人工智能基础01-绪论

人工智能原理合肥工业大学计算机与信息学院王浩jsjxwangh@

主要教材材与参考考书人工智能能基础(第2版)蔡自兴、、蒙祖强强编著著

高等等教育出出版社人工智能能导论王王万万良编著著高高等教育育出版社社人工智能能——复杂问题题求解的的结构和和策略（（第4版）GeorgeF.luger著史史忠植等等译机机械工业业出版社社人工智能能NilsJ..Nilsson著郑扣扣根等译译机械工工业出版版社智能科学学史史忠植植著清清华华大学出出版社目录第一章绪论第二章知识表示示第三章搜搜索技技术第四章推推理技技术第五章机机器学学习第六章专专家系系统第七章自自动规规划系统统第八章自自然语语言理解解第九章智智能控控制第十章人人工工智能程程序设计计1.1人工智能能的定义义和发展展21世纪纪最具有有发展前前景和最最具影响响力的两两大带头头学科群群：生命科学学群；信息科学学群；人工智能能：是上上述两个个学科群群中最重重要、最最精彩、、且最具具前景的的交叉领领域1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..1人工智能能的定义义人工智能能——ArtificialIntelligence，AI定义1.1智能（Intelligent）人的智能能是他们们理解和和学习事事务的能能力。智智能是思思考和理理解能力力而不是是本能的的做事能能力。定义1.2智能机器器（IntelligentMachine）智能机器器是一种种能够呈呈现人类类智能行行为的机机器。1.1人工智能能的定义义和发展展2006年人机机中国象象棋大战战1.1人工智能能的定义义和发展展1.1人工智能能的定义义和发展展定义1.3人工智能能（Nilsson）人工智能能是关于于知识的的科学（（知识的的表示、、知识的的获取以以及知识识的运用用）。定义1.4人工智能能(学科)人工智能能(学科)是计算机机科学中中涉及研研究、设设计和应应用智能能机器的的一个分分支。它它的近期期主要目目标在于于研究用用机器来来模仿和和执行人人脑的某某些智力力功能，，并开发发相关理理论和技技术。1.1人工智能能的定义义和发展展定义1.5人工智能能(能力)人工智能能(能力)是智能机机器所执执行的通通常与人人类智能能有关的的智能行行为，如如判断、、推理、、证明、、识别、、感知、、理解、、通信、、设计、、思考、、规划、、学习和和问题求求解等思思维活动动。TheTuringTest1950:AlanTuring的文章““ComputingMachineryandIntelligence..”Mind,Vol.59,,No.236,,pp.433--460提出图灵灵测试1.1人工智能能的定义义和发展展1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..2人工智能能的起源源和发展展1.孕育时期期（1956年前）公元前384--322亚里士多多德（Aristotle）形形式逻辑辑三段段论20世纪30~40年代数理逻辑辑维维纳（（Wiener）、弗雷雷治、罗罗素等为为代表对对发展数数理逻辑辑学科的的贡献计算模型型丘丘奇(Church)、图灵和和其它一一些人关关于计算算本质的的思想，，为人工工智能的的形成产产生了重重要影响响。1943年麦麦卡洛克克和皮茨茨神神经网络络模型→连接主主义学派派1948年维维纳控控制论→行为主义义学派1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..2人工智能能的起源源和发展展2.形成时期期（1956~1976年）1956年夏季，，McCarthy、Minsky、Lochester、Shannon，人类历历史上第第一次人人工智能能研讨会会在美国国的达特特茅斯(Dartmouth)大学举行行，标志志着人工工智能学学科的诞诞生。1965年Feigenbaum专家系统统DENDRAL1969年召开了了第一届届国际人人工智能能联合会会议(InternationalJointConferenceonAI,IJCAI),,此后每两两年召开开一次。。1970年《人工智能能》国际杂志志(InternationalJournalofAI)创刊。1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..2人工智能能的起源源和发展展3.暗淡时期期（1966~1974年）盲目乐观观：机器器翻译，，定理证证明（数数学原理理）、跳跳棋程序序、模式式识别（（字符、、积木结结构）、、通用解解题程序序（GPS）预言：2000年机器智智能超过过人类巨大困难难：神经经元数目目1010,Thespiritiswillingbutthefleshisweak（心有余余而力不不足）→俄→Thewineisgoodbutthemeatisspoiled1971年詹姆姆士综合合报告，，“人人工智能能即使不不是骗局局，也是是庸人自自扰”1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..2人工智能能的起源源和发展展4.知识应用用时期（（1970~1988年）Feigenbaum专家系统统1968年，DENDRAL1972~1976年MYCIN1977年第五五届人工工智能联联合会议议知知识工程程（KnowledgeEngineering）1981年日本本第第五代代智能计计算机计计划1.1人工智能能的定义义和发展展1.1..2人工智能能的起源源和发展展5.集成发展展时期（（1986年至今））专家系统统问题：：缺乏常常识知识识、应用用领域狭狭窄、知知识获取取困难、、推理机机制单一一、缺少少学习能能力、未未能分布布处理。。

