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1、现代科学技术概论:人工智能An Introduction to Modern Science and Technology:Artificial Intelligence,目录 content,一、何谓人工智能 What is Artificial Intelligence?,一、何谓人工智能 What is Artificial Intelligence?,研究人类智能如何以人工方法来实现。,目前,用计算机模拟人类的某些智能活动,如推理、决策、规划、设计和学习等。,一、何谓人工智能:智能 What is Artificial Intelligence: intelligence,自然智能:指
2、人类和一些动物所具有的智力和行为能力,人类的自然智能(简称智能):指人类在认识客观世界中,由思维过程和脑力活动所表现出的综合能力。人类大脑是如何实现智能的 两大难题之一:宇宙起源、人脑奥秘 对人脑奥秘知之甚少对人脑奥秘知道什么 结构:1011-12 量级的神经元,分布并行 功能:记忆、思维、观察、分析 等对智能的严格定义 有待于人脑奥秘的揭示,进一步认识,一、何谓人工智能:智能的观点 What is Artificial Intelligence:viewpoints on intelligence,思维理论 智能来源于思维活动,智能的核心是思维,人的一切知识都是思维的产物。可望通过对思维规律
3、和思维方法的研究,来揭示智能的本质。知识阈值理论 智能取决于知识的数量及其可运用程度。一个系统所具有的可运用知识越多,其智能就会越高。进化理论 是美国MIT的Brooks在对人造机器虫研究的基础上提出来的。智能取决于感知和行为,取决于对外界复杂环境的适应,智能不需要知识、不需要表示、不需要推理,智能可由逐步进化来实现。不一致,从层次结构再认识,一、何谓人工智能:智能的层次结构 What is Artificial Intelligence:levels and structures of intelligence,高层智能 以大脑皮层(抑制中枢)为主,主要完成记忆、思维等活动。中层智能 以丘脑
4、(感觉中枢)为主,主要完成感知活动。低层智能 以小脑、脊髓为主,主要完成动作反应活动。不同观点在层次结构中的对应关系 思维理论 知识阈值理论 进化理论 中层智能和低层智能包含哪些能力?,一、何谓人工智能:智能包含的能力 What is Artificial Intelligence:intelligence and abilities,感知能力 通过感知器官感知外界的能力。是人类获得外界信息的基本途径,其处理方式有以下两种: 感知-动作方式:对简单、紧急信息 感知-思维-动作方式:对复杂信息 记忆和思维能力 记忆:对感知到的外界信息和由思维产生的内部知识的存储过程 思维:对已存储信息或知识的本
5、质属性、内部知识的认识过程 思维方式: 抽象思维(逻辑思维):根据逻辑规则对信息和知识进行处理的理性思维方式。例如,逻辑推理等 形象思维(直感思维):基于形象概念,根据感性形象认识材料对客观现象进行处理的一种思维方式。例如,图像、景物识别等 灵感思维(顿悟思维):是一种显意识和潜意识相互作用的思维方式。例如,因灵感而顿时开窍,一、何谓人工智能:智能包含的能力 What is Artificial Intelligence:intelligence and abilities,学习和自适应能力 学习:是一个具有特定目的的知识获取过程 是人的一种本能。不同人的学习方法、能力不同 自适应:是一种通过
6、自我调节适应外界环境的过程 是人的一种本能。不同人的适应能力不同行为能力 含义:是人们对感知到的外界信息作出动作反应的能力 信息来源:由感知直接获得的外界信息 经过思维加工后的信息 实现过程:通过脊髓来控制 由语言、表情、体姿等来实现,一、何谓人工智能:智能 What is Artificial Intelligence:intelligence,综合各种不同观点,可从能力和学科两个方面讨论能力方面 人工智能就是用人工的方法在机器(计算机)上实现的智能,或称机器智能学科方面 是一门研究如何构造智能机器或智能系统,以模拟、延伸和扩展人类智能的学科Turing测试 如下图所示。能分辨出人和机器的概
7、率小于50%Turing测试存在的问题 仅反映了结果的比较,没涉及思维过程 没指出是什么人,测试主持人,被测机器,被测人,小于50%?,Turing测试,1950,一、何谓人工智能:图灵测试 What is Artificial Intelligence:The Turing Test,测试主持人,被测机器,被测人,小于50%?,Turing测试,1950,一、何谓人工智能:中文屋 What is Artificial Intelligence:the Chinese room argument,一、何谓人工智能:中文屋 What is Artificial Intelligence:the
