1、課程簡介關(guān)于人工智能 人工智能是研究計算機(jī)實現(xiàn)智能的原理以及建造智能計算機(jī)的學(xué)科。目標(biāo)和任務(wù) “人工智能”是計算機(jī)科學(xué)理論基礎(chǔ)研究的重要組成部分，是計算機(jī)類專業(yè)的專業(yè)課。本課程是關(guān)于人工智能的引導(dǎo)性課程，介紹人工智能的基本理論、方法和技術(shù)，目的是使學(xué)生了解和掌握人工智能的基本概念和方法，為今后的更高級課程的學(xué)習(xí)、為將來在人工智能領(lǐng)域的進(jìn)一步研究工作和軟件實踐奠定良好的基礎(chǔ)。 先修課程 計算機(jī)程序設(shè)計基礎(chǔ)、離散數(shù)學(xué)。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1 人工智能的定義與發(fā)展 1.2 人類智能與人工智能 1.3 人工智能各學(xué)派的認(rèn)知觀 1.4 人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域 文學(xué)志

2、南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.1 人工智能的定義 定義1.1 （智能機(jī)器（Intelligent machine） 能夠在各類環(huán)境中自主地或交互地進(jìn)行各種擬人任務(wù)（anthropomorphic task）的機(jī)器。 定義1.2 （人工智能（學(xué)科） 人工智能學(xué)科是計算機(jī)科學(xué)中涉及研究、設(shè)計和應(yīng)用智能機(jī)器的一個分支，是一門綜合性的交叉學(xué)科和邊緣學(xué)科。 定義1.3 （人工智能（能力） 是智能機(jī)器執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設(shè)計、思考、規(guī)劃、學(xué)習(xí)和問題求解等思維活動。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源

3、與發(fā)展（1） 孕育期公元前900多年，我國歌舞機(jī)器人公元前850多年，古希臘關(guān)于制造機(jī)器人幫助人們勞動的神話傳說古希臘偉大的哲學(xué)家亞里士多德創(chuàng)立的演繹法德國數(shù)學(xué)和哲學(xué)家萊布尼茨奠定的數(shù)理邏輯基礎(chǔ)英國數(shù)學(xué)家圖靈創(chuàng)立圖靈機(jī)模型美國數(shù)學(xué)家、電子數(shù)字計算機(jī)的先驅(qū)莫克利等人研制成功的世界上第一臺通用電子計算機(jī)此外1943年，美國神經(jīng)生理學(xué)家麥卡錫和皮茨一起研制出了世界上第一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開創(chuàng)了以仿生學(xué)觀點和結(jié)構(gòu)化方法模擬人類智能的途徑1948年，美國著名數(shù)學(xué)家維納創(chuàng)立了控制論，為以行為模擬觀點研究人工智能奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。1950年，圖靈又發(fā)表了題為計算機(jī)能思維嗎？的著名論文，明確提出了“機(jī)器

4、能思維” 的觀點。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（2） 形成期（19561970年）1956年夏季，達(dá)特茅斯（Dartmouth）大學(xué)數(shù)學(xué)家、計算機(jī)專家麥卡錫和他的3位朋友：哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家、神經(jīng)學(xué)家明斯基，IBM公司信息中心負(fù)責(zé)人洛切斯特，貝爾實驗室信息部數(shù)學(xué)研究員香農(nóng)共同發(fā)起在達(dá)特茅斯大學(xué)舉行了一個為期兩個月的夏季學(xué)術(shù)研討會（用機(jī)器模擬人類智能） 人工智能誕生以人工智能為目標(biāo)的3個研究小組紐厄爾和西蒙的卡內(nèi)基-蘭德小組（心里學(xué)小組）塞繆爾的IBM公司工程課題研究小組明斯基和麥卡錫的MIT研究小組3個小組取得的成就領(lǐng)域定理證明、問題求解、博弈

5、 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（3） 知識應(yīng)用期（197120世紀(jì)80年代末，低潮期）挫折和教訓(xùn)博弈方面：塞繆爾的下棋程序與世界冠軍的戰(zhàn)績：5戰(zhàn)4負(fù)定理證明：魯濱遜歸結(jié)法的能力有限：用歸結(jié)原理證明兩個連續(xù)函數(shù)之和還是連續(xù)函數(shù)時，推了10萬步也沒證出結(jié)果問題求解方面：理想的良結(jié)構(gòu)問題，現(xiàn)實的不良結(jié)構(gòu)問題，產(chǎn)生組合爆炸機(jī)器翻譯：如，把“心有余而力不足”的英語句子“The spirit is willing but the flesh is weak”翻譯成俄語，然后再翻譯回來時竟變成了“酒是好的，肉變質(zhì)了”，即英語句子為“The wine is

