人工智能第0章講義.ppt

1,緒 論,很早人類就有制造機(jī)器人的幻想 黃帝的“指南車” 諸葛亮的“木牛流馬” 我國古代歌舞機(jī)器人 古希臘機(jī)器人 “機(jī)器人”Robot一詞的來源 捷克作家卡雷爾.查培克科幻劇羅沙姆萬能羅伯特公司,2,緒 論,古希臘哲學(xué)家亞里士多德的形式邏輯，形式邏輯是一切推理活動的最基本的出發(fā)點(diǎn)。 德國數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家萊布尼茨提出了關(guān)于數(shù)理邏輯的思想，把形式邏輯符號化，從而能對人的思維進(jìn)行運(yùn)算和推理。,3,現(xiàn)代人工智能的興起,現(xiàn)代人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI），一般認(rèn)為起源于美國1956年的一次夏季討論（達(dá)特茅斯會議），在這次會議上，第一次提出了“Artificial Intelligence”這個(gè)詞。 發(fā)起人：約翰麥卡錫、馬文明斯基、香農(nóng)和IBM公司的羅切斯特,4,約翰麥卡錫 （John McCarthy）,人工智能之父 LISP語言的發(fā)明人 首次提出AI的概念,返回,5,馬文明斯基 （Marniv Lee Minsky）,人工智能之父 框架理論的創(chuàng)立者 首位獲得圖靈獎的人工智能學(xué)者,返回,6,克勞德香農(nóng) (Claude Elwood Shannon）,信息論及數(shù)字通信時(shí)代的奠基人 符號邏輯和開關(guān)理論奠基人,返回,7,赫伯特西蒙 （Herbert A. Simon）,符號主義學(xué)派的創(chuàng)始人 愛好廣泛的全能科學(xué)家 中國科學(xué)院外籍院士,返回,8,艾倫紐厄爾（Allen Newell）,符號主義學(xué)派的創(chuàng)始人之一 西蒙的學(xué)生與同事 1975年與西蒙同獲圖靈獎,返回,9,0.1 什么是人工智能？,至今沒有統(tǒng)一的定義 從“計(jì)算”到“算計(jì)”,10,11,0.2 圖靈測試,如何知道一個(gè)系統(tǒng)是否具有智能呢？ 1950年，英國計(jì)算機(jī)科學(xué)家圖靈提出了著名的“圖靈測試”。,12,0.2 圖靈測試,參與者： 一臺計(jì)算機(jī)、一個(gè)人類志愿者、 一個(gè)測試者,測試方法： 通過鍵盤提問、屏幕回答問題,如何判定通過了測試： 無法確定哪一方是計(jì)算機(jī)或人,13,0.2 圖靈測試,問題： （1）你的名字？年齡？住在哪里？,（2）請計(jì)算6782211199888888 ？,（3）我昨天剛從火星渡假回來，很好玩，你對 此有何想法？,14,0.2 圖靈測試,問題：,（4）這兩張照片是同一個(gè)人嗎？,15,0.2 圖靈測試,存在的問題： 測試的非公平性 常識性問題計(jì)算機(jī)無法正確解答,結(jié)論： 計(jì)算機(jī)很難通過測試。,16,0.3 希爾勒的中文屋子,（2）計(jì)算機(jī)是否能真正地理解問題？,羅杰施安克的故事理解程序（舉例）,問題： （1）通過了圖靈測試計(jì)算機(jī)就具有了智 能嗎？,17,故事理解程序舉例,“一個(gè)人進(jìn)入餐館并訂了一份漢堡包。當(dāng)漢堡包端來時(shí)發(fā)現(xiàn)被烘脆了，此人暴怒地離開餐館，沒有付帳或留下小費(fèi)?！?返回,問題：在上述兩種情況下,此人是否吃了漢堡包？,“一個(gè)人進(jìn)入餐館并訂了一份漢堡包。當(dāng)漢堡包端來后他非常喜歡它，而且在離開餐館付帳之前，給了女服務(wù)員很多小費(fèi)。”,18,0.3 希爾勒的中文屋子,希爾勒的中文屋子,中文回答,19,0.3 希爾勒的中文屋子,思考題： 如何理解希爾勒的中文屋子？,希爾勒認(rèn)為計(jì)算機(jī)不能真正理解問題。,人類智能與人工智能的區(qū)別,20,0.4 人工智能的研究目標(biāo),1、目標(biāo) 研究如何制造出人造的智能機(jī)器或系統(tǒng)，來模擬人類智能活動的能力，以延伸人們的智能。,21,0.4 人工智能的研究目標(biāo),2、模擬人類能力 （1）獲取外界知識的能力。 （2）知識的演繹、歸納推理以及決策能力。 （3）學(xué)習(xí)的能力。 （4）自適應(yīng)能力。