什么是人工智能125精编版

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1、人工智能原理,(符号计算科学),Principles of Artificial Intelligence,第一章：概述,Chapter 01 Introduction,01 什么是人工智能？,Section 01 What is AI?,01 什么是人工智能？,人工智能： Artificial Intelligence (AI),Artificial Intelligence,Artificial (adj.) 人造的, 假的, 非原产地的。,1.1 关于智能的概念：,1.1 关于智能的概念： 智能涉及什么？,James Albus： “我相信，对智能的理解涉及理解知识怎样获取、表达和存储，

2、智能行为怎样生成，灵感、情感和直觉怎样发展并产生作用，来自感官的信号怎样转换成符号，而符号又怎样操作以表现逻辑并推理过去策划未来，智能的机制怎样产生幻想、信念、愿望、恐惧和梦，甚至善良和爱。”,01 什么是人工智能？,01 什么是人工智能？,1.1 关于智能的概念： 理解智能意味着什么？,James Albus： “我相信，在一个基本的水平上理解这些功能将是与原子核物理、相对论和分子遗传学相提并论的科学成就。”,01 什么是人工智能？,1.2 人工智能的派别 符号计算与神经计算,无论是符号计算学派，还是神经计算学派，其研究的出发点都是使机器表现出类似生物智能行为的行为。,01 什么是人工智能？

3、,1.2 人工智能的派别 关于符号计算科学,符号主义最直接的证据是：人的逻辑思维过程是基于语言符号的。因此，符号计算科学为模拟人的大脑的逻辑思维过程提供了良好的途径。,实现符号计算的机器是符号计算机。,01 什么是人工智能？,1.2 人工智能的派别 关于神经计算科学,神经计算反映了科学界对生物智能微观特征的认识和理解，这种认识和理解对基于神经信息的生物智能（包括知觉、记忆、灵感、情感、想象、概念形成、判断、推理、学习等）的模拟有普遍的意义。,实现神经计算的机器是神经计算机。,本课程中所讲述的 “人工智能” 仅限于 “符号计算科学”。这也是传统意义上 Artificial Intelligenc

4、e 所具有的内涵。,01 什么是人工智能？,1.3 课程对 AI 概念的限定 仅仅意味着符号计算,01 什么是人工智能？,1.3 科学界的人工智能观 Winston 的 AI 观,Winston 说： “实际上，下一个一般性的定义似乎是不可能的，因为智能似乎是一个包含着许多的信息处理和信息表达技能的混合体。”,01 什么是人工智能？,1.3 科学界的人工智能观 Graham 的 AI 观,Graham 说： “人工智能是计算机科学的一个分支，他用计算机程序来做某些事情，这些事情如果让人来做的话，就需要智能。”,“至于说，能不能把做这些事情的计算机叫做有智能的，那就由你了。”,01 什么是人工智

5、能？,1.3 科学界的人工智能观 傅京孙的 AI 观,傅京孙在上世纪 70 年代初期曾说： “人工智能是一门新兴的边缘学科，其核心是符号模型和符号运算。 ”,01 什么是人工智能？,1.3 科学界的人工智能观 Nilsson 的 AI 观,Nilsson 说：“概括地讲，人工智能是关于以人工制品的形式存在的智能行为的科学。”,“智能行为依次涉及感知、推理、学习、交流、以及在复杂环境中进行决策。” “人工智能的长远目标之一就是开发具有能与人一样出色，甚至比人更为出色地做这些事情的机器。人工智能的另一个目标是理解这种行为，无论这种行为是表现在机器内，还是表现在人或其它生物内。” “人工智能既有工程