6、good but the meat is spoiled”.以人工智能為目標(biāo)的3個研究小組在神經(jīng)生理學(xué)方面，研究發(fā)現(xiàn)人腦由10111012個神經(jīng)元組成，在現(xiàn)有技術(shù)條件下用機(jī)器從結(jié)構(gòu)上模擬人腦是根本不可能的。人工智能的本質(zhì)、理論、思想和機(jī)理受到了來自哲學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)學(xué)等社會各界的責(zé)難、懷疑和批評。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（3）以知識是為中心的研究（20世紀(jì)70年代至80年代）專家系統(tǒng) 是一個具有大量專門知識，并能夠利用這些知識去解決特定領(lǐng)域中需要專家才能解決的那些問題的計算機(jī)程序。實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，從一般思維規(guī)律探討

7、走向?qū)ｉT知識運用的重大突破，是人工智能發(fā)展史上的一次重大轉(zhuǎn)折。1976年費根鮑姆領(lǐng)導(dǎo)研制成功的MYCIN專家系統(tǒng)可以協(xié)助內(nèi)科醫(yī)生診斷、治療細(xì)菌感染疾病 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（4） 從學(xué)派分立走向綜合（20世紀(jì)80年代末至本世紀(jì)初）基于知識工程的符號主義學(xué)派基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)主義學(xué)派基于控制論的行為主義學(xué)派 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（5） 智能科學(xué)技術(shù)學(xué)科的興起（本世紀(jì)初到現(xiàn)在）由對人工智能的單一研究走向以自然智能、人工智能、集成智能為一體的協(xié)同智能研究；由人工智能學(xué)科的獨立研

8、究走向重視與腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等學(xué)科的交叉研究由多個不同學(xué)派的分立研究走向多學(xué)派的綜合研究由對個體、集中智能的研究走向?qū)θ后w、分布智能的研究集成智能：自然智能與人工智能通過協(xié)調(diào)配合所集成的智能協(xié)同智能：個體智能相互協(xié)調(diào)所涌現(xiàn)的群體智能。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（6）人工智能在我國1978年 開始設(shè)立人工智能的研究課題主要在定理證明、漢語自然語言理解、機(jī)器人和專家系統(tǒng)方面取得一批 研究成果 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.1.2 人工智能的起源與發(fā)展（7）人工智能的目標(biāo)遠(yuǎn)期目標(biāo) 制造智能機(jī)器，即能夠在各類環(huán)境中自動地或交

9、互地執(zhí)行各種擬人任務(wù)（anthropomorphic tasks）的機(jī)器。近期目標(biāo) 實現(xiàn)機(jī)器智能，即先部分地或某種程度地實現(xiàn)機(jī)器的智能 eg：1）深藍(lán)巨型機(jī)&世界象棋冠軍 2）自動駕駛汽車 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.2 人類智能與人工智能 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月符號處理系統(tǒng)的六種基本功能 符號處理系統(tǒng) 信息處理系統(tǒng)又叫符號操作系統(tǒng)(Symbol Operation System)或物理符號系統(tǒng)(Physical Symbol System)。所謂符號就是模式(pattern)。 符號操作系統(tǒng)任務(wù)及功能：辨認(rèn)相同的符號和區(qū)別不同的符號6種基本功

10、能 (1)輸入符號(input)；(2)輸出符號(output);(3)存儲符號(store);(4)復(fù)制符號(copy);(5)建立符號結(jié)構(gòu)：通過找出各符號間的關(guān)系，在符號系統(tǒng)中形成符號結(jié)構(gòu)；(6)條件性遷移(conditional transfer):根據(jù)已有符號，繼續(xù)完成活動過程。1.2.1 智能信息處理系統(tǒng)的假設(shè) 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月物理符號系統(tǒng)的假設(shè) 任何一個系統(tǒng)，如果它能表現(xiàn)出智能，那么它就必定能夠執(zhí)行上述6種功能。反之，任何系統(tǒng)如果具有這6種功能，那么它就能夠表現(xiàn)出智能；這種智能指的是人類所具有的那種智能。把這個假設(shè)稱為物理符號系統(tǒng)的假設(shè)。物理符號系統(tǒng)

11、3個推論 推論一 既然人具有智能，那么他(她)就一定是個物理符號系統(tǒng)。 人之所以能夠表現(xiàn)出智能，就是基于他的信息處理過程。 推論二 既然計算機(jī)是一個物理符號系統(tǒng)，它就一定能夠表現(xiàn)出智能。這是人工智能的基本條件。 推論三 既然人是一個物理符號系統(tǒng)，計算機(jī)也是一個物理符號系統(tǒng)，那么就能夠用計算機(jī)來模擬人的活動。 1.2.1 智能信息處理系統(tǒng)的假設(shè) 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月人類的認(rèn)知行為具有不同的層次 認(rèn)知生理學(xué) 研究認(rèn)知行為的生理過程，主要研究人的神經(jīng)系統(tǒng)（神經(jīng)元、中樞神經(jīng)系統(tǒng)和大腦）的活動，是認(rèn)知科學(xué)研究的底層。 認(rèn)知心理學(xué) 研究認(rèn)知行為的心理活動，主要研究人的思維策略，