,22,0.4 人工智能的研究目標(biāo),3、研究途徑 （1）建立人類大腦的神經(jīng)元物理模型,（2）通過計(jì)算機(jī)模擬人腦功能,23,神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),三層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),返回,24,0.5 AI的歷史回顧,第一階段（1956年前 ） 萌芽期 古代機(jī)器人 通用邏輯機(jī) 12世紀(jì)末-13世紀(jì)初西班牙邏輯學(xué)家 Romen Luee 機(jī)械加法器 1642年法國科學(xué)家帕斯卡B.Pascal 四則運(yùn)算計(jì)算器 1674年德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨 邏輯機(jī)思想(推理計(jì)算) 德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨 差分機(jī)、微分機(jī) 1822年英國數(shù)學(xué)家Cabbage 圖靈機(jī)模型 1936 英國科學(xué)家圖靈提出 電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想 1945英國科學(xué)家圖靈提出,25,法國科學(xué)家帕斯卡,機(jī)械加法器,返回,26,英國科學(xué)家巴貝奇(C.Babbage）,第一臺差分機(jī) 可處理3個(gè)不同的5位數(shù)， 計(jì)算精度達(dá)到6位小數(shù)。,返回,27,0.5 AI的歷史回顧,第一臺累計(jì)數(shù)字計(jì)算機(jī) 1938 德國工程師楚澤(Zeus) 第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC 1946 美國科學(xué)家莫契利（J. Mauchiy）和?？颂兀↗.Eckert） 信息論創(chuàng)立 1948年美國科學(xué)家香農(nóng),28,年輕的德國工程師楚澤(K.Zuse）,第一臺累計(jì)數(shù)字計(jì)算機(jī),返回,29,第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC,返回,30,0.5 AI的歷史回顧,第一階段（1956年前 ） 萌芽期 - 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) M-P模型 (圖示) 1943年McCulloch（心理學(xué)家）和Pitts（數(shù)理邏輯學(xué)家）提出。 感知器模型(圖示) 1957年Frank Rosenblatt提出并實(shí)踐 。 問題：不能解決非線性問題。,31,雙層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),雙層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),返回,32,感知器,返回,33,0.5 AI的歷史回顧,Minsky的著作:Perceptions（感知器） 從理論上證明了二層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)不可能解決XOR問題 如果要求解XOR問題，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)必須是3層或3層以上的結(jié)構(gòu) 對于3層或3層以上的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，難于找到一個(gè)通用的學(xué)習(xí)算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究陷入低潮 next,34,0.5 AI的歷史回顧,第二階段（19561961）形成時(shí)期 1956 達(dá)特茅斯會議 人工智能學(xué)科誕生 主要研究的問題： GPS(通用問題求解程序) 、數(shù)學(xué)定理證明、游戲、翻譯等,35,通用問題求解器（GPS）,從1957年開始，Newell等人開始研究一種不依賴于具體領(lǐng)域的通用解題程序，這個(gè)程序的設(shè)計(jì)是從模仿人類問題求解的規(guī)程開始的。在它能處理的有限類別的問題中，它顯示出程序決定的子目標(biāo)及可能采取的行動的次序，與人類求解同樣問題是類似的。 能解10種不同類型題目。,36,定理證明,50年代中期，世界上最早的啟發(fā)式程序“邏輯理論家”，證明了數(shù)學(xué)名著數(shù)學(xué)原理中的38個(gè)定理。經(jīng)改進(jìn)后，62年證明了該書中全部的52個(gè)定理。被認(rèn)為是用計(jì)算機(jī)探討人類智力活動的第一個(gè)真正的成果。,37,定理證明的“吳方法”,2000年我國最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者吳文俊教授，提出了“數(shù)學(xué)機(jī)器化”。 1977年，吳文俊關(guān)于平面幾何定理的機(jī)械化證明首次取得成功。 