智能计算1

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1、计算与智能计算概述 1 n计算与电子计算机 n智能与智能计算机 n智能计算 n智能计算算法 计算与智能计算概述 2 计算与电子计算机 一、计算是一种将单一或复数之输入值转换为单一或 复数之结果的一种思考过程。 广义的计算包括： n数学计算，逻辑推理，文法的产生式，集合论的 函数，组合数学的置换，变量代换，图形图像的 变换，数理统计等。 n人工智能解空间的遍历，问题求解，图论的路径 问题，网络安全，代数系统理论，上下文表示感 知与推理，智能空间等。 3 计算与电子计算机 n甚至包括数字系统设计（例如逻辑代数），软件 程序设计（文法），机器人设计，建筑设计等设 计问题。 随着数学和计算机技术的进展

2、，计算的观念越 来越显示其在各个领域的威力，从计算的角度审视 世界，认为从物理世界、生命过程直到人类智能都 是可计算的（Computable），甚至整个宇宙完全是 由算法（Algorithm）支配的。 4 计算与电子计算机 二、第一台电子计算机（ENIAC：Electronic Numerical Integrator and Computer） 1946年，在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院产生； 重量30吨，占地170平方米，功率140千瓦； 电子管18000多个，继电器1500多个； 采用10进制，机器字长10位，运算最快速度5000次/秒； 工作方式：通过插件式“外接”线路实现的，尚未采用“

3、程序存储 ”方式； 耗资48万美元，历时3年，由莫奇利、埃克特领导的科研小组研制； 5 计算与电子计算机 Mauchly和Eckert等研制成功ENIAC电子数字计算机， 为计算机学科发展奠定物质基础，但ENIAC计算机存 在两个严重缺点： n没有存储器； n它用布线接板进行控制，甚至要搭接几天，计算速度也 就被这一工作抵消了 6 计算与电子计算机 三、冯.诺依曼机 冯.诺依曼机: 采用程序存储方式，即在计算机中设置存储器 ，将符号化的计算步骤放在存储器中，然后依次取出存储的 内容进行译码，并按照译码结果进行计算，从而实现计算机 工作的自动化。 冯 诺依曼 7 l熟悉计算机发展历史的人大都知道

4、，美国科 学家冯诺依曼被誉为“计算机之父”，他是二 十世纪最伟大的发明家之一。 l数学史界却同样坚持认为，冯诺依曼是二十 世纪最伟大的数学家之一，他在遍历理论、 拓扑群理论等方面作出了开创性的工作，算 子代数甚至被命名为“冯诺依曼代数”。 冯诺依曼 8 n1931年匈牙利首都布达佩斯。身为犹太银行家的父亲 在报纸上刊登启事，要为他11岁的孩子招聘家庭教师 ，聘金超过常规10倍。布达佩斯人才济济，可一个多 月过去，居然没有一人前往应聘。因为这个城市里， 谁都听说过，银行家的长子冯诺依曼聪慧过人，3岁 就能背诵父亲帐本上的所有数字， 6岁能够心算8位数 除8位数的复杂算术题，8岁学会了微积分。 冯

5、诺依曼 9 父亲无可奈何，只好把冯诺依曼送进一所正规 学校就读。不到一个学期，他班上的数学老师走进家 门，告诉银行家自己的数学水平已远不能满足冯诺 依曼的需要。“假如不给这孩子深造的机会，将会耽 误他的前途，”老师认真地说道，“我可以将他推荐 给一位数学教授，您看如何？” 银行家一听大喜过 望，于是冯诺依曼一面在学校跟班读书，一面由布 达佩斯大学教授为他“开小灶”。 冯诺依曼 10 然而，这种状况也没能维持几年，勤奋好学的中 学生很快又超过了大学教授，他居然把学习的触角伸 进了当时最新数学分支集合论和泛函分析，同时还 阅读了大量历史和文学方面的书籍，并且学会了七种 外语。毕业前夕，冯诺依曼与数

