第一章人工智能基础.ppt

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1、人工智能人工智能基础基础北京理工大学软件学院l主讲教师：胡晶晶主讲教师：胡晶晶 （软件学院）（软件学院）E_mail E_mail：l参考教材：参考教材：人工智能原理与方法人工智能原理与方法 作者：王永庆作者：王永庆 （西安交通大学出版社）（西安交通大学出版社）人工智能及其应用人工智能及其应用 作者：蔡自兴作者：蔡自兴 徐光祐徐光祐 （清华大学出版社）（清华大学出版社）2第第1章章 绪论绪论绪论绪论4 人工智能（人工智能（Artificial Intelligence,AI）是当前科学技术发展中的一门前沿学科。是当前科学技术发展中的一门前沿学科。人工智能是在计算机科学、控制论、信息人工智能是在

2、计算机科学、控制论、信息论、神经心理学、哲学等多种学科研究的基础论、神经心理学、哲学等多种学科研究的基础上发展起来的。上发展起来的。工业革命主要是延长了人手的功能，把人工业革命主要是延长了人手的功能，把人类从繁重的体力劳动中解放出来，而人工智能类从繁重的体力劳动中解放出来，而人工智能延伸了人脑的功能，实现脑力劳动的自动化。延伸了人脑的功能，实现脑力劳动的自动化。5 20 20世纪世纪4040位图灵奖获得者中有位图灵奖获得者中有6 6名人工智名人工智能学者，可见人工智能学科影响之深远。能学者，可见人工智能学科影响之深远。19691969年：马文年：马文明斯基明斯基 1971 1971年：约翰年：

3、约翰麦卡锡麦卡锡 1975 1975年：赫伯特年：赫伯特西蒙和艾伦西蒙和艾伦纽厄尔纽厄尔 19941994年年：爱爱德德华华费费根根鲍鲍姆姆和和劳劳伊伊雷雷迪迪6人人工工智智能能前前景景诱诱人人，同同时时也也任任重重而而道道远远。本本章章作为概述，主要介绍作为概述，主要介绍:v 人工智能的定义人工智能的定义v 人工智能的产生和发展人工智能的产生和发展v 人工智能技术特点人工智能技术特点v 人工智能学派人工智能学派v 人工智能在中国人工智能在中国1.1 人工智能定义7 第一第一，人工智能和其他许多新兴学科一样，至，人工智能和其他许多新兴学科一样，至今尚无一个统一的定义，所谓人工智能的定义，今尚无

4、一个统一的定义，所谓人工智能的定义，只能是人工智能学者根据对它的已有认识所作的只能是人工智能学者根据对它的已有认识所作的一些不同解释。一些不同解释。第二第二，人工智能的定义依赖于智能的定义。，人工智能的定义依赖于智能的定义。因此，要定义人工智能，首先应该定义智能。因此，要定义人工智能，首先应该定义智能。8 通俗地说，通俗地说，智能是一种认识客观智能是一种认识客观事物和运用知识解决问题的综合能力事物和运用知识解决问题的综合能力。至于其确切定义，还有待于对人脑奥至于其确切定义，还有待于对人脑奥秘的彻底揭示。秘的彻底揭示。一一.什么是智能什么是智能91.认识智能的不同观点认识智能的不同观点人类在认识

5、智能的过程中提出了许多不同人类在认识智能的过程中提出了许多不同的观点，其中最具有代表性的观点有三种。的观点，其中最具有代表性的观点有三种。智能来源于思维活动智能来源于思维活动-思维理论思维理论。智能取决于可运用的知识智能取决于可运用的知识-知识阈值理论知识阈值理论。智能可由逐步进化来实现智能可由逐步进化来实现-进化理论。进化理论。10 人类的智能总体上可分为高、中、低三个层次，不人类的智能总体上可分为高、中、低三个层次，不同层次智能的活动由不同的神经系统来完成。同层次智能的活动由不同的神经系统来完成。思维理论和知识阈值理论对应于高层智能，思维理论和知识阈值理论对应于高层智能，而进化理论则对应于

