第一章人工智能基礎

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

2、技術發(fā)展中的一門前沿學科。 人工智能是在計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)心理學、哲學等多種學科研究的基礎上發(fā)展起來的。 工業(yè)革命主要是延長了人手的功能，把人類從繁重的體力勞動中解放出來，而人工智能延伸了人腦的功能，實現(xiàn)腦力勞動的自動化。,5,20世紀40位圖靈獎獲得者中有6名人工智能學者，可見人工智能學科影響之深遠。 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：愛德華·費根鮑姆和勞伊·雷迪,6,人工智能前景誘人，同時也任重而道遠。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 人工智能技術特點 人工智能學派 人工智能在中國,1.1 人工智能定義,7,第一，人工智能和其他許多新興學科一樣，至今尚無一個統(tǒng)一的定義，所謂人工智能的定義，只能是人工智能學者根據(jù)對

4、它的已有認識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，首先應該定義智能。,8,通俗地說，智能是一種認識客觀事物和運用知識解決問題的綜合能力。至于其確切定義，還有待于對人腦奧秘的徹底揭示。,一. 什么是智能,9,1. 認識智能的不同觀點,人類在認識智能的過程中提出了許多不同的觀點，其中最具有代表性的觀點有三種。,①智能來源于思維活動-思維理論。②智能取決于可運用的知識-知識閾值理論。③智能可由逐

5、步進化來實現(xiàn)-進化理論。,10,人類的智能總體上可分為高、中、低三個層次，不同層次智能的活動由不同的神經(jīng)系統(tǒng)來完成。,思維理論和知識閾值理論對應于高層智能，而進化理論則對應于中層智能和低層智能。,2. 智能的層次結構,高層智能以大腦皮層為主，主要完成記憶和思維等活動； 中層智能以丘腦為主，主要完成感知活動； 低層智能以小腦、脊髓為主，主要完成動作反應。,11,智能是一種綜合能力。具體地說，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智能具有學習和自適應能力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，可以從“能力”和“學科”兩個方面對人工智能進行定義。,從能力的角度來看，人工智能是相對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器（計算機）上實現(xiàn)的智能； 從學科的角度來看，人工智能是作為一個學科名稱來使用的，所謂人工智能是一門研究如何構造智能機器或智能系統(tǒng)，使它能模擬、延伸和擴展人類智

7、能的學科。,二. 什么是人工智能,13,圖靈測試,如何衡量機器是否具有智能？,14,1.2 人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展,孕育期 形成期 知識應用期 綜合集成期,人工智能的誕生——1956年John McCarthy(1927-2011) 發(fā)展階段,15,機器學習主要研究如何使計算機能夠模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學習功能。,一.人工智能的研究和應用領域,1. 機器學習,自然語言理解（Natural Language Processing）主

8、要研究如何使計算機能夠理解和生成自然語言。,2. 自然語言理解,16,專家系統(tǒng)（Expert System，簡稱ES）是一種基于知識的智能系統(tǒng)，它將領域?qū)＜业慕?jīng)驗用知識表示方法表示出來，并放入知識庫中，供推理機使用。,3. 專家系統(tǒng),所謂模式識別就是使計算機能夠?qū)o定的事物進行鑒別，并把它歸入與其相同或相似的模式中。,4. 模式識別,17,計算機視覺（Computer Vision）的主要研究目標是使計算機具有通過二維圖像認知三維環(huán)境信

9、息的能力。,5. 計算機視覺,機器人（Robots）是一種可再編程的多功能操作裝置。機器人學是一種綜合性技術學科，人工智能的所有技術幾乎都可以在這個領域得到應用。,6. 機器人學,18,博弈（Game Playing）是一個有關對策和斗智問題的研究領域。,7. 博弈,自動定理證明（Automatic Theorem Proving）就是讓計算機模擬人類證明定理的方法，自動實現(xiàn)象人類證明定理那樣的非數(shù)值符號演算過程。,8. 自動定理證明,

10、19,自動程序設計（Automatic Programming）是一種讓計算機把用高級形式語言或自然語言描述的程序自動轉換成可執(zhí)行程序的技術。,9. 自動程序設計,智能控制（Intelligent Control）是指那種無需（或需要盡可能少的）人的干預就能獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制。,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（Artificial Neural Network，簡稱 ANN）是一個用大量的簡單處理單元經(jīng)廣泛并行互連所構成的人工網(wǎng)絡，用于模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的結構和功能。,12. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡,21,知識發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery in Database）和數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）是在數(shù)據(jù)庫的基礎上實現(xiàn)的一種知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)。,13. 知識發(fā)現(xiàn)和

12、數(shù)據(jù)挖掘,分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence，簡稱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，實現(xiàn)問題的并行求解。,14. 分布式人工智能,22,二. 人工智能的基本研究內(nèi)容,1. 認知建模,所謂認知可一般地認為是和情感、動機、意志相對應的理智或認識過程，或者說是為了一定目的，在一定的心理結構中進行的信息加工過程。,23,所謂機器感知，就是要讓計算機具有