12、是認(rèn)知科學(xué)研究的頂層。 認(rèn)知信息學(xué) 研究人的認(rèn)知行為在人體內(nèi)的初級信息處理，主要研究人的認(rèn)知行為如何通過初級信息自然處理，由生理活動變?yōu)樾睦砘顒蛹捌淠孢^程，即由心理活動變?yōu)樯硇袨?。這是認(rèn)知活動的中間層，承上啟下。 認(rèn)知工程學(xué) 研究認(rèn)知行為的信息加工處理，主要研究如何通過以計算機(jī)為中心的人工信息處理系統(tǒng)，對人的各種認(rèn)知行為（如知覺、思維、記憶、語言、學(xué)習(xí)、理解、推理、識別等）進(jìn)行信息處理。這是研究認(rèn)知科學(xué)和認(rèn)知行為的工具，應(yīng)成為現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)和現(xiàn)代認(rèn)知生理學(xué)的重要研究手段。 1.2.1 智能信息處理系統(tǒng)的假設(shè) 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.2.2 人類智能的計算機(jī)模擬機(jī)器

13、智能可以模擬人類智能 物理符號系統(tǒng)假設(shè)的推論一告訴人們，人有智能，所以他是一個物理符號系統(tǒng)；推論三指出，可以編寫出計算機(jī)程序去模擬人類的思維活動。這就是說，人和計算機(jī)這兩個物理符號系統(tǒng)所使用的物理符號是相同的，因而計算機(jī)可以模擬人類的智能活動過程。 智能計算機(jī)的功能 如下棋、證明定理、翻譯語言文字和解決難題等。神經(jīng)計算機(jī)(neural computer)能夠以類似人類的方式進(jìn)行“思考”，它力圖重建人腦的形象。一些國家對量子計算機(jī)的研究也已起步，希望通過對量子計算(quantum computing)的研究，產(chǎn)生量子計算機(jī)。量子計算機(jī)：由理乍得費曼提出，是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運

14、算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機(jī)。量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究。研究可逆計算機(jī)的目的是為了解決計算機(jī)中的能耗問題。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.3 人工智能各學(xué)派的認(rèn)知觀 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月人工智能三大學(xué)派 符號主義(Symbolicism) 又稱為邏輯主義(Logicism)、心理學(xué)派(Psychlogism)或計算機(jī)學(xué)派 (Computerism)，其原理主要為物理符號系統(tǒng)(即符號操作系統(tǒng))假設(shè)和有限合理性 原理。 連接主義(Connectionism)

15、又稱為仿生學(xué)派(Bionicsism)或生理學(xué)派(Physiologism)，其原理主要為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間的連接機(jī)制與學(xué)習(xí)算法。 行為主義(Actionism) 又稱進(jìn)化主義(Evolutionism)或控制論學(xué)派(Cyberneticsism)，其原理為控制論及感知 動作型控制系統(tǒng)。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月三大學(xué)派對人工智能發(fā)展歷史的不同看法 符號主義 認(rèn)為人工智能源于數(shù)理邏輯。符號主義仍然是人工智能的主流派。這個學(xué)派的代表有紐厄爾、肖、西蒙和尼爾遜(Nilsson)等。 連接主義 認(rèn)為人工智能源于仿生學(xué)，特別是人腦模型的研究。 行為主義 認(rèn)為人工智能源于控制論

16、。這一學(xué)派的代表作首推布魯克斯(Brooks)的六足行走機(jī)器人，它被看做新一代的“控制論動物”，是一個基于感知動作模式的模擬昆蟲行為的控制系統(tǒng)。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4 人工智能的研究與應(yīng)用領(lǐng)域 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.1 問題求解 人工智能的第一個大成就是發(fā)展了能夠求解難題的下棋(如國際象棋)程序，它包含問題的表示、分解、搜索與歸約等。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.2 邏輯推理與定理證明 邏輯推理 是人工智能研究中最持久的子領(lǐng)域之一，特別重要的是要找到一些方法，只把注意力集中在一個大型數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)事