6、中层智能和低层智能。而进化理论则对应于中层智能和低层智能。2.智能的层次结构智能的层次结构 高层智能高层智能以大脑皮层为主，主要完成记忆和以大脑皮层为主，主要完成记忆和思维等活动；思维等活动；中层智能中层智能以丘脑为主，主要完成感知活动；以丘脑为主，主要完成感知活动；低层智能低层智能以小脑、脊髓为主，主要完成动作以小脑、脊髓为主，主要完成动作反应。反应。11智能是一种综合能力。具体地说，它包含的智能是一种综合能力。具体地说，它包含的各种能力如下各种能力如下:智能具有感知能力智能具有感知能力智能具有记忆与思维能力智能具有记忆与思维能力智能具有学习和自适应能力智能具有学习和自适应能力智能具有行为能

7、力智能具有行为能力3.智能所包含的能力智能所包含的能力12 综合各种不同的人工智能观点，可以从综合各种不同的人工智能观点，可以从“能能力力”和和“学科学科”两个方面对人工智能进行定义。两个方面对人工智能进行定义。v 从从能力能力的角度来看，人工智能是相对于人的角度来看，人工智能是相对于人的自然智能而言的，所谓人工智能是指用人工的自然智能而言的，所谓人工智能是指用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能；的方法在机器（计算机）上实现的智能；v 从从学科学科的角度来看，人工智能是作为一个的角度来看，人工智能是作为一个学科名称来使用的，所谓人工智能是一门研究学科名称来使用的，所谓人工智能是一门研究如何

8、构造智能机器或智能系统，使它能模拟、如何构造智能机器或智能系统，使它能模拟、延伸和扩展人类智能的学科。延伸和扩展人类智能的学科。二二.什么是人工智能什么是人工智能13 图灵测试图灵测试如何衡量机器是否具有智能？如何衡量机器是否具有智能？141.2 人工智能的产生与发展 孕育期孕育期 形成期形成期 知识应用期知识应用期 综合集成期综合集成期v 人工智能的诞生人工智能的诞生1956年年John McCarthy(1927-2011)v 发展阶段发展阶段15 机器学习主要研究如何使计算机能够模拟或实现机器学习主要研究如何使计算机能够模拟或实现机器学习主要研究如何使计算机能够模拟或实现机器学习主要研究

9、如何使计算机能够模拟或实现人类的学习功能。人类的学习功能。人类的学习功能。人类的学习功能。一一.人工智能的研究和应用领域人工智能的研究和应用领域1.1.机器学习机器学习 自然语言理解（自然语言理解（Natural Language ProcessingNatural Language Processing）主要主要研究如何使计算机能够理解和生成自然语言。研究如何使计算机能够理解和生成自然语言。2.2.自然语言理解自然语言理解16 专家系统（专家系统（专家系统（专家系统（Expert SystemExpert SystemExpert SystemExpert System，简称简称简称简称ES

10、ESESES）是一种基于知是一种基于知是一种基于知是一种基于知识的智能系统，它将领域专家的经验用知识表示方法表识的智能系统，它将领域专家的经验用知识表示方法表识的智能系统，它将领域专家的经验用知识表示方法表识的智能系统，它将领域专家的经验用知识表示方法表示出来，并放入知识库中，供推理机使用。示出来，并放入知识库中，供推理机使用。示出来，并放入知识库中，供推理机使用。示出来，并放入知识库中，供推理机使用。3.3.专家系统专家系统 所谓模式识别就是使计算机能够对给定的事物进所谓模式识别就是使计算机能够对给定的事物进行鉴别，并把它归入与其相同或相似的模式中。行鉴别，并把它归入与其相同或相似的模式中。

11、4.4.模式识别模式识别17 计算机视觉（计算机视觉（计算机视觉（计算机视觉（Computer VisionComputer VisionComputer VisionComputer Vision）的主要研究目标是使的主要研究目标是使的主要研究目标是使的主要研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。5.5.计算机视觉计算机视觉 机器人机器人（RobotsRobots）是一种可再编程的多功能操作是一种可再编程的多功能操作装置。机器人学是一种综

12、合性技术学科，人工智能的装置。机器人学是一种综合性技术学科，人工智能的所有技术几乎都可以在这个领域得到应用。所有技术几乎都可以在这个领域得到应用。6.6.机器人学机器人学18 博弈（博弈（博弈（博弈（Game PlayingGame PlayingGame PlayingGame Playing）是一个有关对策和斗智问题是一个有关对策和斗智问题是一个有关对策和斗智问题是一个有关对策和斗智问题的研究领域。的研究领域。的研究领域。的研究领域。7.7.博弈博弈 自动定理证明（自动定理证明（Automatic Theorem ProvingAutomatic Theorem Proving）就就是让计