6、的目标，又有科学的目标。”,01 什么是人工智能？,1.3 注解人工智能 AI 是边缘科学,注：传统上，人工智能归属计算机科学的范畴。,01 什么是人工智能？,1.3 注解人工智能 AI 的基本目标,人工智能的基本目标在于： 使机器具有类似生物的智能 使机器表现出类似生物的智能行为 使机器思维,按照 Nilsson 的观点，人工智能包含两类不同性质的目标，即科学目标和工程目标。 (1) 科学目标：理解智能 (2) 工程目标：实现智能,01 什么是人工智能？,1.3 思考与练习,1-1 什么是人工智能？,1-2符号计算学派和神经计算学派关于人工智能的基本观点是什么？,1-3以你的观点，人工智能研

7、究中，符号计算学和神经计算学各具有哪些合理性或不合理性？,1-4作为一门科学，人工智能属于什么学科？,1-5按照 Nilsson 的观点，人工智能的科学目标是什么？工程目标又是什么？,1-6人工智能的基本目标是什么？研究的基本内容是什么？,1-7符号运算意义下，人工智能的基本目标和研究的基本内容是什么？,02 为什么研究 AI？,Section 02 Why AI?,02 为什么研究 AI？,2.1 算法与计算机程序 算法与运行时间,计算机是通过执行计算机程序来进行工作的，计算机程序是算法的计算机语言形式，算法是问题求解方法的形式化描述或问题求解的步骤。,问题的求解需要算法，执行一个算法或计算

8、机程序需要一定的时间。显然，算法运行所需的时间与问题的大小有关。,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 定义,算法定义：一个有穷规则集合称为一个算法，如果该集合中的规则规定了一个解决某一特定类型问题的运算序列，并具有如下特征：,(1) 有穷性：算法必定在执行有穷步之后结束,(2) 确定性：算法的每一个步骤必须是确切定义的,(3) 输入：算法有 0 个以上的输入,(4) 输出：算法有 1 个以上的输出,(5) 能行性：算法中所有有待实现的运算都是相当基本的，即，它们原则上都是能够精确地执行的，人用笔和纸进行有限次运算可完成的。,1. 已经证明，有相当多的同类问题，不存在任何算法可以解答其中

9、任何一个问题。,2. 即使有一种算法能解决某一类别中的所有问题，可是这个算法只对其中一些很小的问题才有实际意义；而对于其中一些较大的实际问题却仍然无能为力。,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 存在的困难,所谓多项式时间运行算法，即运行时间 t 与问题大小 n 的多项式 nc (c=1,2,) 成正比的算法。,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 多项式时间运行算法,多项式时间运行算法被认为是： 可以实际运行的算法,所谓指数时间运行算法，即运行时间 t 与问题大小 n 的指数 2n, n!, nn 成正比的算法。,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 指数时间运行算法,指数

10、时间运行算法被认为是： 不可以实际运行的算法,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 TSP 问题,旅行推销员问题 (Traveling Salesman Problem, TSP)：设有 n 个城市 Ci ( i = 1,2,n )，一推销员由城市 C1 出发，必须经过且只许经过每个城市一次，最后返回城市 C1。求路径最短的旅行路线。,可能的路径数？,例：n 5 Ci 为第 i 个城市 dij 为 Ci 和 Cj 间的距离,(n1)!,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 梵塔问题,梵塔问题 (Tower-of-Hanoi Puzzle)： 设有 3 根柱子和 n 个不同直径的圆盘

11、 Di ( i = 1,2,n )，圆盘由大到小穿在柱子 1 上。要求将圆盘移至柱子 2，并由大到小地叠放。移动圆盘时，每次只能移动 1 个，且大圆盘不能叠放在小圆盘上。,例：n 3 可能的操作次数： 2317,2n1,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 梵塔问题,梵塔问题操作次数：2n1 (n1),证明：(数学归纳法),Basis Step: n=1时，需操作1次，即：,2n1= 211=1,Inductive Step: 设 n=k 时结论成立，则 n=k+1 时，操作次数为：,(证毕),一个标准的梵塔问题是一个有 n=64 个圆盘的梵塔问题，需要对圆盘进行操作的次数为：,由人来移

