人工智能原理第1章人工智能概述

人工智能原理

第1章人工智能概述

1本章内容容1.1关于人工工智能的的定义1.2人工智能能的基础础1.3人工智能能简史1.4智能体与与环境1.5智能体结结构小结参考书目目附录和和人工智智能相关关的社会会伦理问问题第1章人工工智能概概述21.1关于人工工智能的的定义智能体对AI的4种不同定定义类人行动动/类人思考考/理性思维维/理性行动动第1章人工工智能概概述3作为智能能体的人人类智能体(Agent))人类是一一种智能能体我们，作为一个个智能体体，为什什么能够够思考?大脑这么么一小堆堆东西怎怎么能够够感知、、理解、、预测和和应对一一个远比比自身庞庞大和复复杂的世世界？——理解人类类，理解解智能体体人工智能能(AI))走得更远：：不仅试试图理解解智能体体，而且且要建造造智能体体——制造出像像人类一一样完成成某些智智能任务务的系统统(软件)第1章人工工智能概概述4AI是新兴学科科，也是是激动人人心的学学科.Russell声称：不不同于物物理学，，这里还还有出现现几个爱爱因斯坦坦的余地地为什么？？研究主主观世界界的成果果远少于于研究客客观世界界的成果果第1章人工工智能概概述处于探索索初期的的学科5对AI的4种不同定义第1章人工工智能概概述像人一样思考的系统理性地思考的系统要使计算机能思考……有头脑的机器(Haugeland,1985)[使之自动化]与人类的思维相关的活动,诸如决策、问题求解、学习等活动(Bellman,1978)通过对计算模型的使用来进行心智能力的研究(Charniak&McDemontt,1985)对使得知觉、推理和行动成为可能的计算的研究(Winston,1992)像人一样行动的系统理性地行动的系统创造机器来执行人需要智能才能完成的功能(Kurzweil,1990)研究如何让计算机能够做到那些目前人比计算机做得更好的事情(Rich&Knight,1991)计算智能是对设计智能化智能体的研究(Pooleetal.,1998)AI关心的是人工制品中的智能行为(Nilsson,1998)6不同定义义—类人行为为(1)类人行为为：图灵灵测试(1950)图灵建议议：不是是问“机机器能否否思考””，而是是问“机机器能否否通过关关于行为为的智能能测试””第1章人工工智能概概述7不同定义义—类人行为为(2)测试过程程：让一一个程序序与一个个人进行行5分钟对话话/然后人猜猜测交谈谈对象是是程序还还是人？？如果在在30%测试中程程序成功功地欺骗骗了询问问人，则则通过了了测试图灵期待待最迟2000年出现这这样的程程序，但但是到目目前为止止，面对对训练有有素的鉴鉴定人，，没有一一个程序序接近30%的标准第1章人工工智能概概述8不同定义义—类人行为为(3)要想程序序通过图图灵测试试，还需需要做大大量工作作，这些些技能包包括：自然语言言处理,使机器可可以用人人类语言言交流知识表示示,存储机器器获得的的各种信信息自动推理理,运用知识识来回答答问题和和提取新新结论机器学习习,适应新环环境并检检测和推推断新模模式以及(为了完全全图灵测测试)计算机视视觉,机器感知知物体机器人技技术,操纵和移移动物体体第1章人工工智能概概述9不同定义义—类人行为为(4)AI研究者并并未花费费很多精精力来尝尝试通过过测试,因为研究究智能的的根本原原则远比比复制样样本重要要.如同空气气动力学学与模拟拟鸟类飞飞行之对对于飞机机的产生生第1章人工工智能概概述10不同定义义—类人思考考类人思考考:认知模型型方法如何得知知人类是是如何思思考的?通过自省省—捕捉人类类思维过过程和通通过心理理测试这种方法法不满足足于让程程序正确确地解决决问题,更加关心心对程序序的推理理步骤轨轨迹与人人类个体体求解同同样问题题的步骤骤轨迹进进行比较较认知科学学:把来自AI的计算模模型与来来自心理理学的实实验技术术相结合合,试图创立立一种精精确而且且可检验验的人类类思维工工作方式式的理论论通常,我们只关关心程序序实现了了什么功功能,而不会比比较AI技术和人人类认知知之间的的异同第1章人工工智能概概述11不同定义义—理性思考考理性地思思考:“思维法则则”方法19世纪,逻辑学家家就发展展出可以以描述世世界上一一切事物物及其彼彼此关系系的精确确的命题题符号1965年,原则上,已经有程程序可以以求解任任何用逻逻辑符号号描述的的可解问问题(消解法)AI领域传统统的逻辑辑主义希希望通过过编制上上述程序序来创造造智能系系统难点:非形式化化的知识识难以用用逻辑符符号形式式化/“原则