13、算机模拟人类证明定理的方法，自动实现象人类是让计算机模拟人类证明定理的方法，自动实现象人类证明定理那样的非数值符号演算过程。证明定理那样的非数值符号演算过程。8.8.自动定理证明自动定理证明19 自动程序设计（自动程序设计（自动程序设计（自动程序设计（Automatic ProgrammingAutomatic ProgrammingAutomatic ProgrammingAutomatic Programming）是一是一是一是一种让计算机把用高级形式语言或自然语言描述的程序种让计算机把用高级形式语言或自然语言描述的程序种让计算机把用高级形式语言或自然语言描述的程序种让计算机把用高级形式语

14、言或自然语言描述的程序自动转换成可执行程序的技术。自动转换成可执行程序的技术。自动转换成可执行程序的技术。自动转换成可执行程序的技术。9.9.自动程序设计自动程序设计 智能控制（智能控制（Intelligent ControlIntelligent Control）是指那种无需是指那种无需（或需要尽可能少的）人的干预就能独立地驱动智能机（或需要尽可能少的）人的干预就能独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。器实现其目标的自动控制。10.10.智能控制智能控制20 智能决策支持系统（智能决策支持系统（Intelligent Decision Support Intelligent Decisio

15、n Support SystemSystem）是指那种在传统决策支持系统中增加了相应的智是指那种在传统决策支持系统中增加了相应的智能部件的决策支持系统。能部件的决策支持系统。11.11.智能决策支持系统智能决策支持系统 人工神经网络（人工神经网络（Artificial Neural NetworkArtificial Neural Network，简称简称 ANNANN）是一个用大量的简单处理单元经广泛并行互连所构成是一个用大量的简单处理单元经广泛并行互连所构成的人工网络，用于模拟人脑神经系统的结构和功能。的人工网络，用于模拟人脑神经系统的结构和功能。12.12.人工神经网络人工神经网络21

16、知识发现知识发现知识发现知识发现（Knowledge Discovery in DatabaseKnowledge Discovery in DatabaseKnowledge Discovery in DatabaseKnowledge Discovery in Database）和和和和数据数据数据数据挖掘挖掘挖掘挖掘（Data MiningData MiningData MiningData Mining）是在数据库的基础上实现的一种知识发是在数据库的基础上实现的一种知识发是在数据库的基础上实现的一种知识发是在数据库的基础上实现的一种知识发现系统。现系统。现系统。现系统。13.13.知识

17、发现和数据挖掘知识发现和数据挖掘 分布式人工智能（分布式人工智能（Distributed Artificial IntelligenceDistributed Artificial Intelligence，简称简称DAIDAI）主要研究在逻辑或物理上分散的智能系统之间如何主要研究在逻辑或物理上分散的智能系统之间如何相互协调各自的智能行为，实现问题的并行求解。相互协调各自的智能行为，实现问题的并行求解。14.14.分布式人工智能分布式人工智能22二二.人工智能的基本研究内容人工智能的基本研究内容1.1.认知建模认知建模 所谓所谓认知认知可一般地认为是和情感、动机、意志相可一般地认为是和情感、动

18、机、意志相对应的理智或认识过程，或者说是为了一定目的，在对应的理智或认识过程，或者说是为了一定目的，在一定的心理结构中进行的信息加工过程。一定的心理结构中进行的信息加工过程。23 所谓机器感知，就是要让计算机具有类似于人所谓机器感知，就是要让计算机具有类似于人所谓机器感知，就是要让计算机具有类似于人所谓机器感知，就是要让计算机具有类似于人的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。的感知能力，如视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。2.2.机器感知机器感知3.3.机器思维机器思维 所谓机器思维，就是让计算机能够对感

19、知到的外所谓机器思维，就是让计算机能够对感知到的外界信息和自己产生的内部信息进行思维性加工。界信息和自己产生的内部信息进行思维性加工。24 所谓机器学习就是让计算机能够像人那样自动地所谓机器学习就是让计算机能够像人那样自动地所谓机器学习就是让计算机能够像人那样自动地所谓机器学习就是让计算机能够像人那样自动地获取新知识，并在实践中不断地完善自我和增强能力。获取新知识，并在实践中不断地完善自我和增强能力。获取新知识，并在实践中不断地完善自我和增强能力。获取新知识，并在实践中不断地完善自我和增强能力。4.4.机器学习机器学习5.5.机器行为机器行为 所谓机器行为就是让计算机能够具有像人那样的行所谓机

