人工智能与教育.ppt

1、人工智能的研究领域,人工智能与教育,绪论第一章产生式系统第二章产生式系统的搜索策略第三章可分解产生式系统的搜索策略第四章人工智能中的谓词演算及应用第五章人工智能语言 第六章 人工智能与教育,本课主要内容：,绪 论：,什么是AI？ AI的历史回顾 AI的研究内容 AI的相关基础 历史上的人工智能大师 本课程的主要学习内容 本课展望,什么是AI？,人工智能（Artificial Intelligence）简称AI 起源于美国1956年的一次夏季讨论（达特茅斯会议） 什么是AI？ 计算算计 图灵测试,Thermostat Tic-Tac-Toe Your car Chess Google Babbl

2、efish,This thing Asimo,什么是AI？ AI Systems,Rule-based Fuzzy Logic Neural Networks Genetic Algorithms,什么是AI？ AI Techniques,Systems that think like humans Systems that act like humans Systems that think rationally Systems that act rationally,什么是AI？ How to Categorize These Systems,How one thinks vs. How

3、one acts How can I know how you think? For the most part, you are a “black box” Cognitive Science How can I know how you act? Observation Turing Test,什么是AI？ Distinctions,The use of computers to solve problems that previously could only be solved by applying human intelligence. thus something can fit

4、 this definition today, but, once we see how the program works and understand the problem, we will not think of it as AI anymore (David Parnas),什么是AI？ David Parnas,什么是AI？ 图灵测试,罗杰施安克的故事理解程序 机器是否真的理解了呢？ 希尔勒的中文屋子 问题：通过了图灵测试就具有了智能了吗？ 思考题：如何理解希尔勒的中文屋子？,什么是AI？ 理解,AI的本质问题 研究如何制造出人造的智能机器或系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸

5、人们智能的科学。,什么是AI？ 本质,AI的历史回顾,第一阶段（40年代中50年代末） 神经元网络时代 双层网络 M-P模型、感知器模型等 问题：XOR问题不能解决,AI的历史回顾（续1）,XOR问题（异或问题）,AI的历史回顾（续2）,Minsky的著作：Perceptions（感知器） 从理论上证明了二层神经元网络不可能解决XOR问题 如果要求解XOR问题，神经元网络必须是3层或3层以上的结构 对于3层或3层以上的神经元网络，难于找到一个通用的学习算法,AI的历史回顾（续3）,第二阶段（50年代中60年代中） 通用方法时代 物理符号系统 主要研究的问题：GPS、游戏、翻译等 对问题的难度估

6、计不足，陷入困境,AI的历史回顾（续4）,一个笑话（英俄翻译）： The spirit is willing but the flesh is week. （心有余而力不足） The Vodka is Strong but meat is rotten. （伏特加酒虽然很浓，但肉是腐烂的）,AI的历史回顾（续5）,出现这样的错误的原因 ： Spirit: 1) 精神 2) 烈性酒 结论： 必须理解才能翻译，而理解需要知识,AI的历史回顾（续6）,知识就是力量培根 知识蕴涵着力量费根鲍姆,AI的历史回顾（续7）,第三阶段（60年代中80年代初） 知识工程时代 专家系统 知识工程 知识工程席卷全球

7、 各国发展计划： 美国星球大战计划 英国ALVEY计划 法国UNIKA计划 日本五代机计划 中国“863”计划,AI的历史回顾（续8）,遇到的困难： 知识获取的瓶颈问题,AI的历史回顾（续9）,第四阶段（80年代中90年代初） 新的神经元网络时代 Hopfield网，成功求解了旅行商问题 存在问题： 理论依据 解决大规模问题的能力 新的动向构造化方法,AI的历史回顾（续10）,螺旋线分类问题：,AI的历史回顾（续11）,第五阶段（90年代初现在）数据与网络时代 网络给AI带来无限的机会 知识发现与数据挖掘 AI 走向实用化,AI 的研究内容,搜索技术 知识表示 规划方法 机器学习 认知科学,A