8、Chinese room argument,一个对中文一窍不通的,以英语作母语的人被关闭在一只有两个通口的封闭房间中。房间里有一本用英文写成,从形式上说明中文文字句法和文法组合规则的手册,以及一大堆中文符号。房外的人不断向房间内递进用中文写成的问题。房内的人便按照手册的说明,将中文符号组合成对问题的解答,并将答案递出房间。,一、何谓人工智能:中文屋 What is Artificial Intelligence:the Chinese room argument,一、何谓人工智能:目标 What is Artificial Intelligence:goals,远期目标 揭示人类智能的根本机理
9、,用智能机器去模拟、延伸和扩展人类的智能 涉及到脑科学、认知科学、计算机科学、系统科学、控制论等多种学科,并依赖于它们的共同发展近期目标 研究如何使现有的计算机更聪明,即使它能够运用知识去处理问题,能够模拟人类的智能行为。相互关系 远期目标为近期目标指明了方向 近期目标则为远期目标奠定了理论和技术基础,一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,Frankenstein,后被改编为电影,弗兰肯斯坦人造人的故事,http:/en.wikipedia.org/wiki/The_Turk,一、何谓人工智能:
10、历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,1770年, The Turk土耳其行棋傀儡,http:/,一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,Joseph Fabers Amazing Talking Machine (1830-40s) The Euphonia(塔纳格拉雀,美声裸鼻雀) Talking Head,聊天的机器,会说话的头(聊天之脑),The Euphonia,From http:/www.haskins
11、.yale.edu/haskins/HEADS/SIMULACRA/euphonia.html,一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,1920年捷克作家卡佩克(Karel Capek)的剧本RossumS Universal Robots,罗萨姆的万能机器人。剧中的人造劳动者取名为Robota,捷克语的意思是“苦力”、“奴隶”。英语的Robot一词就是由此而来的,以后世界各国都用Robot作为机器人的代名词。,Robot:机器人,CHEAP LABOR. ROSSUMS ROBOTS.ROBOT
12、S FOR THE TROPICS. 150 DOLLARS EACH.EVERYONE SHOULD BUY HIS OWN ROBOT.DO YOU WANT TO CHEAPEN YOUR OUTPUT?ORDER ROSSUMS ROBOTS,一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,技术发展,5thc B.C. 亚里士多德,演绎逻辑,1642,帕斯卡,加法机,1694,莱布尼兹,计算机器,一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Hi
13、storical Attempts,技术发展,1834,巴贝奇,分析机(差分机),一、何谓人工智能:历史上的尝试 What is Artificial Intelligence: Historical Attempts,逻辑发展,1848 布尔,逻辑运算,chocolate and nuts and mint,一、何谓人工智能:计算机的发明 What is Artificial Intelligence: computer,1945 ENIAC Electronic Numerical Integrator and Computer,一、何谓人工智能:计算机的发明 What is Artifi
14、cial Intelligence: computer,1949 EDVAC Electronic Discrete Variable Automatic Computer,一、何谓人工智能:人工智能的提出 What is Artificial Intelligence: A.I.,AI诞生于一次历史性的聚会时间:1956年夏季地点:达特莫斯 (Dartmouth) 大学目的:为使计算机变得更“聪明” ,或者说使计算机具有智能发起人: 麦卡锡(J.McCarthy) ,Dartmouth的年轻数学家、计算机专家,后为 MIT教授 明斯基(M.L.Minsky),哈佛大学数学家、神经学家,后为M
15、IT教授 洛切斯特(N.Lochester), IBM公司信息中心负责人 香农(C.E.Shannon),贝尔实验室信息部数学研究员参加人: 莫尔(T.more)、塞缪尔(A.L.Samuel), IBM公司 塞尔夫里奇(O.Selfridge)、索罗蒙夫(R.Solomonff) , MIT 纽厄尔(A.Newell),兰德(RAND)公司 西蒙(H.A.Simon),卡内基(Carnagie)工科大学会议结果: 由麦卡锡提议正式采用了“Artificial Intelligence”这一术语,一、何谓人工智能:早期研究 What is Artificial Intelligence: ea
