課件收集人工智能ai1introduction

人工智能

ArtificialIntelligence河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院鄒陽(yáng)編寫(xiě)孟朝暉修改教材與參考書(shū)StuartRussellandPeterNorvig,Artificialintelligence—

Amodernapproach,清華大學(xué)出版社,2006.5.（第2版）,2011.7.（第3版）ArtificialIntelligence—

ANewSynthesis,NilsJ.Nilsson,ChinaMachinePress,1999.陸汝鈐，人工智能（上、下），科學(xué)出版社。史忠植，高級(jí)人工智能，科學(xué)出版社。石純一，人工智能原理，清華大學(xué)出版社。吳泉源，人工智能與專家系統(tǒng)，國(guó)防科大出版社。CourseoverviewIntroductionandAgents(chapters1,2)Search(chapters3,4,5,6)KnowledgeandReasoning(chapters7,8,9,10)Planning(chapters11,12)Uncertainty(chapters13,14)MachineLearning(chapters18,20)NaturalLanguageProcessing(chapter22,23)本課程的要求掌握各種搜索算法、知識(shí)表示和推理的方法和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法；進(jìn)行相關(guān)專題研究考試成績(jī)?cè)u(píng)定：認(rèn)真聽(tīng)課+檢索與閱讀筆記+考試第一章緒論什么是人工智能人工智能的發(fā)展歷史人工智能的研究?jī)?nèi)容人工智能系統(tǒng)框架1.1什么是人工智能AI就是讓機(jī)器完成那些如果由人來(lái)做需要智能的事情的科學(xué)（M.Minsky）AI是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一個(gè)分支，涉及到智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)顯示人類行為中與智能有關(guān)的某些特征（E.A.Feigenbaum）AI,broadly(andsomewhatcircularly)defined,isconcernedwithintelligentbehaviorinartifacts（N.J.Nilsson）什么是人工智能AI有三個(gè)主要目標(biāo)：（A.Sloman）對(duì)智能行為有效解釋的理論分析解釋人類智能構(gòu)造智能的人工制品什么是人工智能"AIisthestudyofcomplexinformationprocessingproblemsthatoftenhavetheirrootsinsomeaspectofbiologicalinformationprocessing.Thegoalofthesubjectistoidentifysolvableandinterestinginformationprocessingproblems,andsolvethem."---DavidMarr什么是人工智能"AIisthedesign,studyandconstructionofcomputerprogramsthatbehaveintelligently."---TomDean什么是人工智能IntelligentconnectionofperceptionandactionAIisnotcenteredaroundrepresentationoftheworld,butaroundactionintheworld什么是人工智能AI:研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學(xué)科。其主要任務(wù)是建立智能信息處理理論，進(jìn)而設(shè)計(jì)可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計(jì)算系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)百科全書(shū)，清華大學(xué)出版社）什么是人工智能AIistheintelligenceofmachinesandthebranchofcomputersciencewhichaimstocreateit.Textbooksdefinethefieldas“thestudyanddesignofintelligentagents,”whereanintelligentagentisasystemthatperceivesitsenvironmentandtakesactionswhichmaximizeitschancesofsuccess.(Wikipedia,freeencyclopedia)例一洗衣機(jī)（家用電器）例二IBM的“深藍(lán)”

