，就是讓計(jì)算機(jī)能夠?qū)Ω兄降耐饨缧畔⒑妥约寒a(chǎn)生的內(nèi)部信息進(jìn)行思維性加工。,24,所謂機(jī)器學(xué)習(xí)就是讓計(jì)算機(jī)能夠像人那樣自動(dòng)地獲取新知識(shí)，并在實(shí)踐中不斷地完善自我和增強(qiáng)能力。,4. 機(jī)器學(xué)習(xí),5. 機(jī)器行為,所謂機(jī)器行為就是讓計(jì)算機(jī)能夠具有像人那樣的行動(dòng)和表達(dá)能力，如走、跑、拿、說(shuō)、唱、寫、畫等.,25,無(wú)論是人工智能的近期目標(biāo)還是遠(yuǎn)期目標(biāo)，都

14、需要建立智能系統(tǒng)或構(gòu)造智能機(jī)器，因此需要開(kāi)展對(duì)系統(tǒng)模型、構(gòu)造技術(shù)、構(gòu)造工具及語(yǔ)言環(huán)境等方面的研究。,,6. 智能系統(tǒng)與智能計(jì)算機(jī),26,1.3 人工智能的特點(diǎn),知識(shí)是一切智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，任何智能系統(tǒng)的活動(dòng)過(guò)程都是一個(gè)獲取知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的過(guò)程，而要獲取和運(yùn)用知識(shí)，首先應(yīng)該能夠?qū)χR(shí)進(jìn)行表示。所謂知識(shí)表示就是用某種約定的方式對(duì)知識(shí)進(jìn)行的描述。,1. 重視知識(shí),27,所謂推理就是根據(jù)已有知識(shí)運(yùn)用某種策略推出新知識(shí)的過(guò)程。,2. 重視推理,所謂

15、啟發(fā)式搜索是指能夠利用搜索中獲得的問(wèn)題本身的一些特性信息（亦稱啟發(fā)信息）來(lái)指導(dǎo)搜索過(guò)程，使搜索朝著最有希望的方向前進(jìn)。,3. 采用啟發(fā)式（Heuristics）搜索,28,所謂數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是指在系統(tǒng)處理的每一步，當(dāng)考慮下一步該做什么時(shí)，需要根據(jù)此前所掌握的數(shù)據(jù)內(nèi)容（亦稱事實(shí)）來(lái)決定。,4. 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（Data Driven）方式,人工智能語(yǔ)言是一類適應(yīng)于人工智能和知識(shí)工程領(lǐng)域的、具有符號(hào)處理和邏輯推理能力的計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言。,5. 用人工

16、智能語(yǔ)言建造系統(tǒng),29,符號(hào)主義聯(lián)結(jié)主義行為主義,1.4人工智能研究的學(xué)派,人工智能的三大學(xué)派：,30,符號(hào)主義,符號(hào)主義（Symbolicism），又稱邏輯主義（Logicism）、心理學(xué)派（Psyychlogism）或計(jì)算機(jī)學(xué)派（Computerism），是基于物理符號(hào)系統(tǒng)假設(shè)和有限合理性原理的人工智能學(xué)派。符號(hào)主義認(rèn)為人工智能起源于數(shù)理邏輯，人類認(rèn)知（智能）的基本元素是符號(hào)（Symbol），認(rèn)知過(guò)程是符號(hào)表示上的一種運(yùn)算。

17、,31,聯(lián)結(jié)主義認(rèn)為：思維的基元是神經(jīng)元，而不是符號(hào)；思維過(guò)程是神經(jīng)元的聯(lián)結(jié)活動(dòng)過(guò)程，而不是符號(hào)運(yùn)算過(guò)程；反對(duì)符號(hào)主義關(guān)于物理符號(hào)系統(tǒng)的假設(shè)，認(rèn)為人腦不同于電腦；提出用聯(lián)結(jié)主義的人腦工作模式取代符號(hào)主義的電腦工作模式。,2．聯(lián)結(jié)主義,32,行為主義（Actionism），又稱進(jìn)化主義（Evolutionism）或控制論學(xué)派（Cyberneticsism），是基于控制論和“感知---動(dòng)作”型控制系統(tǒng)的人工智能學(xué)派。行為主義認(rèn)為人工智能起源

18、于控制論，提出智能取決于感知和行為，取決于對(duì)外界復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)，而不是表示和推理。,3.行為主義,33,符號(hào)主義是從功能上模擬人類智能； 聯(lián)結(jié)主義是從結(jié)構(gòu)上模擬人類智能； 行為主義則是從行為上模擬人類的智能。,34,1.5人工智能在中國(guó),中國(guó)學(xué)者對(duì)人工智能的研究超過(guò)40年代表性的工作-符號(hào)智能-計(jì)算智能-智能科學(xué)-其他代表性的工作,35,一.符號(hào)智能,自動(dòng)推理與自動(dòng)幾何定理證明數(shù)學(xué)定理證明初等平面幾何

19、定理機(jī)械證明（吳方法）常識(shí)知識(shí)和大規(guī)模知識(shí)處理常識(shí)性知識(shí)的實(shí)用研究中國(guó)國(guó)家知識(shí)基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃“CNKI”,36,二.計(jì)算智能,,計(jì)算智能是仿照自然法則構(gòu)造的計(jì)算 計(jì)算智能的范疇模糊計(jì)算（模仿人類處理問(wèn)題的方式）神經(jīng)計(jì)算（依照生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作規(guī)則）進(jìn)化計(jì)算（模仿生物界的“優(yōu)勝劣”汰法則）粗集和粒度計(jì)算（含熵空間理論）,37,三. 智能科學(xué),交叉學(xué)科腦科學(xué)認(rèn)知科學(xué)神經(jīng)科學(xué)心理學(xué)分子生物生物物理數(shù)學(xué)和物

20、理科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué),38,四.其他代表性工作,不確定性人工智能隨機(jī)性和模糊性云模型機(jī)器學(xué)習(xí)語(yǔ)音識(shí)別人臉識(shí)別醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析游戲,39,四.其他代表性工作（二）,非規(guī)范知識(shí)處理知識(shí)的不完整性（內(nèi)容不完整和知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整）知識(shí)的不確定性（模糊知識(shí)，不確定、隨機(jī)和不精確知識(shí)）知識(shí)的不協(xié)調(diào)性（含矛盾、帶噪聲、含冗余）知識(shí)的非恒常性（時(shí)變知識(shí)和啟發(fā)式知識(shí)）機(jī)器學(xué)習(xí)交叉研究成果計(jì)算機(jī)輔助藝術(shù)和動(dòng)畫——軟件《天鵝》