机器学习习、计算算智能（（神经计计算、进进化计算算、自然然计算、、免疫计计算、群群计算））、智能能体（Agent）、网络络智能三大流派派：综合合集成、、优势互互补、共共同发展展1.2人工智能能的各种种认知观观1.2..1人工智能能的主要要学派1.符号主义义又称逻辑辑主义（（Logicism）、心理理学派（（Psychlogism）、计算算机学派派（Computerism）基本原理理：物理理符号系系统（即即符号操操作系统统）假设设和有限限合理性性原理。。起源：数数理逻辑辑认为认知知是一种种符号处处理的过过程，人人类思维维过程也也可用某某种符号号来描述述，思维维就是计计算，认认知就是是计算。。LISP语言、PROLOG语言、自自然语言言理解、、机器定定理证明明、专家家系统。。domainsperson,,another==symbolpredicateslikes(person,,another)).clauseslikes(jack,sussan).likes(john,marry)..likes(tom,,cathy).likes(tom,,ellen).likes(jack,X)iflikes(tom,,X)).【事实】Jack喜欢SussanJohn喜欢MarryTom喜欢CathyTom喜欢Ellen【规则】如果Tom喜欢X，那么Jack喜欢X1.2人工智能能的各种种认知观观1.2..1人工智能能的主要要学派2.连接主义义又称仿生生学派（（Bionicsism）、生理理学派（（Physiologism）基本原理理：神经经网络及及神经网网络间的的连接机机制和学学习算法法。起源：仿仿生学人人脑模模型认为人类类认知活活动主要要基于大大脑神经经元的活活动。1.2人工智能能的各种种认知观观1.2..1人工智能能的主要要学派3.行为主义义又称进化化主义（（Evolutionism）、控制制论学派派（Cyberneticism）基本原理理：控制制论及感感知-动作模式式控制系系统起源：控控制论1.2人工智能能的各种种认知观观1.2..2对人工智智能的争争论1.对人工智智能理论论的争论论符号主义义：人的的认知基基元是符符号，认认知过程程即是符符号操作作过程。。AI的核心：：知识表表示、知知识推理理和知识识运用连接主义义：人的的思维基基元是神神经元。。神经元元连接的的大脑工工作模式式行为主义义：只能能取决于于感知和和行为。。不需要要知识、、不需要要推理。。智能行为为只能在在现实世世界中与与环境交交互作用用而表现现出来。。2.对人工智智能方法法的争论论符号主义义：功能能模拟连接主义义：结构构模拟行为主义义：行为为模拟1.3人类智能能与人工工智能1.3..1研究认知知过程的的任务探求高层层次思维维决策与与初级信信息处理理的关系系，并用用计算机机程序来来模拟人人的思维维策略水水平，而而用计算算机语言言模拟人人的初级级信息处处理过程程。思维策略略初级信息息处理生理过程程计算机程程序计算机语语言计算机硬硬件人类认知知活动计算机1.3人类智能能与人工工智能1.3..2智能信息息处理系系统的假假设令T表示时间间变量，，x表示认知知操作，，x的变化△x为当前机机体状态态S（机体的的生理和和心理以以及大脑脑的记忆忆等）和和外界刺刺激R的函数。。当外界界刺激作作用到处处于某一一特定状状态的机机体时，，便发生生变化，，即T→T+1x→x+△x△x=f((S,R)1.3人类智能能与人工工智能1.3..2智能信息息处理系系统的假假设信息处理理系统又又叫符号号操作系系统或物物理符号号系统。。所谓符符号就是是模式。。一个完善善的符号号系统应应具有下下列6种基本功功能：(1)输入符号号(input))；(2)输出符号号(output);(3)存储符号号(store));(4)复制符号号(copy);;(5)建立符号号结构：：通过找找出各符符号间的的关系，，在符号号系统中中形成符符号结构构；(6)条件性迁迁移(conditionaltransfer)):根据已有有符号，，继续完完成活动动过程。。1.3人类智能能与人工工智能1.3..2智能信息息处理系系统的假假设如果一个个物理符符号系统统具有上上述全部部6种功能，，能够完完成这个个全过程程，那么么它就是是一个完完整的物物理符号号系统。。人具有有上述6种功能；；现代计计算机也也具备物物理符号号系统的的这6种功能。。任何一个个系统，，如果它它能表现现出智能能，那么么它就必必定能够够执行上上述6种功能。。反之，，任何系系统如果果具有这这6种功能，，那么它它就能够够表现出出智能；；这种智智能指的的是人类类所具有有的那种种智能。。把这个个假设称称为物理符号号系统的的假设。1.3人类智能能与人工工智能1.3..2智能信息息处理系系统的假假设物理符号号系统3个推论推论一既既然人人具有智智能，那那么他(她)就一定是是个物理理符号系系统。人人之所以以能够表表现出智智能，就就是基于于他的信信息处理理过程。。推论二既既然计算算机是一一个物理理符号系系统，它它就一定定能够表表现出智智能。这这是人工工智能的的基本条条件。推论三既既然人是是一个物物理符号号系统，，计算机机也是一一个物理理符号系系统，那那么就能能够用计计算机来来模拟人人的活动动。1.3人类智能能与人工工智能1.3..3人类智能能的计算算机模拟拟物理符号号系统假假设的推推论一告告诉人们们，人有有智能，，所以他他是一个个物理符符号系统统；推论论三指出出，可以以编写出出计算机机程序去去模拟人人类的思思维活动动。这就就是说，，人和计计算机这这两个物物理符号号系统所所使用的的物理符符号是相相同的，，因而计计算机可可以模拟拟人类的的智能活活动过程程。图灵测试试1.4人工智能能的研究究目标和和内容1.4..1人工智能能的研究究目标一般研究究目标：：（1）更好地地理解人人类智能能，通过过编写程程序来模模仿和检检验有关关人类智智能的理理论。（2）创造有有用灵巧巧的程序序，该程程序能够够执行一一般需要要人类专专家才能能实现的的任务。。

