人工智能基础01--绪论

合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室1/53人工智能原理合肥工业大学计算机与信息学院王浩[e-mail]合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室2/53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）GeorgeF.luger著史忠植等译机械工业出版社人工智能NilsJ.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合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室3/53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合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室4/531.1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合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室5/531.1人工智能的定义和发展1.1.1人工智能的定义人工智能——ArtificialIntelligence，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。定义1.2智能机器（IntelligentMachine）智能机器是一种能够呈现人类智能行为的机器。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室6/531.1人工智能的定义和发展2006年人机中国象棋大战合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室7/531.1人工智能的定义和发展合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室8/531.1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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室9/531.1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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室10/53TheTuringTest•1950:AlanTuring的文章“ComputingMachineryandIntelligence.”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合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室11/531.1人工智能的定义和发展1.1.2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30~40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→行为主义学派合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室12/531.1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（1956~1976年）1956年夏季，McCarthy、Minsky、Lochester、Shannon，人类历史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DENDRAL1969年召开了第一届国际人工智能联合会议(InternationalJointConferenceonAI,IJCAI),此后每两年召开一次。1970年《人工智能》国际杂志(InternationalJournalofAI)创刊。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室13/531.1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（1966~1974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）预言：2000年机器智能超过人类巨大困难：神经元数目1010,Thespiritiswillingbutthefleshisweak（心有余而力不足）→俄→Thewineisgoodbutthemeatisspoiled1971年詹姆士综合报告，“人工智能即使不是骗局，也是庸人自扰”合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室14/531.1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（1970~1988年）Feigenbaum专家系统1968年，DENDRAL1972~1976年MYCIN1977年第五届人工智能联合会议知识工程（KnowledgeEngineering）1981年日本第五代智能计算机计划合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室15/531.1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、共同发展合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室16/531.2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。domainsperson,another=symbolpredicateslikes(person,another).clauseslikes(jack,sussan).likes(john,marry).likes(tom,cathy).likes(tom,ellen).likes(jack,X)iflikes(tom,X).【事实】Jack喜欢SussanJohn喜欢MarryTom喜欢CathyTom喜欢Ellen【规则】如果Tom喜欢X，那么Jack喜欢X合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室17/531.2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。1y2yky1x2xix输入层中间层输出层合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室18/531.2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源：控制论合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室19/531.2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：行为模拟合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室20/531.3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合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室21/531.3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T→T+1x→x+△x△x=f(S,R)合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室22/531.3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(conditionaltransfer):根据已有符号，继续完成活动过程。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室23/531.3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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室24/531.3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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室25/531.3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。图灵测试合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室26/531.4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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室27/531.4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：①信息处理过程②心理上的符号计算③问题求解④思维⑤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。合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室28/531.4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，…合肥工业大学人工智能与数据挖掘研究室29/531.4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