課件收集人工智能ai1introduction

人工智能

ArtificialIntelligence河海大學計算機與信息學院鄒陽編寫孟朝暉修改教材與參考書StuartRussellandPeterNorvig,Artificialintelligence—

Amodernapproach,清華大學出版社,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），科學出版社。史忠植，高級人工智能，科學出版社。石純一，人工智能原理，清華大學出版社。吳泉源，人工智能與專家系統(tǒng)，國防科大出版社。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、知識表示和推理的方法和機器學習的方法；進行相關專題研究考試成績評定：認真聽課+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內容人工智能系統(tǒng)框架1.1什么是人工智能AI就是讓機器完成那些如果由人來做需要智能的事情的科學（M.Minsky）AI是計算機科學中的一個分支，涉及到智能計算機系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)顯示人類行為中與智能有關的某些特征（E.A.Feigenbaum）AI,broadly(andsomewhatcircularly)defined,isconcernedwithintelligentbehaviorinartifacts（N.J.Nilsson）什么是人工智能AI有三個主要目標：（A.Sloman）對智能行為有效解釋的理論分析解釋人類智能構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)律的一門學科。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現(xiàn)某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)（計算機科學技術百科全書，清華大學出版社）什么是人工智能AIistheintelligenceofmachinesandthebranchofcomputersciencewhichaimstocreateit.Textbooksdefinethefieldas“thestudyanddesignofintelligentagents,”whereanintelligentagentisasystemthatperceivesitsenvironmentandtakesactionswhichmaximizeitschancesofsuccess.(Wikipedia,freeencyclopedia)例一洗衣機（家用電器）例二IBM的“深藍”

北京時間1997年5月12日凌晨4點50分，美國紐約公平大廈，當IBM公司的“深藍”超級電腦將棋盤上的一個兵走到C4的位置上時，國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫對“深藍”的人機大戰(zhàn)落下帷幕，“深藍”以3.5：2.5的總比分戰(zhàn)勝卡斯帕羅夫。例二（續(xù)）IBM“深藍”技術指標32個CPU每個CPU有16個協(xié)處理器每個CPU有256M內存每個CPU的處理速度為200萬步/秒例三（摘自《意林》07年第14期）甲，乙，丙，丁四人是倉庫的保管員。一天倉庫被盜，經(jīng)過偵查，發(fā)現(xiàn)四個保管員均有作案嫌疑。又經(jīng)核實，發(fā)現(xiàn)是四人中的兩人作案。找到的可靠線索有：（1）甲、乙兩個中有且只有一個人去過倉庫；（2）乙和丁不會同時去倉庫；（3）丙若去倉庫，丁必同去；（4）丁若沒去倉庫，則甲也沒去。試斷案。例四機器翻譯（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~隨計算機的出現(xiàn)而誕生是計算機科學的一個分支多學科交叉：數(shù)學、物理、心理學、電子工程、計算機科學、神經(jīng)科學、哲學等等相關學科Philosophy---logic,methodsofreasoning;mindasphysicalsystem,foundationsoflearning,language,rationalityMathematics---formalrepresentationandproof;algorithms,computation,(un)decidability,(in)tractability,probabilityEconomics---utility,decisiontheoryNeuroscience---physicalsubstrateformentalactivityPsychology---phenomenaofperceptionandmotorcontrol,experimentaltechniques相關學科（續(xù)）Computerengineering---buildingfastcomputers

Controltheory---designsystemsthatmaximizeanobjectivefunctionovertimeLinguistics---knowledgerepresentation,grammar為什么AI有必要成為一個單獨的領域？和控制論、運籌學、決策理論的目標類似為什么不是數(shù)學的一個分支？

AI從一開始就承載著復制人類智能的思想方法論的不同

AI屬于計算機科學的分支

AI試圖建造在復雜和變化的環(huán)境中自動發(fā)揮功能的機器人工智能發(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年建造了第一臺神經(jīng)元計算機。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:通用問題求解器GPS，物理符號系統(tǒng)假設：“一個物理符號系統(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、西洋跳棋程序JohnMcCarthy：LISP、AdviceTakerJ.A.Robinson:歸結方法（completealgorithmforlogicalreasoning）人工智能發(fā)展歷史第四階段：現(xiàn)實困難（1966~1974）早期的程序很少包含關于主題的知識，如機器翻譯問題AI試圖解決的很多問題不可操作：問題“放大”時的復雜性問題，“組合爆炸”用于產(chǎn)生智能行為的基本結構的限制：如神經(jīng)網(wǎng)絡的研究人工智能發(fā)展歷史第五階段：基于知識的系統(tǒng)（1969~1979）EdFeigenbaum（H.Simon的學生）：專家系統(tǒng)