16、rly research on A.I.,心理学小组:1957年,纽厄尔、肖(J.Shaw)和西蒙等人的心理学小组研制了称为逻辑理论机(简称LT)的数学定理证明程序。 1960年研制了通用问题求解程序。该程序当时可解决11种类型的问题,如不定积分、三角函数、代数方程、猴子摘香蕉、河内梵塔、人羊过河等。 IBM工程小组:1956年,塞缪尔在IBM704计算机上研制成功了具有自学习、自组织和自适应能力的西洋跳棋程序。这个程序可以从棋谱中学习,也可以在下棋过程中积累经验、提高棋艺。通过不断学习,该程序1959年击败了塞缪尔本人,1962年又击败了一个州的冠军。MIT小组:1958年,麦卡西建立了行动
17、规划咨询系统。 1960年,麦卡西又研制了人工智能语言LISP。 1961年,明斯基发表了“走向人工智能的步骤”的论文,推动了人工智能的发展。其他方面:1965年,鲁宾逊(J.A.Robinson)提出了归结(消解)原理。 1965年,费根鲍姆开始研究化学专家系统DENDRAL。,一、何谓人工智能:挫折 What is Artificial Intelligence: frustration,失败的预言: 60年代初,西蒙预言:10年内计算机将成为世界冠军、将证明一个未发现的数学定理、将能谱写出具有优秀作曲家水平的乐曲、大多数心理学理论将在计算机上形成。 挫折和教训 在博弈方面,塞缪尔的下棋程
18、序在与世界冠军对弈时,5局败了4局。 在定理证明方面,发现鲁宾逊归结法的能力有限。当用归结原理证明两个连续函数之和还是连续函数时,推了10万步也没证出结果。 在问题求解方面,对于不良结构,会产生组合爆炸问题。 在机器翻译方面,发现并不那么简单,甚至会闹出笑话。例如,把“心有余而力不足”的英语句子翻译成俄语,再 翻译回来时竟变成了“酒是好的,肉变质了” 在神经生理学方面,研究发现人脑有1011-12以上的神经元,在现有技术条件下用机器从结构上模拟人脑是根本不可能的。 在其它方面,人工智能也遇到了不少问题。在英国,剑桥大学的詹姆教授指责“人工智能研究不是骗局,也是庸人自扰” 。从此,形势急转直下,
19、在全世界范围内人工智能研究陷入困境、落入低谷。,一、何谓人工智能:以知识为中心的研究 What is Artificial Intelligence: knowledge-oriented researches,以知识为中心的研究: 专家系统实现了人工智能从理论研究走向实际应用,从一般思维规律探讨走向专门知识运用的重大突破,是AI发展史上的一次重要转折。 1972年,费根鲍姆开始研究MYCIN专家系统,并于1976年研制成功。从应用角度看,它能协助内科医生诊断细菌感染疾病,并提供最佳处方。从技术角度看,他解决了知识表示、不精确推理、搜索策略、人机联系、知识获取及专家系统基本结构等一系列重大技术
20、问题。 1976年,斯坦福大学的杜达(R.D.Duda)等人开始研制地质勘探专家系统PROSPECTOR 这一时期,与专家系统同时发展的重要领域还有计算机视觉和机器人,自然语言理解与机器翻译等。 新的问题: 专家系统本身所存在的应用领域狭窄、缺乏常识性知识、知识获取困难、推理方法单一、没有分布式功能、不能访问现存数据库等问题被逐渐暴露出来。,一、何谓人工智能:从学派分立到综合 What is Artificial Intelligence: synthesis,20世纪80年代到本世纪初人工智能研究形成了三大学派: 随着人工神经网络的再度兴起和布鲁克(R.A.Brooks)的机器虫的出现,人工
21、智能研究形成了符号主义、连接主义和行为主义三大学派。 符号主义学派 是指基于符号运算的人工智能学派,他们认为知识可以用符号来表示,认知可以通过符号运算来实现。例如,专家系统等。连接主义学派 是指神经网络学派,在神经网络方面,继鲁梅尔哈特研制出BP网络之后,1987年,首届国际人工神经网络学术大会在美国的圣迭戈(San-Diego)举行,掀起了人工神经网络的第二次高潮。之后,随着模糊逻辑和进化计算的逐步成熟,又形成了“计算智能”这个统一的学科范畴。 行为主义学派 是指进化主义学派,在行为模拟方面,麻省理工学院的布鲁克教授1991年研制成功了能在未知的动态环境中漫游的有6条腿的机器虫。三大学派的综
22、合集成 随着研究和应用的深入,人们又逐步认识到,三个学派各有所长,各有所短,应相互结合、取长补短,综合集成。,一、何谓人工智能:智能科学技术 What is Artificial Intelligence: intelligent science and technology,本世纪初以来:一个以人工智能为核心,以自然智能、人工智能、集成智能为一体的新的智能科学技术学科正在逐步兴起,并引起了人们的极大关注。该学科研究的主要特征包括以下几个方面: (1) 由对人工智能的单一研究走向以自然智能、人工智能、集成智能为一体的协同研究; (2) 由人工智能学科的独立研究走向重视与脑科学、认知科学、等学科的交叉研究; (3) 由多个不同学派的独立研究走向多学派的综合研究; (4) 由对个体、集中智能的研究走向对群体、分布智能的研究。,