上””可以解解决问题题和实际际解决问问题二者者之间存存在巨大大差异第1章人工工智能概概述12不同定义义—理性行动动(1)理性地行行动:理性智能能体方法法计算机智智能体应应该有别别于“简简单的””程序:具有诸如如自主控控制操作作、感知知环境、、适应变变化等理性智能能体：要要通过自自己的行行动获得得最佳结结果，或或者在不不确定的的情况下下，获得得最佳期期望结果果不仅要正正确地推推理，还还要正确确地行动动/正确推论论是理性性智能体体的部分分功能，，而不是是理性的的全部内内容图灵测试试中需要要的技能能都是为为了作出出理性行行为第1章人工工智能概概述13不同定义义—理性行动动(2)把AI研究视为为理性智智能体的的设计过过程好处：普遍性：：比“思思维法则则”法则则方法(理性地思思维)更广/比建立在在人类行行为或者者思维基基础(类人方法法)上的方法法更形式式化,因为相比比具有清清楚的定定义或标标准正确的结结果在不不同条件件下可以以定义清清楚完美理性性—总能做正正确的事事情vs.有限理性性—在没有足足够计算算时间的的前提下下采取正正确的行行动完美理性性在复杂杂环境下下是不可可行的第1章人工工智能概概述144种方法的的比较第1章人工工智能概概述思考过程类人思考模拟思维过程理性思考理性行为人类智能智能行为类人行为模拟行为功能思维过程思维模型按照模型建立思维系统智能行为行为建模按照模型建立行为系统类人思考考或类人人行为：：直接模模拟/追随人理性思考考或理性性行为：：间接模模拟/概括人––更普遍15AI概念理解解是一个个过程上述定义义见仁见见智重要的是是学习AI方法、应应用AI方法，在在实践中中逐步深深入领会会AI这个词的的含义目前，AI就是一种种运行在在我们自自己机器器中的程程序，它的智智能都是是我们给给的！第1章人工工智能概概述161.2人工智能能的基础础各学科的的贡献：：哲学/数学经济学/神经科学学/心理学计算机工工程控制论/语言学第1章人工工智能概概述17对人工智能有有贡献的的学科哪些学科科、哪些些思想和和哪些人人物给予予AI以贡献?哲学(BC428~~现在)数学(800~现在)经济学(1776~现在)神经科学学(1861~现在)心理学(1879~现在)计算机工工程(1940~现在)控制论(1948~现在)语言学(1957~现在)第1章人工工智能概概述18哲学的贡贡献(1)哲学(BC428~~现在)贡献的思思想:问题1：形式化化规则能能用来抽抽取合理理的结论论吗?问题2：精神的的意识是是如何从从物质的的大脑产产生出来来的?问题3：知识是是从哪里里来的?问题4：知识是是如何导导致行动动的?第1章人工工智能概概述19哲学的贡贡献(2)问题1：形式化化规则能能用来抽抽取合理理的结论论吗?（哲学家家及其贡贡献）亚里士多多德(Aristotle,BC384~BC322),,为形式逻逻辑奠定定了基础础/第一个把把支配意意识的理理性部分分法则形形式化为为精确的的法则集集合/著名的三三段论RamonLull/LeonardodaVinci(达·芬奇)/BlaisePascal((帕斯卡)/GottfriedWilhelmLeibnitz(莱布尼兹兹)等人均设设计或制制造了能能计算的的机器第1章人工工智能概概述20哲学的贡贡献(3)17世纪,有人提出出推理如如同数字字计算/帕斯卡写写道:“算术机器器产生的的效果显显然更接接近于思思维而不不是动物物的其他他活动””问题1结论:肯定的结结论,即可以用用一个规规则集合合描述意意识的形形式化、、理性的的部分第1章人工工智能概概述21哲学的贡贡献(4)问题2：从物理理系统的的角度来来考虑意意识:意识与物物质的大大脑之间间的关系系如何？？RenééDescartes(笛卡尔)给出了第第一个关关于意识识和物质质之间的的区别以以及由此此产生的的问题的的清晰讨讨论笛卡尔是是二元论的支持者者：坚持持意识(或称为灵灵魂/精神)的一部分分是超脱脱于自然然之外的的,不受物理理定律影影响.而动物不不拥有这这种二元元属性,它们可以以被作为为机器对对待第1章人工工智能概概述22哲学的贡贡献(5)唯物主义义认为:大脑依照照物理定定律运转转而构成成了意识识,自由意志志也就简简化为对对出现在在选择过过程中可可能选择择的感受受方式问题2结论:存在两种种选择—二元论和和一元论论第1章人工工智能概概述23哲学的贡贡献(6)问题3：知识是是从哪里里来的?