13、類似于人的感知能力，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。,2. 機器感知,3. 機器思維,所謂機器思維，就是讓計算機能夠?qū)Ω兄降耐饨缧畔⒑妥约寒a(chǎn)生的內(nèi)部信息進行思維性加工。,24,所謂機器學習就是讓計算機能夠像人那樣自動地獲取新知識，并在實踐中不斷地完善自我和增強能力。,4. 機器學習,5. 機器行為,所謂機器行為就是讓計算機能夠具有像人那樣的行動和表達能力，如走、跑、拿、說、唱、寫、畫等.,25,無論是人工智能的近期目標還是遠期目標，都

14、需要建立智能系統(tǒng)或構造智能機器，因此需要開展對系統(tǒng)模型、構造技術、構造工具及語言環(huán)境等方面的研究。,,6. 智能系統(tǒng)與智能計算機,26,1.3 人工智能的特點,知識是一切智能系統(tǒng)的基礎，任何智能系統(tǒng)的活動過程都是一個獲取知識和運用知識的過程，而要獲取和運用知識，首先應該能夠?qū)χR進行表示。所謂知識表示就是用某種約定的方式對知識進行的描述。,1. 重視知識,27,所謂推理就是根據(jù)已有知識運用某種策略推出新知識的過程。,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題本身的一些特性信息（亦稱啟發(fā)信息）來指導搜索過程，使搜索朝著最有希望的方向前進。,3. 采用啟發(fā)式（Heuristics）搜索,28,所謂數(shù)據(jù)驅(qū)動是指在系統(tǒng)處理的每一步，當考慮下一步該做什么時，需要根據(jù)此前所掌握的數(shù)據(jù)內(nèi)容（亦稱事實）來決定。,4. 采用數(shù)據(jù)驅(qū)動（Data Driven）方式,人工智能語言是一類適應于人工智能和知識工程領域的、具有符號處理和邏輯推理能力的計算機程序語言。,5. 用人工

16、智能語言建造系統(tǒng),29,符號主義聯(lián)結主義行為主義,1.4人工智能研究的學派,人工智能的三大學派：,30,符號主義,符號主義（Symbolicism），又稱邏輯主義（Logicism）、心理學派（Psyychlogism）或計算機學派（Computerism），是基于物理符號系統(tǒng)假設和有限合理性原理的人工智能學派。符號主義認為人工智能起源于數(shù)理邏輯，人類認知（智能）的基本元素是符號（Symbol），認知過程是符號表示上的一種運算。

17、,31,聯(lián)結主義認為：思維的基元是神經(jīng)元，而不是符號；思維過程是神經(jīng)元的聯(lián)結活動過程，而不是符號運算過程；反對符號主義關于物理符號系統(tǒng)的假設，認為人腦不同于電腦；提出用聯(lián)結主義的人腦工作模式取代符號主義的電腦工作模式。,2．聯(lián)結主義,32,行為主義（Actionism），又稱進化主義（Evolutionism）或控制論學派（Cyberneticsism），是基于控制論和“感知---動作”型控制系統(tǒng)的人工智能學派。行為主義認為人工智能起源

18、于控制論，提出智能取決于感知和行為，取決于對外界復雜環(huán)境的適應，而不是表示和推理。,3.行為主義,33,符號主義是從功能上模擬人類智能； 聯(lián)結主義是從結構上模擬人類智能； 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,中國學者對人工智能的研究超過40年代表性的工作-符號智能-計算智能-智能科學-其他代表性的工作,35,一.符號智能,自動推理與自動幾何定理證明數(shù)學定理證明初等平面幾何

19、定理機械證明（吳方法）常識知識和大規(guī)模知識處理常識性知識的實用研究中國國家知識基礎設施計劃“CNKI”,36,二.計算智能,,計算智能是仿照自然法則構造的計算 計算智能的范疇模糊計算（模仿人類處理問題的方式）神經(jīng)計算（依照生物神經(jīng)網(wǎng)絡的工作規(guī)則）進化計算（模仿生物界的“優(yōu)勝劣”汰法則）粗集和粒度計算（含熵空間理論）,37,三. 智能科學,交叉學科腦科學認知科學神經(jīng)科學心理學分子生物生物物理數(shù)學和物

20、理科學計算機科學和信息科學,38,四.其他代表性工作,不確定性人工智能隨機性和模糊性云模型機器學習語音識別人臉識別醫(yī)學數(shù)據(jù)分析游戲,39,四.其他代表性工作（二）,非規(guī)范知識處理知識的不完整性（內(nèi)容不完整和知識結構不完整）知識的不確定性（模糊知識，不確定、隨機和不精確知識）知識的不協(xié)調(diào)性（含矛盾、帶噪聲、含冗余）知識的非恒常性（時變知識和啟發(fā)式知識）機器學習交叉研究成果計算機輔助藝術和動畫——軟件《天鵝》