近期目标标：建造造智能计计算机以以代替人人类的某某些智力力活动。。远期目标标：用自自动机模模仿人类类思维活活动和智智力功能能。1.4人工智能能的研究究目标和和内容1.4..2人工智能能研究的的基本内内容1.认知建模模认知的5种类型：：①信息处理理过程②心理上的的符号计计算③问题求解解④思维⑤诸如知觉觉、记忆忆、思考考、判断断、推理理、学习习、想象象、问题题求解、、概念形形成和语语言使用用等关联联活动。。认知科学学（思维维科学））说明人人类在认认知过程程中是如如何进行行信息加加工的。。1.4人工智能能的研究究目标和和内容1.4..2人工智能能研究的的基本内内容2.知识表示示人类知识识概念化化、形式式化或模模型化。。

3.知识推理理从一些已已知判断断或前提提推导出出一个新新的判断断或结论论的思维维过程。。4.知识应用用专家系统统、自然然语言理理解，…

1.4人工智能能的研究究目标和和内容1.4..2人工智能能研究的的基本内内容5.机器感知知机器有类类似于人人的感觉觉，如机机器视觉觉、机器器听觉

6.机器思维维对传感信信息和机机器内部部的工作作信息进进行有目目的的处处理。7.机器学习习使机器（（计算机机）具有有学习新新知识和和新技术术，并在在实践中中不断改改进和完完善的能能力。1.4人工智能能的研究究目标和和内容1.4..2人工智能能研究的的基本内内容8.机器行为为智能系统统（计算算机、机机器人））具有表表达能力力和行动动能力。。

9.智能系统统构建开展对模模型、系系统构造造与分析析技术、、系统开开发环境境和构造造工具以以及人工工智能语语言等的的研究。。1.5人工智能能研究的的主要方方法1.功能模拟拟法以符号处处理为核核心对人人脑功能能进行模模拟。