北京時(shí)間1997年5月12日凌晨4點(diǎn)50分，美國(guó)紐約公平大廈，當(dāng)IBM公司的“深藍(lán)”超級(jí)電腦將棋盤上的一個(gè)兵走到C4的位置上時(shí)，國(guó)際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫?qū)Α吧钏{(lán)”的人機(jī)大戰(zhàn)落下帷幕，“深藍(lán)”以3.5：2.5的總比分戰(zhàn)勝卡斯帕羅夫。例二（續(xù)）IBM“深藍(lán)”技術(shù)指標(biāo)32個(gè)CPU每個(gè)CPU有16個(gè)協(xié)處理器每個(gè)CPU有256M內(nèi)存每個(gè)CPU的處理速度為200萬(wàn)步/秒例三（摘自《意林》07年第14期）甲，乙，丙，丁四人是倉(cāng)庫(kù)的保管員。一天倉(cāng)庫(kù)被盜，經(jīng)過(guò)偵查，發(fā)現(xiàn)四個(gè)保管員均有作案嫌疑。又經(jīng)核實(shí)，發(fā)現(xiàn)是四人中的兩人作案。找到的可靠線索有：（1）甲、乙兩個(gè)中有且只有一個(gè)人去過(guò)倉(cāng)庫(kù)；（2）乙和丁不會(huì)同時(shí)去倉(cāng)庫(kù)；（3）丙若去倉(cāng)庫(kù)，丁必同去；（4）丁若沒(méi)去倉(cāng)庫(kù)，則甲也沒(méi)去。試斷案。例四機(jī)器翻譯（英俄翻譯）：

Thespiritiswillingbutthefleshisweak.

（心有余而力不足）

Thevodkaisstrongbutmeatisrotten.

（伏特加酒雖然很濃，但肉是腐爛的）WhatisAI?ViewsofAIfallintofourcategories:

Thinkinghumanly Thinkingrationally Actinghumanly Actingrationally

Thetextbookadvocates"actingrationally"Actinghumanly:TheTuringtestTuring(1950)"Computingmachineryandintelligence":"Canmachinesthink?""Canmachinesbehaveintelligently?"Operationaltestforintelligentbehavior:theImitationGamePredictedthatby2000,amachinemighthavea30%chanceoffoolingalaypersonfor5minutesAnticipatedallmajorargumentsagainstAIinfollowing50yearsSuggestedmajorcomponentsofAI:knowledge,reasoning,languageunderstanding,learningActinghumanly:TheTuringtestProblem:Turingtestisnotreproducible,constructive,oramenabletomathematicalanalysisThinkinghumanly:CognitiveScience1960s"cognitiverevolution":information-processingpsychologyreplacedprevailingorthodoxyofbehaviorismRequiresscientifictheoriesofinternalactivitiesofthebrain-Whatlevelofabstraction?"Knowledge"or"circuits"?-Howtovalidate?Requires1)Predictingandtestingbehaviorofhumansubjects(top-down)or2)Directidentificationfromneurologicaldata(bottom-up)Bothapproaches(roughly,CognitiveScienceandCognitiveNeuroscience)arenowdistinctfromAIBothsharewithAIthefollowingcharacteristic:theavailabletheoriesdonotexplain(orengender)anythingresemblinghuman-levelgeneralintelligenceThinkingrationally:LawsofThoughtAristotle:whatarecorrectarguments/thoughtprocesses?SeveralGreekschoolsdevelopedvariousformsoflogic:

notation

and

rulesofderivationforthoughtsmayormaynothaveproceededtotheideaofmechanizationDirectlinethroughmathematicsandphilosophytomodernAIProblems:1)Notallintelligentbehaviorismediatedbylogicaldeliberation2)Whatisthepurposeofthinking?WhatthoughtsshouldIhaveoutofallthethoughts(logicalorotherwise)thatI

couldhave?ActingrationallyRationalbehavior:doingtherightthingTherightthing:thatwhichisexpectedtomaximizegoalachievement,giventheavailableinformationDoesn'tnecessarilyinvolvethinking—e.g.,blinkingreflex—butthinkingshouldbeintheserviceofrationalactionAristotle(acheanEthics):Everyartandeveryinquiry,andsimilarlyeveryactionandpursuit,isthoughttoaimatsomegoodRationalagentsAnagentisanentitythatperceivesandactsThiscourseisaboutdesigningrationalagentsAbstractly,anagentisafunctionfrompercepthistoriestoactions:[f:P*A]Foranygivenclassofenvironmentsandtasks,weseektheagent(orclassofagents)withthebestperformanceCaveat:computationallimitationsmakeperfectrationalityunachievabledesignbestprogramforgivenmachineresources1.2人工智能發(fā)展歷史1956~隨計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而誕生是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支多學(xué)科交叉：數(shù)學(xué)、物理、心理學(xué)、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、哲學(xué)等等相關(guān)學(xué)科Philosophy---logic,methodsofreasoning;mindasphysicalsystem,foundationsoflearning,language,rationalityMathematics---formalrepresentationandproof;algorithms,computation,(un)decidability,(in)tractability,probabilityEconomics---utility,decisiontheoryNeuroscience---physicalsubstrateformentalactivityPsychology---phenomenaofperceptionandmotorcontrol,experimentaltechniques相關(guān)學(xué)科（續(xù)）Computerengineering---buildingfastcomputers