关于知识识的来源源:FrancisBacon(培根)《新工具论论》开始了经经验主义义运动JohnLocke(洛克)指出：““无物非非先感而而后知””DavidHume(休谟)提出归纳纳原理：：一般规规则是通通过揭示示形成规规则的元元素之间间的重复复关联而而获得的的第1章人工工智能概概述24哲学的贡贡献(7)基于LudwigWittgenstein,BertrandRussell的工作，，RudolfCarnap领导维也也纳学派派发展了了实证逻逻辑主义义，坚持持认为所所有的知知识都可可以用最最终和传传感器输输入相对对应的观察语句句相联系的的逻辑理理论来描描述问题3结论:知识来自自于实践践第1章人工工智能概概述25哲学的贡贡献(8)问题4：知识是是如何导导致行动动的?关于意识识的哲学学图景的的最后元元素是知知识与行行动之间间的联系系/智能既要要求推理理也要求求行动亚里士多多德认为为:行动是通通过目标标与关于于行动结结果的知知识之间间的逻辑辑来判定定的第1章人工工智能概概述26哲学的贡贡献(9)他的进一一步阐述述指出:要深思的的不是结结局而是是手段/假设了结结局并考考虑如何何以及通通过什么么手段得得到该结结局,结局是否否容易是是否最好好/手段在分分析顺序序中是最最后一个个,在生成顺顺序中是是第一个个这实际上上就是回回归规划划系统,2300年后由Newell和Simon在其GPS程序中实实现了问题4结论:知识用于于指导行行动去达达到目标标第1章人工工智能概概述27数学的贡贡献(1)数学(800~现在)贡献的思思想:什么是抽抽取合理理结论的的形式化化规则?什么可以以被计算算?如何用不不确定的的知识进进行推理理?AI成为一门门规范科科学要求求在三个个基础领领域完成成一定程程度的数数学形式式化:逻辑、计计算、概概率第1章人工工智能概概述28数学的贡贡献(2)数学家及及其贡献献问题1：如何抽抽取形式式化规则则？GeorgeBoole(布尔,1815~~1864),,1847年完成了了形式逻逻辑的数数学化/命题逻辑辑或称布布尔逻辑辑GottlobFrege(弗雷格,1848~~1925),,1879年扩展了了布尔逻逻辑,使其包含含对象和和关系,创建了一一阶逻辑辑AlfredTarski(塔斯基)引入了一一种参考考理论,可以把逻逻辑对象象与现实实世界对对象联系系起来第1章人工工智能概概述29数学的贡贡献(3)问题1结论:形式化规规则=命题逻辑辑和一阶阶谓词逻逻辑问题2：什么可可以计算算？可以被计计算,就是要找找到一个个算法算法本身身的研究究可回溯溯至9世纪波斯斯数学家家al-Khowarazmi19世纪晚期期,把一般的的数学推推理形式式化为逻逻辑演绎绎的努力力已经展展开第1章人工工智能概概述30数学的贡贡献(4)1900年,DavidHilbert((希尔伯特特,1862~~1943)提出了包包括23个问题的的清单,其中最后后一个问问题是:是否存在在一个算算法可以以判定涉涉及自然然数的逻逻辑命题题的真实实性,即可判定定性问题题/他所要问问的是:有效证明明过程的的能力是是否有基基础的局局限性这一问题题被KurtGöödel(哥德尔,1906~~1978)在1931年证实：：确实存存在真实实的局限限第1章人工工智能概概述31数学的贡贡献(5)1930年,哥德尔提提出:存在一个个有效过过程可以以证明罗罗素和弗弗雷格的的一阶逻逻辑中的的任何真真值语句句,但是一阶阶逻辑不不能捕捉捉到刻画画自然数数所需要要的数学学归纳法法原则1931年,哥德尔证证明了他他的不完完备性定定理:在任何表表达能力力足以描描述自然然数的语语言(如某种逻逻辑)中,在不能通通过任何何算法建建立它们们的真值值的意义义上,存在不可可判定的的真值语语句不完备性性定理还还可以表表述为:整数的某某些函数数无法用用算法表表示,即不可计计算的第1章人工工智能概概述32数学的贡贡献(6)由此激发发了AllenTuring((图灵,1912~~1954)的热情,他试图精精确地刻刻画哪些些函数是是能够被被计算的的/实际上计计算或者者有效过过程的概概念是无无法给出出形式化化定义的的/但是Church--Turing论题指出出:图灵机可可以计算算任何可可计算的的函数/该结论作作为一个个充分的的定义而而被接受受图灵说明明了一些些函数没没有对应应的图灵灵机/没有通用用的图灵灵机可以以判定一一个给定定的程序序对于给给定的输输入能否否返回答答案或者者永远运运行下去去第1章人工工智能概概述33数学的贡贡献(7)在不可计计算性以以外,不可操作作性具有更重重要的影影响/如果解决决一个问问题需要要的计算算时间随随着实例例规模成成指数级级增长,则该问题题被称为为不可操操作的（（计算复复杂性问问题）多项式级级和指数数级增长长的区别别在20世纪60年代得到到重视如何认识识不可操操作问题题?