8、I 的研究内容（续1）,自然语言理解与机器翻译 专家系统与知识工程 定理证明 博弈 机器人 数据挖掘与知识发现,AI 的研究内容（续2）,多Agent系统 复杂系统 足球机器人 两个组织：RoboCup和FIRA 仿真组与机器人组 控制方式：FIRA采用集中控制，而RoboCup采用分布式控制 清华大学获得2001、2002年RoboCup世界冠军（仿真组） 人机交互技术,AI 的研究内容,IBM的“深蓝” ： 北京时间1997年5月12日凌晨4点50分，美国纽约公平大厦，当IBM公司的“深蓝”超级电脑将棋盘上的一个兵走到C4的位置上时，国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫对“深蓝”的人机大战落下帷幕，

9、“深蓝”以3.5：2.5的总比分战胜卡斯帕罗夫。,正在与深蓝下棋的卡斯帕罗夫,IBM的“深蓝”,IBM的“深蓝”（续1）：,IBM的“深蓝” ： 96年2月第一次比赛结果： “深蓝”：胜、负、平、平、负、负 97年5月第二次比赛结果： “深蓝”：负、胜、平、平、平、胜,IBM的“深蓝”（续2）：,“深蓝”的技术指标： 32个CPU 每个CPU有16个协处理器 每个CPU有256M内存 每个CPU的处理速度为200万步/秒,思考题2：国际象棋、中国象棋与围棋,为什么已经有了可以战胜国际大师的国际象棋程序，而中国象棋和围棋的程序水平却比较低呢？ 力量投入问题？ 计算机发展水平问题？ 棋本身的复杂性

10、问题？ 其他别的问题？,AI的相关基础,下面谈一谈与人工智能研究相关的学科,Foundations Philosophy 基础哲学,Aristotle (384 B.C.E.) Author of logical syllogisms 亚里斯多德逻辑三段论的作者 da Vinci (1452) designed, but didnt build, first mechanical calculator 达芬奇（意大利的名画家）设计但没有实现，第一台机械计算机 Descartes (1596) can human free will be captured by a machine? Is an

11、imal behavior more mechanistic? 笛卡儿（法国数学家）人类的自由意志可以被机器捕获吗？动物行为更机械吗？ Necessary connection between logic and action is discovered 发现了逻辑与行为之间的必然的联系,Foundations Mathematics 基础数学,More formal logical methods 更形式逻辑的方法 Boolean logic (Boole, 1847) 布尔逻辑（布尔，1874） Analysis of limits to what can be computed 可被计算

12、的任何有限分析 Intractability (1965) time required to solve problem scales exponentially with the size of problem instance Intractability （1965）需要时间来解决问题实例大小呈指数规模的问题 NP-complete (1971) Formal classification of problems as intractable 完全NP（1971） 作为 问题的形式化分类 Uncertainty (Cardano 1501) 不确定性问题（卡第诺，1501） The ba

13、sis for most modern approaches to AI 针对AI更为现代方法的基础 Uncertainty can still be used in logical analyses 不确定性仍然用于逻辑分析,Foundations Economics 基础经济学,Humans are peculiar so define generic happiness term: utility 人类很奇怪，可以这样定义一般的快乐术语：实用 Game Theory study of rational behavior in small games 博弈论通过小的游戏研究理性行为 Ope

14、rations Research study of rational behavior in complex systems 运筹学通过复杂的系统研究理性行为 Herbert Simon (1916 2001) AI researcher who received Nobel 赫尔伯特西蒙（1916-2001）所有获得诺贝尔奖的研究人员 Prize in Economics for showing people accomplish satisficing solutions, those that are good enough 表明经济学领域那些足够好地找到满意的答案的人们的奖励,Foun

15、dations Neuroscience 基础神经科学,How do brains work? 大脑是如何工作的？ Early studies (1824) relied on injured and abnormal people to understand what parts of brain do 早期研究（1824）依赖于脑损伤和不正常的人们的大脑部分来理解怎么做的 More recent studies use accurate sensors to correlate brain activity to human thought 最近的研究使用精密的传感器来关联大脑行为与人类思

