智能计算基础剖析

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1、1,智能计算基础,第一章 绪论 第二章 不精确推理 第三章 人工神经网络计算 第四章 演化计算 第五章 数据挖掘 第六章 粗集与模糊逻辑,2,第一章 绪论,智能的概念 智能的发展历史 智能学的产生 智能计算的分支,3,智能的概念,哲学（philosophy）一词来自于希腊语philosophia，是由爱好（philo）和智慧（sophia）组成。 什么是智能？智能在哪里？智能什么样？ 智能：个体有目的的行为、合理的思维，以及有效的适应环境的综合性能力。 智能在人体中，是脑的重要功能。 智能的表现形式多样。 其他动物是否具有智能？ 人类和一些动物具有的智力和行为能力。 蚊子、蝙蝠、信天翁、海豚、

2、猴子。 电脑具有智能吗？,4,最早的智力工具,从起源中理解事物，就是从本质上理解事物。,5,最早的智力工具,最早的智力工具（大约公元前3500年） 数的认识 计数 数制 计算 算盘的发明 算盘的样子 算盘的使用 算盘的未来,6,思维逻辑研究,公孙龙（约前320年-前250年） 白马论 指物论 通变论 坚白论 名实论 迹府 白马非马,7,思维逻辑研究,白马论 白和马是两个不同的概念 白马不同于马 白马的“白”和“马”可以分开 黄马和马不同 马的颜色属性并不固定,8,思维逻辑研究,坚白论 石头的白色和坚硬是可以分离的属性。 眼睛看不到石之坚，只能见石之白，这时坚硬性等于没有；手摸不到石之白，只能感

3、到石之坚，这时白等于没有。有时感到坚硬，有时感到白色，感觉到的和感觉不到的，彼此分离。彼此不联在一起的，叫分离。分离就是潜在于自身之中。,9,思维逻辑研究,名实论 讨论名词（名）与其所指（实）的关系时，了名词的所指必须有确定的规律。 故彼彼止于彼，此此止于此，可。彼此而彼且此，此彼而此且彼，不可。 如果认为那个就是那个，这个就是这个，是正确的；而认为那个也是这个，这个也是那个，则不正确。,10,思维逻辑研究,墨子（约前468年-前376年） 研究了类比推理、直接推理 定义了具体名词、抽象名词 区分了全称判断和特称判断 两个互相矛盾的判断不能同时成立，必定有一个不能成立。 墨子是中国逻辑学的奠基

4、者。,11,思维逻辑研究,荀子（约前313年-前238年） 批判地改造了先秦诸子的学术思想，反对天命、神鬼迷信，形成了比较完整的唯物主义哲学体系。 对于智力，有一定的认识。他认为“智力在心里。” 耳、目、口、鼻、形，能各有接而不相能也，夫是之谓天官。心居中虚，以治五官，夫是之谓天君。,12,脑的作用和发现,脑的发现，在公元前600年前250年 希腊哲学家、医学教师希波克拉底，得出结论：大脑是人类感情的源地。 亚里士多德也研究过脑，“在所有的动物中，人拥有相对于身体比例而言最大的大脑。”,13,哲学的发展,苏格拉底：（前470前399年），最早“归纳论证”方法。要求认真考察前提和结论，精确地说明

5、和定义概念，推断必须有严格演绎，假设必须论证或驳斥。 柏拉图： （约前427年前347年），把苏格拉底的言论学说记录，与自己的思想融合到一起，创建了哲学学科，史称哲学王。 亚里士多德：（前384前322年），创造了形式逻辑学。主要著作有：形而上学、物理学、诗学、工具论、政治学、论灵魂、论产生与毁灭、伦理学。被称为“动物学之父”。 与柏拉图同在，与亚里士多德同在。,14,逻辑学,判断语句是对事物有所肯定或否定的思维形式。 命题是具有真假意义的一句话。 三段论 如果所有阔叶植物都是落叶的， 并且所有葡萄树都是阔叶植物， 则所有葡萄树都是落叶的。,15,逻辑学,证明 指出了要通过推理获得知识，就必须