以StevenCook(1971)和RichardCarp为代表的的NP-完全理论论的研究究提供了了一种方方法第1章人工工智能概概述34数学的贡贡献(8)Cook和Carp证明有大大量各种种类别的的规范的的组合搜搜索和推推理问题题属于NP-完全问题题任何NP-完全问题题类可归约成成的问题题类很可可能是不不可操作作的(目前尚未未证明,但大家猜猜测是如如此)AI研究帮助助解释了了为什么么NP-完全问题题的一些些实例很很难,而另外一一些较容容易问题2结论:有了可计计算性和和算法复复杂性理理论的指指导第1章人工工智能概概述35数学的贡贡献(9)数学对AI的第三个个贡献是是概率理理论PierreFermat,Pascal,,JamesBernoulli,PierreLaplace等都推进进了概率率理论的的发展及及引入了了新的统统计方法法论ThomasBayes(贝叶斯,1749~~1827)提出了根根据证据据更新概概率的法法则(贝叶斯公公式/条件概率率公式)由此衍生生出的贝贝叶斯分分析形成成了AI系统中不不确定推推理方法法的基础础问题3结论:使用贝叶叶斯理论论进行不不确定推推理第1章人工工智能概概述36经济学的的贡献(1)经济学(1776~现在)贡献的思思想:如何决策策以获得得最大收收益?在他人不不合作的的情况下下如何做做到这点点?在收益遥遥遥无期期的情况况下如何何做到这这点?问题1:效用理论论问题2:决策理论论问题3:运筹学上述研究究工作对对于建造造理性智智能体很很有贡献献,其原因之之一是制制定理性性决策的的复杂性性第1章人工工智能概概述37经济学的的贡献(2)HerbertSimon(西蒙,1916~~2001)是AI研究的先先驱者/他于1978年获得诺诺贝尔经经济学奖奖,是因为他他早年的的工作:基于满意意度的模模型—制定“足足够好””的决策策,而不是艰艰苦计算算获得最最优化决决策—能更好地地描述真真实人类类行为关于在智智能体系系统中使使用决策策理论技技术的研研究兴趣趣正在复复苏第1章人工工智能概概述38神经科学学的贡献献(1)神经科学学(1861~现在)的贡献:大脑是如如何处理理信息的的?神经科学学是研究究神经系系统特别别是大脑脑的科学学虽然几千千年来人人类一直直赞同大大脑以某某种方式式与思维维相联系系(因为证据据表明头头部受重重击会导导致精神神缺陷),但是直到到18世纪中期期人类才才广泛地地承认大大脑是意意识的居居所第1章人工工智能概概述39神经科学学的贡献献(2)PaulProca(布鲁卡)通过研究究大脑损损伤病人人的失语语症,阐明了语语言产生生定位于于大脑左左半球的的一部分分,现在称为为布鲁卡卡区1873年CamilloGolgi开发出一一项染色色体技术术,允许人们们观察大大脑的各各个神经经元1929年HansBerger发明脑电电图记录录仪1990年核磁共共振成像像为神经经科学家家提供了了关于大大脑活动动的细致致图像,使得以某某种方式式与正在在进行的的认知过过程相符符合的测测量成为为可能第1章人工工智能概概述40神经科学学的贡献献(3)真正令人人震惊的的结论是是:简单细胞胞的集合合能够导导致思维维、行动动和意识识，换句句话说，，大脑产产生意识识(西尔勒,1992))计算机和和大脑如如何相比比?大脑活动动过程对对计算机机工作过过程有所所启发第1章人工工智能概概述41计算机与与大脑的的比较尽管计算算机在原原始的转转换速度度上快100万倍,大脑最终终在做事事上比计计算机快快10万倍第1章人工工智能概概述计算机人脑计算单元数存储单元数运算周期时间带宽记忆更新次数/秒1个CPU/108逻辑门1010比特RAM1011比特磁盘10-9秒1010比特/秒1091011个神经元1011个神经元1014个突触10-3秒1014比特/秒101442心理学的贡献(1)心理学(1879~现在)的贡献:人类和动动物如何何思考和和行动?