17、實上，留意可信的證明，并在出現(xiàn)新信息時適時修正這些證明。 定理證明 定理證明的研究在人工智能方法的發(fā)展中曾經(jīng)產(chǎn)生過重要的影響。例如，采用謂詞邏輯語言的演繹過程的形式化有助于更清楚地理解推理的某些子命題。許多非形式的工作，包括醫(yī)療診斷和信息檢索都可以和定理證明問題一樣加以形式化。因此，在人工智能方法的研究中定理證明是一個極其重要的論題。 我國人工智能大師吳文俊院士提出并實現(xiàn)了幾何定理機(jī)器證明的方法，被國際上承認(rèn)為“吳氏方法”，是定理證明的又一標(biāo)志性成果。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.3 自然語言理解 語言處理也是人工智能的早期研究領(lǐng)域之一，并引起了進(jìn)一步的重視。語言的

18、生成和理解是一個極為復(fù)雜的編碼和解碼問題。一個能理解自然語言信息的計算機(jī)系統(tǒng)看起來就像一個人一樣需要有上下文知識以及根據(jù)這些上下文知識和信息用信息發(fā)生器進(jìn)行推理的過程。理解口頭的和書寫語言的計算機(jī)系統(tǒng)所取得的某些進(jìn)展，其基礎(chǔ)就是有關(guān)表示上下文知識結(jié)構(gòu)的某些人工智能思想以及根據(jù)這些知識進(jìn)行推理的某些技術(shù)。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.5 專家系統(tǒng) 一般地說，專家系統(tǒng)是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有大量專家水平的某個領(lǐng)域知識與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。發(fā)展專家系統(tǒng)的關(guān)鍵是表達(dá)和運用專家知識，即來自人類專家的并已被證明對解決有關(guān)領(lǐng)

19、域內(nèi)的典型問題是有用的事實和過程。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.6 機(jī)器學(xué)習(xí) 學(xué)習(xí)是人類智能的主要標(biāo)志和獲得知識的基本手段；機(jī)器學(xué)習(xí)(自動獲取新的事實及新的推理算法)是使計算機(jī)具有智能的根本途徑；機(jī)器學(xué)習(xí)還有助于發(fā)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)的機(jī)理和揭示人腦的奧秘。學(xué)習(xí)是一個有特定目的的知識獲取過程，其內(nèi)部表現(xiàn)為新知識結(jié)構(gòu)的不斷建立和修改，而外部表現(xiàn)為性能的改善。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理直覺和形象思維信息具有比傳統(tǒng)處理方式好得多的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已在模式識別、圖象處理、組合優(yōu)化、自動控制、信息處理、機(jī)器人學(xué)和人工智能的其它領(lǐng)域

20、獲得日益廣泛的應(yīng)用。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.8 機(jī)器人學(xué) 人工智能研究日益受到重視的另一個分支是機(jī)器人學(xué)，其中包括對操作機(jī)器人裝置程序的研究。這個領(lǐng)域所研究的問題，從機(jī)器人手臂的最佳移動到實現(xiàn)機(jī)器人目標(biāo)的動作序列的規(guī)劃方法，無所不包。目前已經(jīng)建立了一些比較復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。 機(jī)器人和機(jī)器人學(xué)的研究促進(jìn)了許多人工智能思想的發(fā)展。 智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用體現(xiàn)出廣泛的學(xué)科交叉，涉及眾多的課題，機(jī)器人已在各領(lǐng)域獲得越來越普遍的應(yīng)用。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.9 模式識別 人工智能所研究的模式識別是指用計算機(jī)代替人類或幫助人類感知模式，是

21、對人類感知外界功能的模擬，研究的是計算機(jī)模式識別系統(tǒng)，也就是使一個計算機(jī)系統(tǒng)具有模擬人類通過感官接受外界信息、識別和理解周圍環(huán)境的感知能力。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.10 機(jī)器視覺 實驗表明，人類接受外界信息的80%以上來自視覺，視覺對人類是非常重要的。機(jī)器視覺或計算機(jī)視覺已從模式識別的一個研究領(lǐng)域發(fā)展為一門獨立的學(xué)科；在視覺方面，已經(jīng)給計算機(jī)系統(tǒng)裝上電視輸入裝置以便能夠“看見”周圍的東西。 機(jī)器視覺的前沿研究領(lǐng)域包括實時并行處理、主動式定性視覺、動態(tài)和時變視覺、三維景物的建模與識別、實時圖像壓縮傳輸和復(fù)原、多光譜和彩色圖像的處理與解釋等。 文學(xué)志 南京信息工程大學(xué)計軟學(xué)院 2010年2月1.4.11 智能控制 人工智能的發(fā)展促進(jìn)自動控制向智能控制發(fā)展。智能控制是一類無需(或需要盡可能少的)人的干預(yù)就能夠獨立地驅(qū)動智能機(jī)器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。 智能控制是同時具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義世界模型和數(shù)學(xué)公式模型表示的混合控制過程，也往往是含有復(fù)雜性