6、由已有的知识出发。 驳斥了“一切知识都要经过证明”的言论。 公理、设定和定义都不需要证明。 形而上学 矛盾律、排中律和归纳法 把矛盾律看作关于事物的规律 承认有一种“直觉推理”的思维方式不受逻辑支配。,16,形而上学,形而上学(metaphysics)是哲学术语，哲学史上指哲学中探究宇宙根本原理的部分。 形而上学可以理解为：对“终极实在”的研究。广义上说，研究超越感性经验存在的学问，都可以叫做形而上学。 中文译名“形而上学”取自易经中“形而上者谓之道，形而下者谓之器”一语。,17,近代智能世界,笛卡尔 笛卡尔（1596-1650）了运动量守恒定律。他的学说导致关于人类存在与思维问题的理解发生了

7、革命性的变化。 形而上学的沉思、方法论、哲学原理、心灵感受 发明了笛卡尔坐标，被称为“解析几何之父”。 现代哲学之父、启蒙之父,18,近代智能世界,笛卡尔 发生在脑部的任何特定的活动，会立即影响人的心灵，并产生相应的感受。 如果每当小提琴声响时，你抽打一条狗五六次，那么，一旦它再听到提琴声，它就会吼叫而跑。,19,概率论的产生,概率论源于意大利的赌博业。 法国科学家Pascal和Fermat了概率论的概念。 贝努力了“置信度”的概念。当有了新的证据时，主观概率可以更改。 Bayes了Bayes公式，奠定了人工智能系统中不确定推理的现在方法论的基础。 拉普拉斯：把古典概率论推进到现代概率论，形成

8、了概率与统计。,20,数字计算器的发明,Pascal于1642年发明了机械加减法机。 Leibniz改进了Pascal的机器，于1673年造出了四则运算器，并了二进制的想法。 Babbage于1821年发明了通用计算机，可以存储地址和程序，用于自动计算数学表，贴近了现代电子计算机。,21,逻辑数学化,布尔于1847年了逻辑代数，把逻辑学引入到数学领域。 布尔名著思想规律的研究曾：用符号语言与运算可以表示任何事物。 了“类”的概念，类与集合相近，类由属于它的元素组成，它们都可以用符号表示。逻辑可以看作是类的演算，即相应的符号的代数。,22,逻辑数学化,布尔指出： 交换律 X+Y = Y+X XY

9、 = YX 分配率 X(Y+Z) = XY+XZ 结合律 X+(Y+Z) = (X+Y)+Z X(YZ)=(XY)Z,23,生命进化论,法国博物学家拉马克于1809年了进化学说。阐述了物种是可变的，其稳定性是相对的。拉马克被认为是科学进化论的创始人。 达尔文，于1859年发表了物种起源。繁殖过剩，生存竞争，适者生存，自然定向选择，构成了达尔文进化论的核心。 孟德尔，于1865年发表了植物杂交试验，为遗传学奠定了基础，也为生物进化中的遗传变异提供了理论基础。被称为现代遗传学之父。,24,脑的研究,脑部功能区的确定 大脑左半侧控制身体右侧，右脑控制身体左侧。 左半部主管语言、数学解析和分析思维；右

10、半部主管空间思维和乐感、理解普通名词、简单句子和简单算术。,25,脑的研究,大脑的解剖 脑是由什么组成的：高尔基于1872年发现了神经元，并且认为它们是直接连接在一起的。卡加尔认为神经元之间存在间隙，即突触。 卡加尔被认为是神经元学说的创立者。,26,神经网络,詹姆斯：由神经元组成的神经系统，其功能是调节生物体内各器官的活动和适应外部环境。 联想是由事件A联想起事件B的过程，是大脑皮层活动区A去激活大脑皮层活动区B的过程。 1943年，由生理学家麦克卡洛和数理逻辑学家皮茨成立了脑模型，称为MP模型，开创了用电子装置模仿人脑结构和功能的研究方向。,27,心理学,心理学是研究心理过程和行为的科学，

11、即研究认识、感情、意志等心理过程和能力、性格等心理特性。 实验心理学、认知心理学取得了很重要的理论和应用。 在机器的心理学研究上未取得有效的突破。,28,计算机模型的,图灵，于1934年逻辑设计和通用机器的概念。被称作人工智能之父，计算机科学之父。 于1936年发表论文论可计算数及其在判定问题中的应用，是阐明现代计算和计算机原理的开山之作。,29,计算机模型的,图灵机，是通过一条纸带读入某种符号，一次读入一个符号。机器内部有一个动作表，决定具体的动作。这些动作组成一组计算的基本动作，由它们构成不同的数学运算。 通用图灵机，就是能完成各种行为表的图灵机，相当于现代计算机。,30,计算机的出现,冯