6、学教授联名发表了 他第一篇数学论文，那一年，他还不到17岁。 冯诺依曼 11 考大学前夕，匈牙利政局动荡，冯诺依曼便浪迹欧 洲各地，在柏林和瑞士一些著名的大学听课。22岁时，他 获瑞士苏黎士联邦工业大学化学工程师文凭。一年之后， 轻而易举摘取布达佩斯大学数学博士学位。在柏林当了几 年无薪讲师后，他转而攻向物理学，为量子力学研究数学 模型，又使自己在理论物理学领域占据了突出的地位。风 华正茂的冯诺依曼，靠着顽强的学习毅力，在科学殿堂 里“横扫千军如卷席”，成为横跨“数、理、化”各门学 科的超级全才。 冯诺依曼 12 1928年，美国数学泰斗、普林斯顿高级研究院 维伯伦教授（O.Veblen）广罗

7、天下之英才，一封烫金 的大红聘书，寄给了柏林大学这位无薪讲师，请他去 美国讲授“量子力学理论课”。冯诺依曼预料到未 来科学的发展中心即将西移，欣然同意赴美国任教。 1930年，27岁的冯诺依曼被提升为教授；1933年， 他又与爱因斯坦一起，被聘为普林斯顿高等研究院第 一批终身教授，而且是6名大师中最年轻的一名。 冯诺依曼 13 1944年戈德斯坦来到阿贝丁车站，等候去费城的火车 ，突然看见前面不远处，有个熟悉的身影向他走过来。来 者正是闻名世界的大数学家冯诺依曼。天赐良机，戈德 斯坦感到绝不能放过这次偶然的邂逅，他把早已埋藏在心 中的几个数学难题，一古脑儿倒出来，向数学大师讨教。 数学家和蔼可

8、亲，没有一点架子，耐心地为戈德斯坦排忧 解难。听着听着，冯诺依曼不觉流露出吃惊的神色，敏 锐地从数学问题里，感到眼前这位青年身边正发生着什么 不寻常的事情。他开始反过来向戈德斯坦发问，直问得年 轻人“好像又经历了一次博士论文答辩”。最后，戈德斯 坦毫不隐瞒地告诉他莫尔学院的电子计算机课题和目前的 研究进展。 冯诺依曼 14 1945年6月，冯 诺依曼与戈德斯坦、勃 克斯等人，联名发表了一篇长达101页的报告 ，即计算机史上著名的“101页报告”，直到 今天，仍然被认为是现代计算机科学发展里程 碑式的文献。报告明确规定出计算机的五大部 件，并用二进制替代十进制运算。 冯诺依曼 15 n是美国国家

9、科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国 立林且学院等院的院土。 n1951年至1953年任美国数学会主席； n1954年他任美国原子能委员会委员； n1954年夏，冯.诺依曼被诊断患有癌症，1957年2月8日 ，在华盛顿去世，终年54岁。 冯诺依曼 16 智能与智能计算机 一、智能（Intelligence）：认知、识别、推理、决 策、规划、解决问题、适应、学习、理解等内在而 天然的才能。 n认识和理解世界环境的能力 n进行演绎和归纳推理、作出决策的能力 n学习的能力 n自我适应的能力 17 智能与智能计算机 智能是一种能力，即在给定问题-环境- 目的的条件下，有针对性地获取和合理地处 理问题与

10、环境的信息，在此基础上结合目的 信息明智地再生策略信息，并在给定环境条 件下正确地利用策略信息成功地解决问题， 满意地达到预定目的的能力。 18 智能与智能计算机 二、智能计算机 n体系结构:智能化的头脑和躯干 n人机接口:智能化的五官和四肢 n在体系结构方面：智能计算机是要试图打破冯诺 依曼式计算机的存储程序式的框架，实现类似人脑 结构的计算机体系结构，以期获得自学习、自组织 、自适应、分布式的并行计算的功能。 n在人机接口方面：文字识别、语音识别、语音合成 、图像识别、机器翻译、自然语言理解 19 智能与智能计算机 n数字计算机能不能模拟人的智能？ 1937年A.丘奇和图灵分别独立地提出关

11、于人的思维 能力与递归函数的能力等价； H.德雷福斯等哲学家肯定地认为以图灵机为基础的 数字计算机不能模拟人的智能。数字计算机-形式 化的信息处理 n怎样判断计算机是否具有智能？-图灵实验 20 Turing图灵 n艾伦麦席森图灵（Turing，1912年6月23日 - 1954年6月7日），英国数学家。 n“计算机科学之父” n3岁那年，他进行了在科学实验方面的首次尝试把玩 具木头人的胳膊掰下来种植到花园里，想让它们长成 更多的木头人。 n8岁时，图灵尝试着写了一部科学著作，题名关于一 种显微镜。 21 n1937年，伦敦权威的数学杂志又收到图灵一篇论文 论可计算数及其在判定问题中的应用，作