心理学家家的工作作科学的心心理学源源自德国国物理学学家HermanvonHelmholtz(霍尔姆霍霍兹,1821~~1894)和其学生生WilhelmWundt的研究工工作,1879年莱比锡锡大学开开设了第第一个实实验心理理学的实实验室,进行仔细细控制的的实验第1章人工工智能概概述43心理学的贡献(2)JohnWatson领导的行行为主义义运动认认为:内省不能能提供可可靠的证证据,拒绝任何何涉及精精神过程程的理论论,只研究动动物的感感知及其其反应行为主义义在1920~1960年期间一一直控制制着心理理学认知心理理学的主要特特征是:把大脑当当作信息息处理装装置,可以回溯溯至WilliamJames的研究工工作FredericBartlett领导的剑剑桥大学学应用心心理学小小组使得得认知模模型得以以繁荣第1章人工工智能概概述44心理学的贡献(3)在美国,计算机科科学的发发展导致致了认知知科学的的创建,始于1956年9月MIT的一个研研讨会(就在AI创始的那那次学术术会议2个月之后后),会上有三三篇著名名论文GeorgeMiller介绍了魔魔法数字字7(TheMagicNumberSeven))/NoamChomsky(乔姆斯基基)介绍了语语言的三三种模型型(ThreeModelsofLanguage)//AllenNewell(纽厄尔)和HerbertSimon介绍了逻逻辑理论论机(TheLogicTheoryMachine)第1章人工工智能概概述45心理学的贡献(4)这三篇论论文分别别显示了了计算机机模型可可以用来来表达记记忆、语语言和逻逻辑思维维的心理理状态心理学家家普遍认认为：““认知理理论就应应该像计计算机程程序”(Anderson,,1980)),即认知理理论应该该描述详详细的信信息处理理机制,由此可能能实现某某种认知知功能结论:人类思考考和活动动应该是是一个信信息处理理过程第1章人工工智能概概述46计算机工工程的贡贡献(1)计算机工工程(1940~现在)的贡献:如何才能能制造出出能干的的计算机机?计算机被被视为智智能和人人工制品品的结合合最早的可可计算的的装置应应该从17世纪算起起19世纪中叶叶,CharlesBabbage(巴贝奇,1792~~1871)设计了两两台机器器,名为“差差分机””和“分分析机””,前者最终终于1991年建造出出来并在在伦敦展展出第1章人工工智能概概述47计算机工工程的贡贡献(2)最早的现现代计算算机几乎乎同时在在二战期期间分别别在英国国、德国国和美国国发明出出来1945年在宾夕夕法尼亚亚大学(UPenn)开发出来来的ENIAC被公认为为现代计计算机最最有影响响的先驱驱,研制者包包括JohnMauchly和JohnEckert计算机硬硬件按照照摩尔定定律每18个月性能能翻一番番,这样的增增长速度度还可以以持续稳稳定10年至20年,以后就不不得不寻寻求新技技术了第1章人工工智能概概述48计算机工工程的贡贡献(3)计算机软软件技术术为AI提供了操操作系统统、程序序设计语语言、工工具软件件等AI反过来也也对主流流计算机机科学产产生了影影响：分分时技术术、交互互式编译译器、窗窗口和鼠鼠标的个个人机、、快速开开发环境境、链接接表数据据类型、、自动存存储管理理、面向向对象的的编程等等第1章人工工智能概概述49控制论的的贡献(1)控制论(1948~现在)的贡献:人工制品品怎样才才能在自自己的控控制下运运转?现代控制制论控制论的的创始人人NorbertWiener(维纳,1894~~1964))的畅销书书《Cybernetics》》(控制论)唤醒了人人们对人人工制造造智能机机器的可可能性的的热情现代控制制论,特别是随随机优化化控制的的分支,把设计出出能随时时间变化化使目标标函数最最大化的的系统作作为其目目的,也粗略符符合对AI的观点第1章人工工智能概概述50控制论的的贡献(2)AI和控制论论为什么么是两个个不同领领域?控制论的的数学工工具是微微积分和和矩阵代代数,适合于用用固定的的连续变变量集合合描述的的系统,精确分析析在典型型情况下下只对线线性系统统可行AI自20世纪50年代建立立以来,部分起因因是寻求求摆脱控控制论数数学方法法的局限限性逻辑推理理和计算算工具使使得AI研究者考考虑语言言/视觉/规划等问问题,完全脱离离了控制制论的范范围第1章人工工智能概概述51语言学的的贡献(1)语言学(1957~现在)贡献的思思想:语言和思思维是怎怎样联系系起来的的?