12、诺依曼于1945年了“在计算机内部存储器中储存指令”的工作原理，以及基于这一原理的计算机系统结构。 控制器、运算器、存储器、输入和输出设备的结构仍然是主流计算机的结构。,31,控制论和信息论的出现,控制论：维纳于1948年。 自动控制和自我调节是生物智能行为的核心。 控制论的基本思想是用统一的观点讨论控制、通信与计算机，指出了计算机与神经系统工作机理的相似性。 信息论：香农于1948年。 香农的论文“通信的数学理论”，采用了信息编码和概率论方法，研究信号传输过程中的波形和干扰问题，发展了关于信息量的计算方法和统计理论，解释了通信过程的本质。,32,神经元学习,Hebb，了著名的Hebb学习规则

13、。 神经元是通过不断的学习获得能力的增长的。学习能力的大小与神经元的特征及神经元的学习强度有关。 某些学习是由遗传决定的。 外界环境也会影响神经元的学习。,33,人工智能的诞生,1956年在美国Dartmouth大学举行了2个月的研讨会。会上首次了“Artificial Intelligence”这个概念，讨论如何使机器模拟人类智能这个中心问题。 由Newell和Shannon研制的逻辑理论机LT数学定理证明程序，是第一个处理符号而不是数字的程序，是机器证明数学定理的最早尝试。 Samuel 编制的跳棋程序具有学习能力，后来超过了设计者本人。 1969年，第一届国际人工智能联合会召开。 我国从

14、1978年开始计划人工智能的研究。,34,进化计算,生物从低级进化到高级、从不完善到完善的过程，类似于计算机处理事务的过程。 一个生命体用一组特征数据表示，用它对生存环境的的适应程度来评价它的优劣，让适应性更强的特征繁殖得更快，最终取代适应性差的。这就是生物进化的抽象过程，对它编程后就得到进化计算。 代表：遗传算法,35,计算智能,人工神经网络、模糊系统和进化计算统称为计算智能，这三者都是模仿人的智能或自然规律，给出解决实际问题的一套计算方法，称之为智能计算方法。,36,专家系统与知识工程,Feigenbaum，1969年与同事开发出DENDRAL专家系统，该系统能从光谱仪提供的信息中推断出物

15、质的分子结构。 1976年，他们又开发出MYCIN医疗专家系统，用于抗生素药物治疗和血液感染诊断。 1977年， Feigenbaum了专家系统和知识工程的概念。,37,知识工程,知识工程是人工智能的一种技艺，它运用人工智能的原理和方法，对那些需要专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段。恰当运用专家知识的获取、表达和推理过程的构成与解释，是设计基于知识的系统的重要技术问题。,38,人机大战,下棋是很抽象的活动，是机器可以和人竞争的智能领域之一。 香农和图灵都编写过下棋程序。香农的评估函数，至今还在广泛应用。 Samuel 编写的西洋跳棋程序，首次引入了自适应的概念。 1997年，深蓝和卡斯帕

16、罗夫大战。 2004年，紫光计算机和诸宸大战。,39,智能计算的分支,人工智能 专家系统 机器学习 语音识别 机器翻译 人机对弈 人工神经网络 演化计算 数据挖掘,40,第二章 不精确推理,不精确推理的概念 不精确推理的方法 可信度方法 主观Bayes方法 证据理论,41,推理的类型,演绎推理：由一组前提必然推导出某个结论的过程。 演绎推理的核心是三段论。 演绎推理没有增加新的知识。 演绎推理的结果是保真的。 归纳推理：以某命题为前提，推论出与其有归纳关系的其他命题的过程。 归纳推理增加了新的知识，但是不保真。 在系统应用时，先根据一些事实进行归纳推理，得出一些结论，再根据一些事实对这些结论进行验证，去掉错误的，保留正确的。,42,推理的类型,外展推理：已知某一结果已经发生，去寻找这个结果的原因。也即由因到果的解释论证过程。 菜中放了糖会有甜味，放了醋会有酸味，放了盐会有咸味。 当我们从菜中吃出了某种味道，推理出菜中