20、器行为就是让计算机能够具有像人那样的行动和表达能力，如走、跑、拿、说、唱、写、画等动和表达能力，如走、跑、拿、说、唱、写、画等.25 无论是人工智能的近期目标还是远期目标，都需无论是人工智能的近期目标还是远期目标，都需无论是人工智能的近期目标还是远期目标，都需无论是人工智能的近期目标还是远期目标，都需要建立智能系统或构造智能机器，因此需要开展对系要建立智能系统或构造智能机器，因此需要开展对系要建立智能系统或构造智能机器，因此需要开展对系要建立智能系统或构造智能机器，因此需要开展对系统模型、构造技术、构造工具及语言环境等方面的研统模型、构造技术、构造工具及语言环境等方面的研统模型、构造技术、构造

21、工具及语言环境等方面的研统模型、构造技术、构造工具及语言环境等方面的研究。究。究。究。6.6.智能系统与智能计算机智能系统与智能计算机261.1.3 3 人工智能的特点人工智能的特点 知识知识是一切智能系统的基础，任何智能系统的活是一切智能系统的基础，任何智能系统的活动过程都是一个获取知识和运用知识的过程，而要获动过程都是一个获取知识和运用知识的过程，而要获取和运用知识，首先应该能够对知识进行表示。所谓取和运用知识，首先应该能够对知识进行表示。所谓知识表示就是用某种约定的方式对知识进行的描述。知识表示就是用某种约定的方式对知识进行的描述。1.1.重视知识重视知识27 所所所所谓谓谓谓推理推理推

22、理推理就是根据已有知就是根据已有知就是根据已有知就是根据已有知识识识识运用某种策略推出运用某种策略推出运用某种策略推出运用某种策略推出新知新知新知新知识识识识的的的的过过过过程。程。程。程。2.2.重视推理重视推理 所谓启发式搜索是指能够利用搜索中获得的问题所谓启发式搜索是指能够利用搜索中获得的问题本身的一些特性信息（亦称启发信息）来指导搜索过本身的一些特性信息（亦称启发信息）来指导搜索过程，使搜索朝着最有希望的方向前进。程，使搜索朝着最有希望的方向前进。3.3.采用启发式（采用启发式（HeuristicsHeuristics）搜索搜索28 所谓数据驱动是指在系统处理的每一步，当考虑所谓数据驱

23、动是指在系统处理的每一步，当考虑下一步该做什么时，需要根据此前所掌握的数据内容下一步该做什么时，需要根据此前所掌握的数据内容（亦称事实）来决定。（亦称事实）来决定。4.4.采用数据驱动（采用数据驱动（Data DrivenData Driven）方式方式 人工智能语言是一类适应于人工智能和知识工程领人工智能语言是一类适应于人工智能和知识工程领域的、具有符号处理和逻辑推理能力的计算机程序语言。域的、具有符号处理和逻辑推理能力的计算机程序语言。5.5.用人工智能语言建造系统用人工智能语言建造系统29符号主义符号主义联结主义联结主义行为主义行为主义1.1.4 4人工智能研究的学派人工智能研究的学派

24、人工智能的三大学派：人工智能的三大学派：301.1.符号主义符号主义 符号主义（符号主义（SymbolicismSymbolicism），），又称逻辑主义（又称逻辑主义（LogicismLogicism）、）、心理学派（心理学派（PsyychlogismPsyychlogism）或计算机学派（或计算机学派（ComputerismComputerism），），是基于物理符号系统假设和有限合理性原理的人工智能学派。是基于物理符号系统假设和有限合理性原理的人工智能学派。符号主义认为人工智能起源于数理逻辑，人类认知（智能）符号主义认为人工智能起源于数理逻辑，人类认知（智能）的基本元素是符号（的基本元素

25、是符号（SymbolSymbol），），认知过程是符号表示上的一认知过程是符号表示上的一种运算。种运算。31联结联结联结联结主义认为：思维的基元是神经元，而不是符号；思维主义认为：思维的基元是神经元，而不是符号；思维主义认为：思维的基元是神经元，而不是符号；思维主义认为：思维的基元是神经元，而不是符号；思维过程是神经元的联结活动过程，而不是符号运算过程；反过程是神经元的联结活动过程，而不是符号运算过程；反过程是神经元的联结活动过程，而不是符号运算过程；反过程是神经元的联结活动过程，而不是符号运算过程；反对符号主义关于物理符号系统的假设，认为人脑不同于电对符号主义关于物理符号系统的假设，认为人脑