12、动圆盘，假设每次操作需要 1 秒的时间，那么，此问题的求解需要多少时间呢？,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 梵塔问题,由计算机来移动圆盘，假设每次操作对应计算机的 1 次计算，那么，对于一个速度为每秒 1 千亿次的计算机，求解 64 个圆盘的梵塔问题解需要多少时间呢？,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 梵塔问题,02 为什么研究 AI？,2.2 经典算法 运行时间对照表,人类每天都会遇到许多复杂问题。对经典算法而言，这些问题大多极其复杂，特别是一些控制、管理与决策问题。然而，人类能很好地，有效地处理和解决这些问题。,数学家认为，在人类处理的复杂问题中，某些类的问题甚至不存

13、在任何一种经典算法能求解此类问题；而另一些类的问题，即使存在某种经典算法能求解此类问题，这种算法也是以指数时间运行的算法，是无法实际运行的。,02 为什么研究 AI？,2.3 智能算法 人类球解复杂问题的能力,1. 经典算法需保证对某一类问题的有效性；而人类的方法只需面向合理的或实际的问题，并且，特殊问题，特殊对待。,2. 经典算法需保证对某一类问题的正确性；而人类容许某一方法对某一特殊问题的失败，尝试各种方法是人类问题求解方法的一部分。,3. 经典算法需保证对某一类问题的最优性；而人类并不追求最佳解答，只求可行解答。,02 为什么研究 AI？,2.3 智能算法 与经典算法的区别,与经典算法相

14、比，人类在求解实际问题方面，远远胜过采用经典算法的计算机。 因此，将人类解决问题的方法移植到计算机，研究用于计算机的人工智能算法，是一个很好的想法。,02 为什么研究 AI？,2.3 智能算法 模拟人类问题球解策略,1. 搜索：象人类那样尝试错误,2. 启发式搜索：盲目搜索会造成“组合爆炸”，从而导致算法以指数时间运行。象人类那样利用经验一类的启发性知识进行搜索，能有效避免“组合爆炸”。,3. 问题规约：象人类那样将复杂问题化解为一些简单的子问题，然后分别予以解决，可谓“集中优势兵力，各个击破”。,4. 规划：象人类那样将制定一个解决复杂问题的计划和步骤，并依计划确定各步骤的方案。,02 为什

15、么研究 AI？,2.3 智能算法 特征,1-9人工智能的算法与经典算法的根本差异是什么？,1-8为什么说指数时间运行算法是无法实际运行的的算法？,1-10依你的观点，机器需要智能吗？,02 为什么研究 AI？,2.4 思考与练习,03 机器能表现智能吗？,Section 03 Can Machines be Intelligent?,03 机器能表现智能吗？,3.1 Simon 和 Newell 杜撰的概念 物理符号系统,物理符号系统 (Physical Symbol Systems, PSS),Simon 和 Newell 试图通过对物理符号系统 (Physical Symbol Syste

16、ms, PSS)与智能行为关系的研究，阐明计算机表现智慧的可能性或计算机思维的可能性。,03 机器能表现智能吗？,3.2 物理符号系统 相关概念,03 机器能表现智能吗？,3.2 物理符号系统 定义,如果一个物理系统具有如下功能，它就是一个物理符号系统：,(1) 输入符号；,(2) 输出符号；,(3) 存储符号；,(4) 复制符号；,(5) 条件转移；,(6) 建立符号结构：发现符号关系，形成符号结构。,03 机器能表现智能吗？,3.2 物理符号系统 体系结构,03 机器能表现智能吗？,3.2 物理符号系统 注释,物理符号系统是一种信息处理系统，计算机是物理符号系统，人的神经系统也是物理符号系统。,物理符号系统意味着所研究的系统是物质的,物理符号系统的基本任务或基本功能就是辨认相同的符号，区别不同的符号。,符号可以是形象的，也可以是抽象的；即可以是文字、图象，又可以是计算机中的电子运动模式， 或生物神经系统中的生物信号模式。,03 机器能表现智能吗？,3.3 物理符号系统假设 AI 的公理,物理符号系统假设 (P