Controltheory---designsystemsthatmaximizeanobjectivefunctionovertimeLinguistics---knowledgerepresentation,grammar為什么AI有必要成為一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域？和控制論、運(yùn)籌學(xué)、決策理論的目標(biāo)類似為什么不是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支？

AI從一開(kāi)始就承載著復(fù)制人類智能的思想方法論的不同

AI屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)的分支

AI試圖建造在復(fù)雜和變化的環(huán)境中自動(dòng)發(fā)揮功能的機(jī)器人工智能發(fā)展歷史第一階段：孕育期（1943~1956）McCulloch&Pitts:提出一種人工神經(jīng)元模型（Booleancircuitmodelofbrain）M.MinskyandD.Edmonds:1951年建造了第一臺(tái)神經(jīng)元計(jì)算機(jī)。Turing:"ComputingMachineryandIntelligence"人工智能發(fā)展歷史第二階段：人工智能的誕生（1956）Dartmouthmeeting:"ArtificialIntelligence"adoptedJohnMcCarthy,Allen.NewellandHerbert.Simon,M.Minsky,C.ShannonMIT,CMU,Standford,IBM人工智能發(fā)展歷史第三階段：熱情、期望（1952~1969）A.NewellandH.Simon:通用問(wèn)題求解器GPS，物理符號(hào)系統(tǒng)假設(shè)：“一個(gè)物理符號(hào)系統(tǒng)具有必要和足夠的方式產(chǎn)生一般智能行為”幾何定理證明機(jī)、西洋跳棋程序JohnMcCarthy：LISP、AdviceTakerJ.A.Robinson:歸結(jié)方法（completealgorithmforlogicalreasoning）人工智能發(fā)展歷史第四階段：現(xiàn)實(shí)困難（1966~1974）早期的程序很少包含關(guān)于主題的知識(shí)，如機(jī)器翻譯問(wèn)題AI試圖解決的很多問(wèn)題不可操作：?jiǎn)栴}“放大”時(shí)的復(fù)雜性問(wèn)題，“組合爆炸”用于產(chǎn)生智能行為的基本結(jié)構(gòu)的限制：如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究人工智能發(fā)展歷史第五階段：基于知識(shí)的系統(tǒng)（1969~1979）EdFeigenbaum（H.Simon的學(xué)生）：專家系統(tǒng)

DENDRAL化學(xué)分析專家系統(tǒng)（斯坦福大學(xué)1968）

MACSYMA符號(hào)數(shù)學(xué)專家系統(tǒng)（麻省理工1971）

MYCIN診斷和治療細(xì)菌感染性血液病的專家咨詢系統(tǒng)（斯坦福大學(xué)1973）相關(guān)問(wèn)題：領(lǐng)域知識(shí)、知識(shí)的表示和推理

人工智能發(fā)展歷史第六階段：AI成為工業(yè)---知識(shí)工程（1980~）第一個(gè)商用專家系統(tǒng)R1（DEC）日本的“第五代計(jì)算機(jī)”計(jì)劃