26、不同于电对符号主义关于物理符号系统的假设，认为人脑不同于电对符号主义关于物理符号系统的假设，认为人脑不同于电脑；提出用联结主义的人脑工作模式取代符号主义的电脑脑；提出用联结主义的人脑工作模式取代符号主义的电脑脑；提出用联结主义的人脑工作模式取代符号主义的电脑脑；提出用联结主义的人脑工作模式取代符号主义的电脑工作模式。工作模式。工作模式。工作模式。2 2联结主义联结主义32 行为主义（行为主义（ActionismActionism），），又称进化主义又称进化主义（EvolutionismEvolutionism）或控制论学派（或控制论学派（CyberneticsismCyberneticsism

27、），），是基是基于控制论和于控制论和“感知感知-动作动作”型控制系统的人工智能学派。型控制系统的人工智能学派。行为主义认为人工智能起源于控制论，提出智能取决于感知行为主义认为人工智能起源于控制论，提出智能取决于感知和行为，取决于对外界复杂环境的适应，而不是表示和推理。和行为，取决于对外界复杂环境的适应，而不是表示和推理。3.3.行为主义行为主义33 符号主义是从符号主义是从功能功能上模拟人类智能；上模拟人类智能；联结主义是从联结主义是从结构结构上模拟人类智能；上模拟人类智能；行为主义则是从行为主义则是从行为行为上模拟人类的智能。上模拟人类的智能。341.51.5人工智能在中国人工智能在中国l中

28、国学者对人工智能的研究超过中国学者对人工智能的研究超过40年年l代表性的工作代表性的工作-符号智能符号智能-计算智能计算智能-智能科学智能科学-其他代表性的工作其他代表性的工作 35一一.符号智能符号智能l自动推理与自动几何定理证明自动推理与自动几何定理证明数学定理证明数学定理证明初等平面几何定理机械证明（吴方法）初等平面几何定理机械证明（吴方法）l常识知识和大规模知识处理常识知识和大规模知识处理常识性知识的实用研究常识性知识的实用研究中国国家知识基础设施计划中国国家知识基础设施计划“CNKI”36二二.计算智能计算智能l 计算智能是仿照自然法则构造的计算计算智能是仿照自然法则构造的计算 l

29、计算智能的范畴计算智能的范畴模糊计算（模仿人类处理问题的方式）模糊计算（模仿人类处理问题的方式）神经计算（依照生物神经网络的工作规则）神经计算（依照生物神经网络的工作规则）进化计算（模仿生物界的进化计算（模仿生物界的“优胜劣优胜劣”汰法则）汰法则）粗集和粒度计算（含熵空间理论）粗集和粒度计算（含熵空间理论）37三三.智能科学智能科学l交叉学科交叉学科脑科学脑科学认知科学认知科学神经科学神经科学心理学心理学分子生物分子生物生物物理生物物理数学和物理科学数学和物理科学计算机科学和信息科学计算机科学和信息科学38四四.其他代表性工作其他代表性工作l不确定性人工智能不确定性人工智能随机性和模糊性随机性

30、和模糊性云模型云模型l机器学习机器学习语音识别语音识别人脸识别人脸识别医学数据分析医学数据分析游戏游戏39四四.其他代表性工作（二）其他代表性工作（二）l非规范知识处理非规范知识处理知识的不完整性（内容不完整和知识结构不完整）知识的不完整性（内容不完整和知识结构不完整）知识的不确定性（模糊知识，不确定、随机和不精确知识）知识的不确定性（模糊知识，不确定、随机和不精确知识）知识的不协调性（含矛盾、带噪声、含冗余）知识的不协调性（含矛盾、带噪声、含冗余）知识的非恒常性（时变知识和启发式知识）知识的非恒常性（时变知识和启发式知识）l机器学习交叉研究成果机器学习交叉研究成果计算机辅助艺术和动画计算机辅助艺术和动画软件软件天鹅天鹅基于知识的软件工程基于知识的软件工程数据挖掘和知识发现数据挖掘和知识发现网络智能网络智能40谢谢 谢！谢！