2.结构模拟拟法通过神经经元之间间的连接接以及神神经元间间的秉性性处理，，实现对对人脑智智能的模模拟。3.行为模拟拟法智能行为为的感知知-动作模式式。4.集成模拟拟法1.6人工智能能的研究究和应用用领域1.问题求解解与博弈弈人工智能能的第一一个大成成就是发发展了能能够求解解难题的的下棋(如国际象象棋)程序，它它包含问问题的表表示、分分解、搜搜索与归归约等。。2.逻辑推理理与定理理证明逻辑推理理是人工工智能研研究中最最持久的的子领域域之一，，特别重重要的是是要找到到一些方方法，只只把注意意力集中中在一个个大型数数据库中中的有关关事实上上，留意意可信的的证明，，并在出出现新信信息时适适时修正正这些证证明。定理证明明的研究究在人工工智能方方法的发发展中曾曾经产生生过重要要的影响响。我国国人工智智能大师师吴文俊俊院士提提出并实实现了几几何定理理机器证证明的方方法，被被国际上上承认为为“吴氏氏方法””，是定定理证明明的又一一标志性性成果。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域3.计算智能能神经计算算、模糊糊计算、、进化计计算、粒粒子群计计算、自自然计算算、免疫疫计算等等。进化计算算(EvolutionaryComputation)是指一类类以达尔尔文进化化论为依依据来设设计、控控制和优优化人工工系统的的技术和和方法的的总称，，它包括括遗传算算法、进进化策略略和进化化规划。。4.分布式人人工智能能与Agent分布式计计算与人人工智能能的结合合，创建建一种能能够描述述自然系系统和社社会系统统的精确确概念模模型。Agent是处在某某个环境境中的计计算机系系统，该该系统有有能力在在这个环环境中自自主行动动以实现现其设计计目标。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域5.自动程序序设计对自动程程序设计计的研究究不仅可可以促进进半自动动软件开开发系统统的发展展，而且且也使通通过修正正自身数数码进行行学习(即修正它它们的性性能)的人工智智能系统统得到发发展。程程序理论论方面的的有关研研究工作作对人工工智能的的所有研研究工作作都是很很重要的的。自动程序序设计研研究的重重大贡献献之一是是作为问问题求解解策略的的调整概概念。已已经发现现，对程程序设计计或机器器人控制制问题，，先产生生一个不不费事的的有错误误的解，，然后再再修改它它(使它正确确工作)，这种做做法一般般要比坚坚持要求求第一个个解就完完全没有有缺陷的的做法有有效得多多。1.6人工智能能的研究究和应用用领域6.专家系统统一般地说说，专家家系统是是一个智智能计算算机程序序系统，，其内部部具有大大量专家家水平的的某个领领域知识识与经验验，能够够利用人人类专家家的知识识和解决决问题的的方法来来解决该该领域的的问题。。发展专家家系统的的关键是是表达和和运用专专家知识识，即来来自人类类专家的的并已被被证明对对解决有有关领域域内的典典型问题题是有用用的事实实和过程程。1.6人工智能能的研究究和应用用领域7.机器学习习学习是人人类智能能的主要要标志和和获得知知识的基基本手段段；机器器学习(自动获取取新的事事实及新新的推理理算法)是使计算算机具有有智能的的根本途途径；机机器学习习还有助助于发现现人类学学习的机机理和揭揭示人脑脑的奥秘秘。学习习是一个个有特定定目的的的知识获获取过程程，其内内部表现现为新知知识结构构的不断断建立和和修改，，而外部部表现为为性能的的改善。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域8.自然语言言理解语言处理理也是人人工智能能的早期期研究领领域之一一，并引引起了进进一步的的重视。。语言的的生成和和理解是是一个极极为复杂杂的编码码和解码码问题。。一个能理理解自然然语言信信息的计计算机系系统看起起来就像像一个人人一样需需要有上上下文知知识以及及根据这这些上下下文知识识和信息息用信息息发生器器进行推推理的过过程。理理解口头头的和书书写语言言的计算算机系统统所取得得的某些些进展，，其基础础就是有有关表示示上下文文知识结结构的某某些人工工智能思思想以及及根据这这些知识识进行推推理的某某些技术术。1.6人工智能能的研究究和应用用领域9.机器人学学人工智能能研究日日益受到到重视的的另一个个分支是是机器人人学，其其中包括括对操作作机器人人装置程程序的研研究。这这个领域域所研究究的问题题，从机机器人手手臂的最最佳移动动到实现现机器人人目标的的动作序序列的规规划方法法，无所所不包。。