乔姆斯基基最先作作出了贡贡献1957年《句法结构构》出版,颠覆了行行为主义义,认为该理理论不能能解释儿儿童怎么么能理解解和构造造他们以以前没有有听到的的句子,而乔姆斯斯基关于于语法模模型的理理论则能能够解释释这个现现象,并且足够够形式化化/乔姆斯基基理论的的影响一一直持续续到20世纪80年代末第1章人工工智能概概述52语言学的的贡献(2)计算语言言学或者者自然语语言处理理与AI差不多同同时诞生生,一直在发发展,但是距离离彻底理理解语言言和思维维的关系系尚很远远研究语言言的理解解过程是是人类智智能研究究的核心心之一第1章人工工智能概概述53各学科的的贡献哲学—逻辑/推理方法法/智能作为为一种物物理系统统/理性的基基础数学—形式表示示与证明明/算法/可计算性性/可操作性性/概率性心理学—自适应性性/感知和控控制的现现象语言学—知识表示示/语法神经科学学—智能活动动的物理理基础(substrate)控制理论论—自我平衡衡系统/稳定性/优化设计计计算机工工程—计算机硬硬件和软软件系统统经济学—复杂系统统中的决决策/验证环境境第1章人工工智能概概述54推动AI发展的动动力上述学科科对于各各种问题题的探索索,由此激发发的认识识、思想想、成就就都成为为推动AI发展的动动力由此而发发展出来来的技术术就构成成了AI的学科研研究内容容人工智能能=人造物(计算机)+智能(特殊化程程序)从智能体体角度,有2类智能体体:人类/计算机作为人造造智能体体,人们期待待计算机机智能体体在解决决某些问问题方面面要达到到专家水水平,尽管从整整体上它它远远不不及一个个普通人人第1章人工工智能概概述551.3人工智能能简史7个历史时时期：孕育期/诞生/早期的成成功与期期望困难期/基于知识识系统的的崛起AI成为工业业/AI成为科学学第1章人工工智能概概述56人工智能能发展的的7个时期按照Russell的观点,AI近五十年年的发展展历史可可以分为为以下7个时期:AI孕育期(1943~1955)AI的诞生(1956)早期的热热情,巨大的期期望(1952~1969)现实的困困难(1966~1973)基于知识识的系统统:力量的钥钥匙?(1969~1979))AI成为工业业(1980~现在)AI成为科学学(1987~现在)/神经网络络的回归归(1986~现在)/智能化智智能体出出现(1995~现在)第1章人工工智能概概述57人工智能能孕育期期(1943~1955)神经网络络最早的AI工作是1943年WarrenMcCulloch和WalterPitts人工神经经元模型型的研究究,他们证明明任何可可计算的的函数都都可以通通过某种种由神经经元连接接成的网网络进行行计算,还提出适适当的网网络能够够学习1951年,普林斯顿顿大学数数学系研研究生MarvinMinsky(明斯基)和DeanEdmonds建造了第第一台神神经元网网络计算算机第1章人工工智能概概述58图灵的论论文图灵1950年的论文文第一个个清晰地地描绘出出AI的完整图图像(ComputingMachineryandIntelligence)提出了图图灵测试试、机器器学习、、遗传算算法、增增量学习习第1章人工工智能概概述59人工智能能的诞生生(1956)((1)1956年夏天,AI正式诞生生于达特特茅斯大大学JohnMcCarthy(麦卡锡)自普林斯斯顿大学学毕业以以后去了了达特茅茅斯大学学,他说服了了另外2个人帮助助召开了了为期2个月的研研讨会会议组织织者4人:麦卡锡、、Minsky(明斯基)、ClaudeShannon(香侬)、IBM的NathanielRochester(罗切斯特特),参加者共共10人其他6位是：普普林斯顿顿大学TrenchardMore、IBM的ArthurSamuel(塞缪尔)、MIT的RaySolomonoff和OliverSelfridge、CMU的纽厄尔尔和西蒙蒙第1章人工工智能概概述60人工智能能的诞生生(1956)((2)会上,纽厄尔和和西蒙最最为活跃跃,介绍了他他们的推推理程序序:逻辑理论论家尽管这次次会议没没有新突突破,但聚集了了AI的主要人人物特别别是AI领域的4位著名专专家,他们后来来所在的的大学也也成为了了美国AI研究的3大基地:MIT——明斯基Stanford—麦卡锡(先在MIT后去了Stanford)CMU——纽厄尔和和西蒙此外,还有IBM第1章人工工智能概概述61人工智能能的诞生生(1956)[[3]这次会议议最为长长久的贡贡献就是是麦卡锡锡为该领领域起的的名字:人工智能能为什么AI有必要成成为一个个新领域域?目标不同同：AI从一开始始就承载载着复制制人的才才能如创创造性、、自我修修养、语语言功能能等思想想，没有有任何一一个其他他领域涉涉及这些些问题方法论不不同：是是唯一一一个明确确属于计计算机科科学的分分支，因因而不是是数学或或者控制制论或其其他学科科的分支支AI是唯一这这样的领领域：它它试图建建造在复复杂和变变化的环环境中自自动发挥挥功能的的机器第1章人工工智能概概述62早期的热热情,巨大的期期望(1952~1969)(1)当时，主主流的思思想是““一台机机器永远远不能做做X”(而不是考考虑“看看看计算算机能不不能做X？”)