創(chuàng)立了定理機(jī)器證明的 “吳方法”。,38,游戲,1956 Samuel 開發(fā)了具有自組織、自學(xué)習(xí)、 自適應(yīng)能力的西洋跳棋程序 1959 戰(zhàn)勝設(shè)計(jì)者本人,39,翻譯,一個(gè)笑話（英俄翻譯）： The spirit is willing but the flesh is week. （心有余而力不足） The vodka is strong but meat is rotten. （伏特加酒雖然很濃，但肉是腐爛的）,40,翻譯,出現(xiàn)這樣的錯誤的原因： Spirit： 1）精神 2）烈性酒 結(jié)論： 必須理解才能翻譯，而理解需要知識,41,0.5 AI的歷史回顧,知識就是力量培根 知識蘊(yùn)涵著力量費(fèi)根鮑姆,42,0.5 AI的歷史回顧,第三階段（60年代中80年代初） 知識工程時(shí)代 專家系統(tǒng) 知識工程 知識工程席卷全球,43,0.5 AI的歷史回顧,第四階段（80年代中90年代初）新的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時(shí)代 - Hopfield離散神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 1982年 John J. Hopfield（物理學(xué)家）提出的具有完整理論基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功求解了旅行商問題。 - BP前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1986年美國的一個(gè)平行計(jì)算研究小組提出 ， 解決了多層網(wǎng)的學(xué)習(xí)問題。 - 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成方法 1990年漢森和薩拉蒙提出，證明可以簡單地 通過訓(xùn)練多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并將其結(jié)果進(jìn)行擬合， 顯著地提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的泛化能力。,44,0.5 AI的歷史回顧,第五階段（90年代初現(xiàn)在） 海量數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)時(shí)代 網(wǎng)絡(luò)給AI帶來無限的機(jī)會 知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘 AI走向?qū)嵱没?45,0.6 AI的研究內(nèi)容,一、研究課題 知識表示 搜索技術(shù) 推理方法 演繹推理、規(guī)劃、常識推理、歸納推理 機(jī)器學(xué)習(xí) 認(rèn)知科學(xué) 人工智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和語言,46,AI的研究內(nèi)容（續(xù)1）,二、應(yīng)用領(lǐng)域 自然語言理解與機(jī)器翻譯 專家系統(tǒng)與知識工程 定理證明 博弈 機(jī)器人 數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn) 人機(jī)交互技術(shù),47,人工智能取得的一些成果,四十多年來，人工智能的研究雖然步履艱難，但也取得了一些很突出的成績。下面列舉一些實(shí)例。,48,專家系統(tǒng),人類之所以能求解問題，是因?yàn)槿祟惥哂兄R。 專家系統(tǒng)就是把有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹R整理出來，讓計(jì)算機(jī)利用這些知識求解專門領(lǐng)域的問題。 1968年世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)DENDRAL問世，用于協(xié)助化學(xué)家分析有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu) 。 MYCIN：一個(gè)著名的醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)。 HEARSAY ：語音理解專家系統(tǒng)。 R1：DEC公司用于設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)配置的專家系統(tǒng)。,49,第一個(gè)商用專家系統(tǒng)：R1,世界上第一個(gè)成功的商用專家系統(tǒng)，1982年開始正式在DEC公司使用。