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人工智能导论Introductiontoartificialintelligence第一部分引言第1章绪论【导读案例】云计算四十年历史化蝶成茧•讨论：1什么是人工智能2人工智能发展历史3人工智能的研究4人工智能时代需要的人才5人工智能与安全1人工智能定义2强人工智能与弱人工智能第1节1.1什么是人工智能•作为计算机科学的一个分支，人工智能（AI）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，是一门自然科学、社会科学和技术科学交叉的边缘学科，它涉及的学科内容包括哲学和认知科学、数学、神经生理学、心理学、计算机科学、信息论、控制论、不定性论、仿生学、社会结构学与科学发展观等。1.1什么是人工智能•人工智能的研究范畴包括自然语言学习与处理、知识表现、智能搜索、推理、规划、机器学习、知识获取、组合调度、感知、模式识别、逻辑程序设计、软计算、不精确和不确定的管理、人工生命、神经网络、复杂系统、遗传算法、人类思维方式等。一般认为，人工智能最关键的难题还是机器自主创造性思维能力的塑造与提升。1.1什么是人工智能•人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考，甚至也可能超过人的智能。人工智能企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。自从诞生以来，人工智能的理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以预期，人工智能所带来的科技产品将会是人类智慧的“容器”，因此，人工智能是一门极富挑战性的学科。1.1.1人工智能定义•人工智能的定义可以分为两部分，即“人工”和“智能”。•“人工”比较好理解，我们也会进一步考虑什么是人力所能及制造的，或者人自身的智能程度有没有高到可以创造人工智能的地步，等等。•至于什么是“智能”，问题就复杂多了，它涉及到诸如意识、自我、思维（包括无意识的思维）等等问题。事实上，人唯一了解的是人类本身的智能，但我们对自身智能的理解，对构成人的智能的必要元素也了解有限，很难准确定义出什么是“人工”制造的“智能”。因此，人工智能的研究往往涉及对人的智能本身的研究，其他关于动物或人造系统的智能也普遍被认为是与人工智能相关的研究课题。1.1.1人工智能定义•尼尔逊教授对人工智能下了这样一个定义：“人工智能是关于知识的学科――怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。”而温斯顿教授认为：“人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作。”这些说法反映了人工智能学科的基本思想和基本内容。即人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作，也就是研究如何应用计算机的软/硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。1.1.1人工智能定义•20世纪七十年代以来，人工智能被称为世界三大尖端技术之一（空间技术、能源技术、人工智能），也被认为是21世纪三大尖端技术（基因工程、纳米科学、人工智能）之一，这是因为近三十年来人工智能获得了迅速的发展，在很多学科领域都获得了广泛应用，并取得了丰硕的成果。•人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，它是思维科学技术应用层次的一个分支。从思维观点看，人工智能不局限于逻辑思维，也要考虑形象思维、灵感思维，才能促进人工智能的突破性发展。1.1.2强人工智能与弱人工智能•对于人的思维模拟可以从两个方向进行：•一是结构模拟，仿照人脑的结构机制，制造出“类人脑”的机器；•二是功能模拟，从其人脑的功能过程进行模拟。现代电子计算机的产生便是对人脑思维功能的模拟，是对人脑思维的信息过程的模拟。1.1.2强人工智能与弱人工智能•人工智能研究领域的一个较早流行的定义，是由约翰·麦卡锡在1956年的达特茅斯会议上提出的，即：人工智能就是要让机器的行为看起来像是人类所表现出的智能行为一样。