AI研究者们们就演示示一个接接一个的的XCMU::纽厄尔和和西蒙完完成通用用问题求求解器(GPS),该系统及及其后续续程序的的成功导导致了他他们提出出著名的的物理符号号系统假设第1章人工工智能概概述63早期的热热情,巨大的期期望(1952~1969)(2)IBM::1959——HerbertGelernter建造了几几何定理理证明机机;1952年起,塞缪尔写写了一系系列西洋洋跳棋程程序,通过学习习可达业业余高手手的级别别MIT::1958年麦卡锡锡到了以以后作出出了三项项重要贡贡献/贡献1:定义了LISP语言/贡献2:与MIT其他人发发明了分分时技术术/贡献3:发表了题题为《ProgramwithCommonSense》的论文,文中描述述了“建建议采纳纳者”程序.该程序实实现了知知识表示示和推理理的中心心原则:具备明确确的知识识表示,并能通过过演绎过过程处理理这些表表示第1章人工工智能概概述64早期的热热情,巨大的期期望(1952~1969)(3)Stanford:1963年麦卡锡锡启动了了斯坦福福的AI实验室,着重研究究逻辑推推理的通通用方法法(后来如Robinson发现归结结方法)/以及机器器人研究究MIT::1958年明斯基基也到了了,不过他对对程序如如何实现现更感兴兴趣,并最终发发展出反反逻辑的的观点/指导了一一系列学学生,选择那些些显然需需要智能能才能解解决的受受限问题题/贡献:微世界模型MIT::最著名的的微世界界是积木木世界,在此基础础上完成成了许多多研究工工作如:视觉项目目、自然然语言理理解项目目(TerryWinograd)、规划器器等第1章人工工智能概概述65现实的困困难(1966~1973)(1)早期AI研究者过过于盲目目的乐观观态度,10年预见,而实际上上至少40年早期的AI系统在试试图解决决更宽范范围和更更难的问问题时,都悲惨地地失败了了/原因何在在?第一类困困难:缺少主题题知识(通用而非非专门化化)典型例子子:机器翻译译(MT))/最早对AI研究的发发难始于于机器翻翻译(1966ALPAC报告)时至今日日,MT研究仍然然不完善善但是被被广泛期期待，也也在作为为一种辅辅助文档档处理工工具第1章人工工智能概概述66现实的困困难(1966~1973)(2)第二类困困难：AI试图解决决的很多多问题是是不可操操作的(NP类)在计算复复杂性理理论建立立之前,对“问题题放大””(从玩具到到现实)的认识局局限于速速度和存存储容量量例子:包含超过过几十条条事实的的定理证证明/早期遗传传算法实实验(1958~59)无限计算算能力的的幻觉:程序原则则上能够够找到解解并不意意味着程程序实际际上包含含找到解解的机制制1973年英国政政府在Lighthill报告之后后终止了了除2所大学以以外所有有的AI研究资助助第1章人工工智能概概述67现实的困困难(1966~1973)(3)第三类困困难：用用于产生生智能行行为的基基本结构构存在某某些限制制例子：1969年Minsky和Papert证明了感感知器—简单的神神经网络络所能表表示的东东西很少少(单层感知知器对XOR函数)神经网络络研究由由此沉寂寂了20年,直到80年代后期期多层网网络的反反向传播播算法出出现引起起了神经经网络的的复兴这一算法法首次发发现恰恰恰是在1969年发现的的(Bryson&Ho))第1章人工工智能概概述68基于知识识的系统统:力量的钥钥匙?(1969~1979)(1)早期研究究中的通通用搜索索机制称称为弱方法,通用但不不能扩展展到大规规模问题题或困难难问题需要更强强有力的的、领域域相关的的知识DENDRAL是第一个个成功的的知识密密集型系系统,1969年在Stanford开发,参与者包包括EdFeigenbaum等，根据据质谱仪仪信息推推断分子子结构/该系统改改进后,把知识和和推理部部分清楚楚地划分分开—80年代专家家系统的的典型结结构第1章人工工智能概概述69基于知识识的系统统:力量的钥钥匙?