該程序幫助為新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置訂單；到1986年為止，估計(jì)它為公司每年節(jié)省了4千萬美元。,50,海灣戰(zhàn)爭中的專家系統(tǒng),在1991年的海灣危機(jī)中，美國軍隊(duì)使用專家系統(tǒng)用于自動的后勤規(guī)劃和運(yùn)輸日程安排。這項(xiàng)工作同時(shí)涉及到50000個(gè)車輛、貨物和人，而且必須考慮到起點(diǎn)、目的地、路徑以及解決所有參數(shù)之間的沖突。AI規(guī)劃技術(shù)使得一個(gè)計(jì)劃可以在幾小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生，而用舊的方法需要花費(fèi)幾個(gè)星期。,51,數(shù)字識別,清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法研制的數(shù)字識別系統(tǒng)，用于2000年我國人口普查。對普查數(shù)據(jù)進(jìn)行自動識別，錯誤率達(dá)到了萬分之一以下的高水平。,52,古籍?dāng)?shù)字化四庫全書,53,IBM的“深藍(lán)”,北京時(shí)間1997年5月12日凌晨4點(diǎn)50分，美國紐約公平大廈，當(dāng)IBM公司的“深藍(lán)”超級電腦將棋盤上的一個(gè)兵走到C4的位置上時(shí)，國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。,54,正在與深藍(lán)下棋的卡斯帕羅夫,55,IBM的“深藍(lán)”（續(xù)1）,96年2月第一次比賽結(jié)果： “深藍(lán)”：勝、負(fù)、平、平、負(fù)、負(fù) 97年5月第二次比賽結(jié)果： “深藍(lán)”：負(fù)、勝、平、平、平、勝,56,IBM的“深藍(lán)”（續(xù)2）,“深藍(lán)”的技術(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200萬步/秒,57,“人機(jī)之戰(zhàn)”簡史,1958年，IBM704成為第一臺能同人下棋的計(jì)算機(jī)，名為“思考”，思考速度每秒200步 60年代中期，科學(xué)家德里夫斯斷言，計(jì)算機(jī)將無法擊敗一位年僅10歲的棋手 1973年，國際象棋軟件4.0被開發(fā)出來，這是未來程序的基礎(chǔ) 1979年，國際象棋軟件4.9達(dá)到專家級水平 1981年，CRAYBLITZ新的超級計(jì)算機(jī)擁有特殊的集成電路，預(yù)言將可在1995年擊敗世界棋王,58,1983年，BELLEATT開發(fā)了國際象棋硬件，達(dá)到了大師水平 80年代中期，皮茲堡的CARNEGIEMELLON大學(xué)開始研究世界級的國際象棋計(jì)算機(jī)程序 1987年，“深思”首次以每秒鐘75萬步的思考速度露面，它的水平相當(dāng)于擁有國際等級分為2450的棋手 1988年，“深思”擊敗丹麥特級大師拉爾森 1989年，“深思”已經(jīng)有6臺信息處理器，每秒思考速度達(dá)200萬步，但在與世界棋王卡斯帕羅夫進(jìn)行的“人機(jī)大戰(zhàn)”中對陣以0比2敗北,59,1990年，“深思”第二代產(chǎn)生，使用IBM的硬件，吸引了前世界棋王卡爾波夫與之對抗 1991年，“弗里茨”問世 1993年，“深思”二代擊敗了丹麥國家隊(duì)，在與世界優(yōu)秀女棋手小波爾加的對抗中獲勝 1995年，“深藍(lán)”更新程序，新的集成電路將其思考速度達(dá)到每秒300萬步 1996年，“深藍(lán)”在與卡斯帕羅夫的挑戰(zhàn)賽中，以2比4不敵卡斯帕羅夫 1997年，“超級深藍(lán)”開發(fā)出了更加高級的“大腦”，4名國際大師參與IBM的挑戰(zhàn)小組為電腦與卡斯帕羅夫重戰(zhàn)出謀劃策，最后“超級深藍(lán)”以3比2擊敗了卡斯帕羅夫，卡斯帕羅夫要求重賽，但沒有得到回應(yīng),60,1999年，“弗里茨”升級為“更弗里茨”(Deep Fritz) 2001年，“更弗里茨”更新了程序，擊敗了卡斯帕羅夫和阿南德，以及除了克拉姆尼克之外的所有排名世界前十位的棋手 2002年10月，“更弗里茨”與克拉姆尼克在巴林進(jìn)行“人機(jī)大戰(zhàn)”，思考速度為每秒600萬步，雙方4比4戰(zhàn)平 2003年12月“更年少者”與卡斯帕羅夫舉行人機(jī)對抗，雙方3比3戰(zhàn)平,61,思考題2：國際象棋、中國象棋與圍棋,為什么已經(jīng)有了可以戰(zhàn)勝國際大師的國際象棋程序，而中國象棋和圍棋的程序水平卻比較低呢？ 力量投入問題？ 