•另一个定义是指：人工智能是人造机器所表现出来的智能性。•总体来讲，对人工智能的定义大多可划分为四类，即机器“像人一样思考”、“像人一样行动”、“理性地思考”和“理性地行动”。这里“行动”应广义地理解为采取行动，或制定行动的决策，而不是肢体动作。1.1.2强人工智能与弱人工智能•强人工智能（Bottom-UpAI），又称多元智能。研究人员希望人工智能最终能成为多元智能并且超越大部分人类的能力。有些人认为要达成以上目标，可能需要拟人化的特性，如人工意识或人工大脑。上述问题被认为是人工智能完整性：为了解决其中一个问题，你必须解决全部的问题。即使一个简单和特定的任务，如机器翻译，要求机器按照作者的论点（推理），知道什么是被人谈论（知识），忠实地再现作者的意图（情感计算）。因此，机器翻译被认为是具有人工智能完整性。1.1.2强人工智能与弱人工智能•强人工智能的观点认为有可能制造出真正能推理和解决问题的智能机器，并且这样的机器将被认为是有知觉的，有自我意识的。强人工智能可以有两类：（1）类人的人工智能，即机器的思考和推理就像人的思维一样；（2）非类人的人工智能，即机器产生了和人完全不一样的知觉和意识，使用和人完全不一样的推理方式。1.1.2强人工智能与弱人工智能•弱人工智能（Top-DownAI）观点认为不可能制造出能真正地推理和解决问题的智能机器，这些机器只不过看起来像是智能的，但是并不真正拥有智能，也不会有自主意识。如今主流的研究活动都集中在弱人工智能上，并且一般认为这一研究领域已经取得可观的成就，而强人工智能的研究则处于停滞不前的状态。1大师与通用机器2人工智能学科的诞生3人工智能的发展历程4人工智能的社会必然性第2节1.2人工智能发展历史•科学家已经制造出了汽车、火车、飞机、收音机这样无数的技术系统，它们模仿并拓展了人类身体器官的功能。但是，技术系统能不能模仿人类大脑的功能呢？到目前为止，我们也仅仅知道这个装在人类大脑是由数十亿个神经细胞组成的器官，我们对它还知之甚少，模仿它或许是天下最困难的事情了。人脑的外观1.2.1大师与通用机器•艾伦·麦席森·图灵（AlanMathisonTuring，1912年6月23日-1954年6月7日），出生于英国伦敦帕丁顿，毕业于普林斯顿大学，是英国数学家、逻辑学家，被誉为“计算机科学之父”、“人工智能之父”，他是计算机逻辑的奠基者。1950年，图灵在其论文《计算机器与智能》中提出了著名的“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。计算机科学之父，人工智能之父——图灵1.2.1大师与通用机器•图灵测试的内容是，如果电脑能在5分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且被超过30%的测试者误认为是人类所答，则电脑通过测试。图灵思想为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。为了纪念图灵对计算机科学的巨大贡献，1966年，由美国计算机协会（ACM）设立一年一度的“图灵奖”，以表彰在计算机科学中做出突出贡献的人。图灵奖被喻为“计算机界的诺贝尔奖”。1.2.1大师与通用机器•约翰·冯·诺依曼（JohnvonNeumann，1903年12月28日-1957年2月8日），出生于匈牙利，毕业于苏黎世联邦工业大学，数学家，现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才，被后人称为“现代计算机之父”和“博弈论之父”。他在泛函分析、遍历理论、几何学、拓扑学和数值分析等众多数学领域及计算机学、量子力学和经济学中都有重大成就，也为第一颗原子弹和第一台电子计算机的研制做出了巨大贡献。现代计算机之父，博弈论之父——冯·诺依曼1.2.1大师与通用机器•电子计算机通称电脑，简称计算机，是一种通用的信息处理机器，它能执行可以充分详细描述的任何过程。用于描述解决特定问题的步骤序列称为算法，算法可以变成软件（程序），确定硬件（物理机）能做什么和做了什么。创建软件的过程称为编程。