人工智能發(fā)展歷史第七階段：神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的回歸（1980~）BP算法并行分布式處理連接主義，與符號(hào)主義對(duì)應(yīng)人工智能發(fā)展歷史第八階段：AI成為科學(xué)（1987~）與控制論和統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)理論的融合語(yǔ)音設(shè)別：隱馬爾可夫模型數(shù)據(jù)挖掘：概率推理：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)人工智能發(fā)展歷史第九階段：智能Agent（1995~）智能AgentInternet環(huán)境感知系統(tǒng)（視覺(jué)、聲音）不能很好的傳遞關(guān)于環(huán)境的可靠信息？PottedhistoryofAI1.3人工智能研究?jī)?nèi)容知識(shí)表示與推理：自動(dòng)推理、定理機(jī)器證明、專家系統(tǒng)、空間知識(shí)表示和推理狀態(tài)空間搜索：A*、博弈機(jī)器學(xué)習(xí)模式識(shí)別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自然語(yǔ)言處理Agent、分布式AI機(jī)器人自動(dòng)推理人工智能的核心技術(shù)方法：歸結(jié)、表方法、基于公理的系統(tǒng)、自然演繹方法、重寫(xiě)系統(tǒng)（等詞推理）、實(shí)例化方法（Robinson,Handbookofautomatedreasoning）、非經(jīng)典邏輯的歸結(jié)方法吳文?。ā皡欠椒ā?，Herbrand獎(jiǎng)，1997）定理機(jī)器證明利用計(jì)算機(jī)證明非數(shù)值性的結(jié)論，也就是判斷它們的真?zhèn)畏椒ǎ鹤匀谎堇[法、歸結(jié)法、人機(jī)交互進(jìn)行定理證明專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)能在某特定領(lǐng)域內(nèi)，以人類專家水平去解決該領(lǐng)域中難題的計(jì)算機(jī)程序啟發(fā)性、透明性、高性能、靈活性智能診斷與智能規(guī)劃診斷方法：基于模型的診斷應(yīng)用：電路和電網(wǎng)故障查找、通信網(wǎng)絡(luò)故障診斷規(guī)劃：?jiǎn)栴}求解技術(shù)，從某個(gè)特定問(wèn)題的初始狀態(tài)出發(fā)，尋找達(dá)到解決該問(wèn)題的目標(biāo)狀態(tài)的動(dòng)作序列。方法：現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的知識(shí)表示、啟發(fā)式策略應(yīng)用：航空航天、機(jī)器人控制、后勤調(diào)度時(shí)間和空間知識(shí)表示和推理應(yīng)用：GIS、機(jī)器人學(xué)、自然語(yǔ)言處理時(shí)態(tài)推理模型：區(qū)間代數(shù)著名的空間關(guān)系模型：區(qū)域連接演算8、拓?fù)浯鷶?shù)、9-交模型（表達(dá)三維空間拓?fù)潢P(guān)系的常用方法）博弈對(duì)抗搜索問(wèn)題機(jī)器學(xué)習(xí)如果一個(gè)系統(tǒng)能夠通過(guò)執(zhí)行某些過(guò)程而改進(jìn)它的性能，這就是學(xué)習(xí)（H.Simon）；如何使信息自動(dòng)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，是機(jī)器學(xué)習(xí)的任務(wù)（Machinelearningisconcernedwiththedesignanddevelopmentofalgorithmsthatallowcomputerstolearnbasedondata,suchasfromsensordataordatabases.Amajorfocusofmachinelearningresearchistoautomaticallylearntorecognizecomplexpatternsandmakeintelligentdecisionsbasedondata.）機(jī)器學(xué)習(xí)是在噪音的環(huán)境下進(jìn)行,根據(jù)有限次觀測(cè)獲得的數(shù)據(jù)集合（樣本集），估計(jì)一個(gè)在一定概率意義下對(duì)問(wèn)題世界為真的模型的過(guò)程（算法）方法：統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)（Vapnik）、基于弱分類器的方法針對(duì)不同數(shù)據(jù)和應(yīng)用場(chǎng)景的學(xué)習(xí)：半監(jiān)督的學(xué)習(xí)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)、關(guān)系學(xué)習(xí)模式識(shí)別是指對(duì)表征事物或現(xiàn)象的各種形式的（數(shù)值的、文字的和邏輯關(guān)系的）信息進(jìn)行處理和分析,以對(duì)事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過(guò)程（PatternRecognitionis“theactoftakinginrawdataandtakinganactionbasedonthecategoryofthedata”.Patternrecognitionaimstoclassifydata(patterns)basedeitheronaprioriknowledgeoronstatisticalinformationextractedfromthepatterns.）圖形圖象識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