計(jì)算機(jī)發(fā)展水平問題？ 棋本身的復(fù)雜性問題？ 其他別的問題？,62,計(jì)算機(jī)下棋軟件,63,智能汽車,智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的智能汽車,64,在高速公路上，該汽車可以自動識別道路，自動躲避障礙物 在最近的實(shí)驗(yàn)中，平均速度為100公里，最高速度達(dá)到了150公里，達(dá)到了世界先進(jìn)水平。,智能汽車,65,足球機(jī)器人,兩個(gè)組織： RoboCup( 機(jī)器人足球世界杯 ) FIRA(國際機(jī)器人足球聯(lián)盟) 設(shè)有仿真組、小型組、中型組和有腿組 控制方式：FIRA采用集中控制，而RoboCup采用分布式控制 清華大學(xué)獲得2001、2002年RoboCup世界冠軍、2003年亞軍（仿真組） 清華大學(xué)獲得2003年RoboCup小型組全國冠軍,66,小型組 有腿組,67,智能機(jī)器人,作為計(jì)算機(jī)視覺通道的傳感器,具有人工智能的新型機(jī)器人,68,智能機(jī)器人,我國的水下機(jī)器人“探索者”,69,索尼智能機(jī)器狗,70,歷史上的人工智能大師,下面介紹圖靈和幾位獲得圖靈獎的人工智能大師,71,阿倫圖靈 （Alan Turing）,計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的創(chuàng)始人,72,阿倫圖靈（Alan Turing）,1912年出生于英國倫敦，1954年去世 1936年24歲發(fā)表論文“論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用”，提出圖靈“自動機(jī)“理論, 把研究會思維的機(jī)器和計(jì)算機(jī)的工作大大向前推進(jìn)了一步,他也因此被稱為“人工智能之父“。 1950年發(fā)表論文“計(jì)算機(jī)與智能”，闡述了計(jì)算機(jī)可以具有智能的想法，提出圖靈測試 1966年為紀(jì)念圖靈的杰出貢獻(xiàn)，ACM設(shè)立圖靈獎,73,馬文明斯基 （Marniv Lee Minsky）,人工智能之父 框架理論的創(chuàng)立者 首位獲得圖靈獎的人工智能學(xué)者,74,馬文明斯基 （Marniv Lee Minsky）,1927年出生于美國紐約 1951年提出思維如何萌發(fā)并形成的基本理論 1956年達(dá)特茅斯會議的發(fā)起人之一 1958年在MIT創(chuàng)建世界上第一個(gè)AI實(shí)驗(yàn)室 1969年獲得圖靈獎 1975年首創(chuàng)框架理論,75,約翰麥卡錫 （John McCarthy）,人工智能之父 LISP語言的發(fā)明人 首次提出AI的概念,76,約翰麥卡錫 （John McCarthy）,1927年出生于美國波士頓 1956年發(fā)起達(dá)特茅斯會議，并提出“人工智能”的概念 1958年與明斯基一起創(chuàng)建世界上第一個(gè)人工智能實(shí)驗(yàn)室 發(fā)明剪枝算法 1959年開發(fā)LISP語言 開創(chuàng)邏輯程序研究，用于程序驗(yàn)證和自動程序設(shè)計(jì) 1971年獲得圖靈獎,77,赫伯特西蒙 （Herbert A. Simon）,符號主義學(xué)派的創(chuàng)始人 愛好廣泛的全能科學(xué)家 中國科學(xué)院外籍院士,78,赫伯特西蒙(Herbert A. Simon）,1916年出生于美國的威斯康辛州 1943年在匹茲堡大學(xué)獲政治學(xué)博士學(xué)位 1969年因心理學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得杰出科學(xué)貢獻(xiàn)獎 1975年和他的學(xué)生艾倫紐厄爾共同獲得圖靈獎 1978年獲得諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎 1986年因行為學(xué)方面的成就獲得美國全國科學(xué)家獎?wù)?79,50年代至60年代初開發(fā)了世界上最早的啟發(fā)式程序“邏輯理論家”LT，證明了數(shù)學(xué)原理第二章中的全部52個(gè)定理，開創(chuàng)了機(jī)器定理證明這一新的學(xué)科領(lǐng)域 57年開發(fā)了IPL(Information Processing Language)語言，是最早的AI語言。 60年開發(fā)了“通用問題求解系統(tǒng)”GPS 66年開發(fā)了最早的下棋程序之一MATER 70年發(fā)展與完善了語義網(wǎng)絡(luò)的概念和方法 70年代提出了“物理符號系統(tǒng)假說” 70年代提出決策過程模型，成