16、想的关系 By monitoring individual neurons, monkeys can now control a computer mouse using thought alone 通过控制个体神经元，猴子可以仅通过思维就可以控制鼠标 Moores law states computers will have as many gates as humans have neurons in 2020 摩尔定律表明2020年计算机将拥有与人类拥有神经元一样的门电路 How close are we to having a mechanical brain? 我们如何更靠近拥有一个

17、机械的大脑？ Parallel computation, remapping, interconnections, binary vs. gradient 并行计算，重新映射，内部连接， 二进制 vs. 梯度,Foundations Psychology 基础心理学,Helmholtz and Wundt (1821) started to make psychology a science by carefully controlling experiments 赫尔姆霍茨与冯特（1821）通过小心地控制实验开始使得心理学成为一门科学 The brain processes informat

18、ion (1842) 大脑处理信息（1842） stimulus converted into mental representation 刺激被转换成为智力表达式 cognitive processes manipulate representation to build new representations 认知过程操作表达式导致新的表达式 new representations are used to generate actions 新的表达式用于产生行为 Cognitive science started at a MIT workshop in 1956 with the pub

19、lication three very influential papers 认知科学于1956年通过三篇非常有影响力的论文的发表，始于麻省理工大学实验室,Foundations Control Theory 基础控制理论,Machines can modify their behavior in response to the environment (sense / action loop) 机器可以适应环境以修正其行为（侦测/动作循环） Water-flow regulator (250 B.C.E), steam engine governor, thermostat 水流调节器（25

20、0 B.C.E），蒸汽机调节器，恒温器 The theory of stable feedback systems (1894) 稳定反馈系统的理论（1894） Build systems that transition from initial state to goal state with minimum energy 建造系统运用最小的能量从初始状态转变到目标状态 In 1950, control theory could only describe linear systems and AI largely rose as a response to this shortcoming

21、 1950年，控制理论仅用于描述线性系统，而人工智 能大大增加了对这个缺点的反映,Foundations Linguistics 基础语言学,Speech demonstrates so much of human intelligence 言语证明了太多的人类智慧 Analysis of human language reveals thought taking place in ways not understood in other settings 人类语言的分析揭示了思维发生的方式而不是理解的其它环境 Children can create sentences they have n

22、ever heard before 孩子们可以造出他们从未听说过的句子 Language and thought are believed to be tightly intertwined 可以确信语言和思维紧密地缠绕在一起,历史上的人工智能大师,下面介绍图灵和几位获得图灵奖的人工智能大师,阿伦图灵（Alan Turing）（1）,计算机科学理论的创始人,阿伦图灵（Alan Turing）（2）,1912年出生于英国伦敦，1954年去世 1936年发表论文“论可计算数及其在判定问题中的应用”，提出图灵机理论 1950年发表论文“计算机与智能”，阐述了计算机可以具有智能的想法，提出图灵测试 1

23、966年为纪念图灵的杰出贡献，ACM设立图灵奖,Alan Turing “Building a Brain” 爱伦图灵 “构造大脑”,World War II motivated computer advances 第二次世界大战刺激计算机的发展 Code breaking (Colossus) 代码阻断（巨人） Computing missile trajectories (Mark I) 计算导弹轨迹 Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC) 电子数字积分器与计算机 Turing greatly involved with B

24、ritish efforts to build computers and crack codes (Bletchley Park) 图灵与英国人一起投入付出努力创建计算机并且解密代码（ 公园） Arrested for being a homosexual in 1952 and denied security clearance 1952年因同性恋被捕并且拒绝安全清除 Committed suicide in 1954 clearance 1954年因清除问题而自杀,马文明斯基（Marniv Lee Minsky）（1）,人工智能之父 框架理论的创立者 首位获得图灵奖的人工智能学者,马文明

25、斯基（Marniv Lee Minsky）（2）,1927年出生于美国纽约 1951年提出思维如何萌发并形成的基本理论 1956年达特茅斯会议的发起人之一 1958年在MIT创建世界上第一个AI实验室 1969年获得图灵奖 1975年首创框架理论,约翰麦卡锡（John McMcarthy）（1）,人工智能之父 LISP语言的发明人 首次提出AI的概念,约翰麦卡锡（John McMcarthy）（2）,1927年出生于美国波士顿 1956年发起达特茅斯会议，并提出“人工智能”的概念 1958年与明斯基一起创建世界上第一个人工智能实验室 发明剪枝算法 1959年开发LISP语言 开创逻辑程序设计，