DENDRAL化學分析專家系統(tǒng)（斯坦福大學1968）

MACSYMA符號數(shù)學專家系統(tǒng)（麻省理工1971）

MYCIN診斷和治療細菌感染性血液病的專家咨詢系統(tǒng)（斯坦福大學1973）相關問題：領域知識、知識的表示和推理

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

人工智能發(fā)展歷史第七階段：神經(jīng)元網(wǎng)絡的回歸（1980~）BP算法并行分布式處理連接主義，與符號主義對應人工智能發(fā)展歷史第八階段：AI成為科學（1987~）與控制論和統(tǒng)計學等相關理論的融合語音設別：隱馬爾可夫模型數(shù)據(jù)挖掘：概率推理：貝葉斯網(wǎng)絡人工智能發(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、聲音）不能很好的傳遞關于環(huán)境的可靠信息？PottedhistoryofAI1.3人工智能研究內容知識表示與推理：自動推理、定理機器證明、專家系統(tǒng)、空間知識表示和推理狀態(tài)空間搜索：A*、博弈機器學習模式識別人工神經(jīng)網(wǎng)絡自然語言處理Agent、分布式AI機器人自動推理人工智能的核心技術方法：歸結、表方法、基于公理的系統(tǒng)、自然演繹方法、重寫系統(tǒng)（等詞推理）、實例化方法（Robinson,Handbookofautomatedreasoning）、非經(jīng)典邏輯的歸結方法吳文俊（“吳方法”，Herbrand獎，1997）定理機器證明利用計算機證明非數(shù)值性的結論，也就是判斷它們的真?zhèn)畏椒ǎ鹤匀谎堇[法、歸結法、人機交互進行定理證明專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個能在某特定領域內，以人類專家水平去解決該領域中難題的計算機程序啟發(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：基于模型的診斷應用：電路和電網(wǎng)故障查找、通信網(wǎng)絡故障診斷規(guī)劃：問題求解技術，從某個特定問題的初始狀態(tài)出發(fā)，尋找達到解決該問題的目標狀態(tài)的動作序列。方法：現(xiàn)實問題的知識表示、啟發(fā)式策略應用：航空航天、機器人控制、后勤調度時間和空間知識表示和推理應用：GIS、機器人學、自然語言處理時態(tài)推理模型：區(qū)間代數(shù)著名的空間關系模型：區(qū)域連接演算8、拓撲代數(shù)、9-交模型（表達三維空間拓撲關系的常用方法）博弈對抗搜索問題機器學習如果一個系統(tǒng)能夠通過執(zhí)行某些過程而改進它的性能，這就是學習（H.Simon）；如何使信息自動轉化為知識，是機器學習的任務（Machinelearningisconcernedwiththedesignanddevelopmentofalgorithmsthatallowcomputerstolearnbasedondata,suchasfromsensordataordatabases.Amajorfocusofmachinelearningresearchistoautomaticallylearntorecognizecomplexpatternsandmakeintelligentdecisionsbasedondata.）機器學習是在噪音的環(huán)境下進行,根據(jù)有限次觀測獲得的數(shù)據(jù)集合（樣本集），估計一個在一定概率意義下對問題世界為真的模型的過程（算法）方法：統(tǒng)計學習（Vapnik）、基于弱分類器的方法針對不同數(shù)據(jù)和應用場景的學習：半監(jiān)督的學習、增強學習、關系學習模式識別是指對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的（數(shù)值的、文字的和邏輯關系的）信息進行處理和分析,以對事物或現(xiàn)象進行描述、辨認、分類和解釋的過程（PatternRecognitionis“theactoftakinginrawdataandtakinganactionbasedonthecategoryofthedata”.Patternrecognitionaimstoclassifydata(patterns)basedeitheronaprioriknowledgeoronstatisticalinformationextractedfromthepatterns.）圖形圖象識別、語音識別中科院自動化所模式識別國家重點實驗室

以模式識別基礎理論、圖像處理與計算機視覺以及語音語言信息處理為主要研究方向，研究人類模式識別的機理以及有效的計算方法，為開發(fā)智能系統(tǒng)提供關鍵技術，為探求人類智力的本質提供科學依據(jù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡“人工神經(jīng)網(wǎng)絡是由具有適應性的簡單單元組成的廣泛并行互連的網(wǎng)絡，它的組織能夠模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)對真實世界物體所作出的交互反應?！保═.Kohonen）

Artificialneuralnetworksaremadeupofinterconnectingartificialneurons(programmingconstructsthatmimicthepropertiesofbiologicalneurons)自然語言處理使用計算機理解和生成自然語言的基礎理論和基本技術口語（語音識別、合成）書面語（摘要、文本檢索、機器翻譯）研究方法：基于規(guī)則、基于實例、基于統(tǒng)計自然語言處理基于統(tǒng)計的機譯系統(tǒng)：“絲路”（中科院計算所）漢英翻譯：Google、ISI（科學情報所）Agent是一個程序，擁有知識、智能以及針對環(huán)境采取動作，通過改變環(huán)境以逐步達到目標的能力。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Agent組成，每個Agent又是一個半自治系統(tǒng)，Agent之間以及它與環(huán)境之間進行并發(fā)活動，并進行交互來完成問題求解。機器人是一種可再編程序的多功能的操作裝置元器件視覺、觸覺等傳感器識別外界環(huán)境路徑規(guī)劃運動學求解人工智能的研究熱點新的知識表示、獲取與推理方法智能Agent及其與WEB/INTERNET的結合并行與分布式處理機器學習感知技術、環(huán)境自適應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