以模式識(shí)別基礎(chǔ)理論、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及語(yǔ)音語(yǔ)言信息處理為主要研究方向，研究人類模式識(shí)別的機(jī)理以及有效的計(jì)算方法，為開(kāi)發(fā)智能系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)，為探求人類智力的本質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由具有適應(yīng)性的簡(jiǎn)單單元組成的廣泛并行互連的網(wǎng)絡(luò)，它的組織能夠模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)真實(shí)世界物體所作出的交互反應(yīng)?！保═.Kohonen）

Artificialneuralnetworksaremadeupofinterconnectingartificialneurons(programmingconstructsthatmimicthepropertiesofbiologicalneurons)自然語(yǔ)言處理使用計(jì)算機(jī)理解和生成自然語(yǔ)言的基礎(chǔ)理論和基本技術(shù)口語(yǔ)（語(yǔ)音識(shí)別、合成）書(shū)面語(yǔ)（摘要、文本檢索、機(jī)器翻譯）研究方法：基于規(guī)則、基于實(shí)例、基于統(tǒng)計(jì)自然語(yǔ)言處理基于統(tǒng)計(jì)的機(jī)譯系統(tǒng)：“絲路”（中科院計(jì)算所）漢英翻譯：Google、ISI（科學(xué)情報(bào)所）Agent是一個(gè)程序，擁有知識(shí)、智能以及針對(duì)環(huán)境采取動(dòng)作，通過(guò)改變環(huán)境以逐步達(dá)到目標(biāo)的能力。一群相互作用的Agent的集合稱為多Agent系統(tǒng)研究：Agent模型、多Agent系統(tǒng)合作求解方法、面向Agent的軟件工程分布式AI一般由多個(gè)Agent組成，每個(gè)Agent又是一個(gè)半自治系統(tǒng)，Agent之間以及它與環(huán)境之間進(jìn)行并發(fā)活動(dòng)，并進(jìn)行交互來(lái)完成問(wèn)題求解。機(jī)器人是一種可再編程序的多功能的操作裝置元器件視覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器識(shí)別外界環(huán)境路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)學(xué)求解人工智能的研究熱點(diǎn)新的知識(shí)表示、獲取與推理方法智能Agent及其與WEB/INTERNET的結(jié)合并行與分布式處理機(jī)器學(xué)習(xí)感知技術(shù)、環(huán)境自適應(yīng)1.4AFrameworkforBuildingAISystemsPerceptionReasoningActionPerceptionIntelligentbiologicalsystemsarephysicallyembodiedintheworldandexperiencetheworldthroughtheirsensors(senses).Foranautonomousvehicle,inputmightbeimagesfromacameraandrangeinformationfromarangefinder.Foramedicaldiagnosissystem,perceptionisthesetofsymptomsandtestresultsthathavebeenobtainedandinputtothesystemmanually.Includesareasofvision,speechprocessing,naturallanguageprocessing,andsignalprocessing(e.g.,marketdataandacousticdata).ReasoningInference,decision-making,classificationfromwhatissensedandwhattheinternal"model"isoftheworld.Mightbeaneuralnetwork,logicaldeductionsystem,HiddenMarkovModelinduction,heuristicsearchingaproblemspace,BayesNetworkinference,geneticalgorithms,etc.Includesareasofknowledgerepresentation,problemsolving,decisiontheory,planning,gametheory,machinelearning,uncertaintyreasoning,etc.ActionBiologicalsystemsinteractwithintheirenvironmentbyactuation,speech,etc.Allbehavioriscenteredaroundactionsintheworld.ExamplesincludecontrollingthesteeringofaMarsroverorautonomousvehicle,orsuggestingtestsandmakingdiagnosesforamedicaldiagnosissystem.Inclu