•几乎每个人都用过计算机，人们玩计算机游戏，或用计算机写文章、在线购物、听音乐或通过社交媒体与朋友联系。计算机被用于预测天气、设计飞机、制作电影、经营企业、完成金融交易和控制工厂等。1.2.1大师与通用机器•世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC诞生于1946年，中国的第一台电子计算机诞生于1958年。在2019年6月17日公布的全球超算500强榜单中，中国以拥有219台超级计算机，继续蝉联全球拥有超算数量最多的国家。世界上第一台通用计算机ENIAC1.2.1大师与通用机器•但是，计算机到底是什么机器？一个计算设备怎么能执行这么多不同的任务呢？现代计算机可以被定义为“在可改变的程序的控制下，存储和操纵信息的机器”。该定义有两个关键要素：–第一，计算机是用于操纵信息的设备。这意味着我们可以将信息存入计算机，计算机将信息转换为新的、有用的形式，然后显示或以其他方式输出信息。–第二，计算机在可改变的程序的控制下运行。计算机不是唯一能操纵信息的机器。当你用简单的计算器来运算一组数字时，就是在输入信息（数字），处理信息（如计算连续的总和），然后输出信息（如显示）。1.2.1大师与通用机器•另一个简单的例子是油泵，给油箱加油时，油泵利用某些输入：当前每升汽油的价格和来自传感器的信号，读取汽油流入汽车油箱的速率。油泵将这个输入转换为加了多少汽油和应付多少钱的信息。但是，计算器或油泵并不是完整的计算机，尽管这些设备实际上可能包含有嵌入式计算机，与计算机不同，它们被构建为执行单个特定任务。1.2.2人工智能学科的诞生•人工智能甚至可以追溯到古埃及。电子计算机的出现使信息存储和处理的各个方面都发生了革命，计算机理论的发展产生了计算机科学并最终促使了人工智能的出现。计算机这个用电子方式处理数据的发明，为人工智能的可能实现提供了一种媒介。1.2.2人工智能学科的诞生•虽然计算机为人工智能提供了必要的技术基础，但人们直到上个世纪50年代早期才注意到人类智能与机器之间的联系。诺伯特·维纳是最早研究反馈理论的美国人之一，反馈控制的一个大家熟悉的例子是自动调温器，它将收集到的房间温度与人们希望的温度比较并做出反应，将加热器开大或关小，从而控制环境温度。这项对反馈回路的研究重要性在于：维纳从理论上指出，所有的智能活动都是反馈机制的结果，而反馈机制是有可能用机器模拟的。这项发现对早期人工智能的发展影响很大。1.2.2人工智能学科的诞生•电子计算机的出现，使技术上最终可以创造出机器智能，人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具，在以后的岁月中，无数科学家为这个目标努力着。如今，全世界几乎所有大学的计算机系都有人在研究这门学科，各个专业大学生也都开始学习这样一门课程，在大家不懈的努力下，计算机也似乎变得十分聪明了。•1956年夏季，以麦卡赛、明斯基、罗切斯特和申农等为首的一批有远见卓识的年轻科学家在达特茅斯学会上聚会，共同研究和探讨用机器模拟智能的一系列有关问题，首次提出了“人工智能（AI）”这一术语，它标志着“人工智能”这门新兴学科的正式诞生。1.2.2人工智能学科的诞生•1997年5月，IBM公司研制的深蓝计算机战胜了国际象棋大师卡斯帕洛夫，这是人工智能技术的一次完美表现。卡斯帕罗夫与深蓝对弈当中1.2.2人工智能学科的诞生•我国政府以及社会各界都高度重视人工智能学科的发展。2017年12月，人工智能入选“2017年度中国媒体十大流行语”。2019年6月17日，国家新一代人工智能治理专业委员会发布《新一代人工智能治理原则——发展负责任的人工智能》，提出了人工智能治理的框架和行动指南。这是中国促进新一代人工智能健康发展，加强人工智能法律、伦理、社会问题研究，积极推动人工智能全球治理的一项重要成果。1.2.3人工智能的发展历程•人工智能60余年的发展历程还是颇具周折的，大致可以划分为以下6个阶段：人工智能发展历程1.2.3人工智能的发展历程•一是起步发展期：1956年~20世纪60年代初。人工智能概念在首次被提出后，相继取得了一批令人瞩目的研究成果，如机器定理证明、跳棋程序、LISP表处理语言等，掀起了人工智能发展的第一个高潮。•二是反思发展期：60~70年代初。人工智能发展初期的突破性进展大大提升了人们对人工智能