目前已已经建立立了一些些比较复复杂的机机器人系系统。机器人和和机器人人学的研研究促进进了许多多人工智智能思想想的发展展。智能机器器人的研研究和应应用体现现出广泛泛的学科科交叉，，涉及众众多的课课题，机机器人已已在各领领域获得得越来越越普遍的的应用。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域10.模式识别别人工智能能所研究究的模式式识别是是指用计计算机代代替人类类或帮助助人类感感知模式式，是对对人类感感知外界界功能的的模拟，，研究的的是计算算机模式式识别系系统，也也就是使使一个计计算机系系统具有有模拟人人类通过过感官接接受外界界信息、、识别和和理解周周围环境境的感知知能力。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域11.机器视觉觉实验表明明，人类类接受外外界信息息的80%以上来自自视觉，，视觉对对人类是是非常重重要的。。机器视觉觉或计算算机视觉觉已从模模式识别别的一个个研究领领域发展展为一门门独立的的学科；；在视觉觉方面，，已经给给计算机机系统装装上电视视输入装装置以便便能够““看见””周围的的东西。。机器视觉觉的前沿沿研究领领域包括括实时并并行处理理、主动动式定性性视觉、、动态和和时变视视觉、三三维景物物的建模模与识别别、实时时图像压压缩传输输和复原原、多光光谱和彩彩色图像像的处理理与解释释等。1.6人工智能能的研究究和应用用领域12.神经网络络神经网络络处理直直觉和形形象思维维信息具具有比传传统处理理方式好好得多的的效果。。神经网络络已在模模式识别别、图象象处理、、组合优优化、自自动控制制、信息息处理、、机器人人学和人人工智能能的其它它领域获获得日益益广泛的的应用。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域13.智能控制制人工智能能的发展展促进自自动控制制向智能能控制发发展。智智能控制制是一类类无需(或需要尽尽可能少少的)人的干预预就能够够独立地地驱动智智能机器器实现其其目标的的自动控控制。智能控制制是同时时具有以以知识表表示的非非数学广广义世界界模型和和数学公公式模型型表示的的混合控控制过程程，也往往往是含含有复杂杂性、不不完全性性、模糊糊性或不不确定性性以及不不存在已已知算法法的非数数学过程程，并以以知识进进行推理理，以启启发来引引导求解解过程。。1.6人工智能能的研究究和应用用领域14.智能调度度与指挥挥确定最佳佳调度或或组合的的问题是是人们感感兴趣的的又一类类问题，，求解这这类问题题的程序序会产生生一种组组合爆炸炸的可能能性，这这时，即即使是大大型计算算机的容容量也会会被用光光。人工智能能学家们们曾经研研究过若若干组合合问题的的求解方方法。他他们的努努力集中中在使““时间-问题大小小”曲线线的变化化尽可能能缓慢地地增长，，即使是是必须按按指数方方式增长长。有关关问题域域的知识识再次成成为比较较有效的的求解方方法的关关键。为为处理组组合问题题而发展展起来的的许多方方法对其其它组合合上不甚甚严重的的问题也也是有用用的。1.6人工智能能的研究究和应用用领域15.智能检索索随着科学学技术的的迅速发发展，出出现了““知识爆爆炸”的的情况，，研究智智能检索索系统已已成为科科技持续续快速发发展的重重要保证证。智能信息息检索系系统的设设计者们们将面临临以下几几个问题题。首先先，建立立一个能能够理解解以自然然语言陈陈述的询询问系统统本身就就存在不不少问题题。其次次，即使使能够通通过规定定某些机机器能够够理解的的形式化化询问语语句来回回避语言言理解问问题，但但仍然存存在一个个如何根根据存储储的事实实演绎出出答案的的问题。。第三，，理解询询问和演演绎答案案所需要要的知识识都可能能超出该该学科领领域数据据库所表表示的知知识。1.6人工智能能的研究究和应用用领域16.数据挖掘掘与知识识发现知识获取取是知识识信息处处理的关关键问题题之一。。数据挖掘掘是通过过综合运运用统计计学、粗粗糙集、、模糊数数学、机机器学习习和专家家系统等等多种学学习手段段和方法法，从大大量的数数据中提提炼出抽抽象的知知识，从从而揭示示出蕴涵涵在这些些数据背背后的客客观世界界的内在在联系和和本质规规律，实实现知识识的自动动获取。。数据挖掘掘和知识识发现技技术已获获广泛应应用。1.6人工智能能的研究究和应用用领域17.人工生命命人工生命命(ArtificialLife,ALife)旨在用计计算机和和精密机机械等人人工媒介介生成或或构造出出能够表表现自