12、为阐明现 代计算机原理的开山之作，被永远载入了计算机的发 展史册。 n这篇论文原本是为了解决一个基础性的数学问题：是 否只要给人以足够的时间演算，数学函数都能够通过 有限次运算求得解答？传统数学家当然只会想到用公 式推导证明它是否成立，可是图灵独辟蹊径地想出了 一台冥冥之中的机器。 Turing图灵 22 图灵机 n图灵想象的机器说起来很简单：使用一条无限长度 的纸带，纸带被划分成许多方格，有的方格被画上 斜线，代表“1”；有的没有画任何线条，代表 “0”。该机器有一个读写器件，可以从带子上读 出信息，也可以往空方格里写下信息。 n图灵机 23 “巨人”计算机 n第二次世界大战期间，图灵应征入

13、伍，在战时 英国情报中心“布雷契莱庄园” 从事破译德 军密码的工作，与战友们一起制作了第一台密 码破译机。 n在图灵理论指导下，这个“庄园”后来还研制 出破译密码的专用电子管计算机“巨人”（ Colossus）。 24 “巨人”计算机 n1944年2月，“巨人”计算机正式启用。布雷 契莱庄园依靠“巨人” 向英国和盟军指挥部 发出了48000份“超级机密”电报，平均每小 时破译的德国情报超过了11份。 n由于“巨人”及时提供准确的情报，德军“海 狼行动”遭到惨败，600余舰被击沉。 n此外，“巨人”也在诺曼底登陆战役里发挥了 巨大作用，以至有人认为：“巨人”参战改变 了战争的进程。 25 ACE

14、电脑 n1945年，脱下军装的图灵，带着大英帝国授予 的最高荣誉勋章，被录用为泰丁顿国家物理研 究所高级研究员。由于有了布雷契莱的实践， 他提交了一份“自动计算机”的设计方案，领 导一批优秀的电子工程师，着手制造一种名叫 ACE的电脑。 n1950年，ACE电脑样机公开表演。 26 n1950年，图灵来到曼彻斯特大学任教，并被指定 为该大学自动计算机项目的负责人。就在这年10 月，他的又一篇划时代论文计算机与智能 发 表。这篇文章后来被改名为机器能思维吗？ Can a machine think？ Can a machine think？ 27 图灵试验 n试图通过让机器模仿人回答某些问题，判

15、断它是否具备智 能。图灵试验采用“问”与“答”模式，即观察者通过控 制打字机向两个试验对象通话，其中一个是人，另一个是 机器。要求观察者不断提出各种问题，从而辨别回答者是 人还是机器。 n图灵指出：“如果机器在某些现实的条件下，能够非常好 地模仿人回答问题，以至提问者在相当长时间里误认它不 是机器，那么机器就可以被认为是能够思维的。” 28 图灵预测，2000年之前计算机有30%的概率蒙骗一个普 通人达5分钟。 然而，AI研究者相信研究智能的根本原理远比复制智 能更重要。 图灵预测 29 图灵测试对计算机的要求 n自然语言处理 n知识表示 n自动推理 n机器学习 n完全图灵测试 n计算机视觉

16、n机器人技术 30 图灵测试 n从表面上看，要使机器回答按一定范围 提出的问题似乎没有什么困难，可以通 过编制特殊的程序来实现。然而，如果 提问者并不遵循常规标准，编制回答的 程序是极其困难的事情。 31 图灵试验 n问：你会下国际象棋吗？ n答：是的。 n问：你会下国际象棋吗？ n答：是的。 n问：请再次回答，你会下国际象棋吗？ n答：是的。 你多半会想到，面前的这位是一部笨机器。 32 图灵试验 n问： 你会下国际象棋吗？ n答：是的。 n问：你会下国际象棋吗？ n答：是的，我不是已经说过了吗？ n问：请再次回答，你会下国际象棋吗？ n答：你烦不烦，干嘛老提同样的问题。 33 图灵试验 上述两种对话的区别在于，第一种可明显地感到 回答者是从知识库里提取简单的答案，第二种则具有 分析综合的能力，回答者知道观察者在反复提出同样 的问题。“图灵试验”没有规定问题的范围和提问的 标准，如果想要制造出能通过试验的机器，以我们现 在的技术水平，必须在电脑中储存人类所有可以想到 的问题，