26、用于程序验证和自动程序设计 1971年获得图灵奖,赫伯特西蒙（Herbert A. Simon）（1）,符号主义学派的创始人 爱好广泛的全能科学家 中国科学院外籍院士,赫伯特西蒙（Herbert A. Simon）（2）,1916年出生于美国的威斯康辛州 1943年在匹兹堡大学获政治学博士学位 1969年因心理学方面的贡献获得杰出科学贡献奖 1975年和他的学生艾伦纽厄尔共同获得图灵奖 1978年获得诺贝尔经济学奖 1986年因行为学方面的成就获得美国全国科学家奖章,赫伯特西蒙（Herbert A. Simon）（3）,50年代至60年代初开发了世界上最早的启发式程序“逻辑理论家”LT，证明了

27、数学原理第二章中的全部52个定理，开创了机器定理证明这一新的学科领域 57年开发了IPL（Information Processing Language）语言，是最早的AI语言。 60年开发了“通用问题求解系统”GPS 66年开发了最早的下棋程序之一MATER 70年发展与完善了语义网络的概念和方法 70年代提出了“物理符号系统假说” 70年代提出决策过程模型，成为DSS的核心内容,艾伦纽厄尔（Allen Newell）（1）,符号主义学派的创始人之一 西蒙的学生与同事 1975年与西蒙同获图灵奖,查理德卡普（Richard M. Karp）（1）,发明“分枝界限法”的三栖学者,查理德卡普（R

28、ichard M. Karp）（2）,1935年出生于美国波士顿 是加州大学伯克利分校三个系的教授： 电气工程和计算机系 数学系 工业工程和运筹学系 60年代提出“分枝界限法”，成功求解含65个城市的旅行商问题，创当时的记录 1985年获得图灵奖,爱德华费根鲍姆（Edward A. Feigenbaum）（1）,知识工程的提出者 大型人工智能系统的开拓者,爱德华费根鲍姆（Edward A. Feigenbaum）（2）,1936年出生于美国的新泽西州 通过实验和研究，证明了实现智能行为的主要手段是知识 1977年提出知识工程，使人工智能从理论转向应用 名言：知识蕴涵着力量 1994年和劳伊雷迪

29、共同获得图灵奖,爱德华费根鲍姆（Edward A. Feigenbaum）（3）,1963年主编了计算机与思想一书，被认为是世界上第一本有关人工智能的经典性专著 1965年开发出世界上第一个专家系统 开发出著名的专家系统MYCIN 80年代合著了四卷本的人工智能手册 开设了Teknowldege和IntelliGenetics两个公司，是世界上第一家以开发和将专家系统商品化的公司。,劳伊雷迪（Raj Reddy）（1）,大型人工智能系统的开拓者,劳伊雷迪（Raj Reddy）（2）,1937年出生于印度，66年在美国获得博士 1994年与费根鲍姆共同获得图灵奖 主持过一系列大型AI系统的开发

30、Navlab能在道路行驶的自动车辆项目 LISTEN用于扫盲的语音识别系统 以诗人但丁命名的火山探测机器人项目 自动机工厂项目，提出“白领机器人学”,道格拉斯恩格尔巴特（Douglas Engelbart）（1）,鼠标的发明人 超文本研究的先驱,道格拉斯恩格尔巴特（Douglas Engelbart）（2）,1925年出生于美国俄勒冈州 60年代提出计算机是人类智力的放大器的观点 1964年发明鼠标，67年申请专利，70年取得专利 对超文本技术做出了贡献，以他的名字命名ACM超文本会议最佳论文奖,本课程的主要学习内容,本课主要学习的内容 产生式系统 搜索技术 盲目搜索方法 启发式搜索方法 与/或图搜索方法 博弈树搜索方法 AI中的谓词演算及应用 人工智能语言,Textbook,This is a great book 2nd edition released one month ago Most widely used in U.S. universities Its so good. Im going to make you read it! Homework Read chapters 1 and 2,参考数目：,林尧瑞，