(1969~1979)(2)由DENDRAL系统开始始的专家系统统方法论又又应用到到其他需需要人类类专家知知识的领领域:MYCIN—检测血液液感染的的专家系系统MYCIN知识库的的特点:直接来自自经验/反映出知知识的不不确定性性自然语言言理解领领域的专专家系统统:耶鲁大学学RogerSchank和其学生生们开发发的一系系列程序序(1977~1983)第1章人工工智能概概述70AI成为工业业(1980~现在)(1))1982年,第一个成成功的商商用专家家系统R1在DEC公司开始始运转,到1986年为止每每年为公公司节省省4千万美元元美国主要要公司都都曾开发发或使用用专家系系统AI工业在1980年只是几几百万美美元,1988年涨到数数十亿美美元但很快又又进入了了“AI的冬天””时期第1章人工工智能概概述71AI成为工业业(1980~现在)(2))在八十年年代的AI研究热潮潮中,1981年日本提提出五代代机计划划,目的是建建造运行行Prolog程序的智智能机美国则对对应成立立了MCC研究集团团其中的AI部分从未未实现其其野心勃勃勃的目目标实际上，，“AI成为工业业”目前前在一些些家电中中可以找找到影子子(智能洗衣衣机等)第1章人工工智能概概述72神经网络络的回归归(1986~现在)神经网络络:FrankRosenblatt1962年提出感感知器,证明了感感知器收收敛定理理/但1969年以后沉沉寂反向传播播算法引引起了神神经网络络研究的的复兴Rumelhart和McClelland的文集引引起反响响连接主义义方法崛起起，被认认为是Newell和Simon提出的符符号模型型和McCarthy主张的逻逻辑方法法的直接接竞争者者当前的观观点是：：连接主主义和符符号主义义方法是是互补的的第1章人工工智能概概述73AI成为科学学(1987~现在)(1))近年来，，AI研究在内内容和方方法论方方面的特特点：在已有的的理论基基础上进进行研究究而不是是提出崭崭新理论论理论建立立在严格格定理或或者确凿凿实验证证据基础础上而不不是靠直直觉显示与现现实世界界应用的的相关性性而不是是与玩具具样例的的相关性性第1章人工工智能概概述74AI成为科学学(1987~现在)(2))从对控制制论和统统计学的的某种叛叛逆到开开始接受受这些领领域的理理论和方方法通过互连连网进行行测试数数据和程程序代码码的共享享典型：语语音识别别中HMM模型应用用/贝叶斯网网络第1章人工工智能概概述75智能化智智能体出出现(1995~现在)重新审视视“完整整智能体体”：：SOAR系统上的的工作(1987~1990)环境约束束:目标是理理解嵌入入真实环环境的智智能体的的工作/目前最重重要的智智能化智智能体环环境是Internet,AI技术成为为重要的的Internet工具为什么要要采纳智智能体观观点?AI目前分离离的子领领域需要要重新组组织起来来,至少当它它们的结结果需要要联系在在一起的的时候AI与其他涉涉及智能能体的领领域的联联系被拉拉近了(如控制论论和经济济学)第1章人工工智能概概述76弱人工智智能和强强人工智智能弱人工智智能(WeakAI)的断言:“机器能够够智能地地行动”强人工智智能(StrongAI)的断言:“能够如此此行事的的机器确确实是在在思考””大多数AI研究者认认为弱人人工智能能假设是是当然的的/本质上,AI寻求的是是在给定定的体系系结构之之上最好好的智能能体程序序/对于弱人人工智能能的假设设,AI的成就可可以证明明关于强人人工智能能，更多多的是哲哲学上的的争论第1章人工工智能概概述77AI成就vs异议(1)图灵曾考考察过对对智能机机器的质质疑质疑1:能力缺陷陷实践证明明:计算机能能够和人人一样做做很多工工作,有些做得得甚至更更好例子:下棋/装配线零零件检查查/驾驶汽车车/诊断疾病病质疑2:数学异议议—机器是受受到不完完备性定定理限制制的形式式系统,而人类则则没有这这样的局局限性第1章人工工智能概概述78AI成就vs异议(2)我们同意意计算机机在其所所能证明明的事物物上具有有局限性性,但也没有有证据表表明人类类对于这这些局限限是免疫疫的—因为人类类的严谨谨证明本本身要包包含一个个对所宣宣称不可可形式化化的人类类天赋的的形式化化表示/我们不可可能证明明人类不不服从哥哥德尔不不完备性性定理,最终不得得不求助助于直觉觉质疑3:限制问题题—“无法用一一个逻辑辑规则集集合捕捉捉每件事事物”实践证明明:AI一直在发发展,被质疑的的“老式式AI”已经发生生了改变变,他们所关关注的许许多问题题已经得得到解决决第1章人工工智能概概述791.4智能体与与环境智能体的的组成理性智能能体任务环境境与例子子任务环境境的属性性第1章人工工智能概概述80智能体与与环境智能体：：通过传传感器感感知所处处环境并并通过执执行器对对该环境境产生作作用的计计算机程程序及其其控制的的硬件感知信息息：表示示任意给给定时刻刻智能体体的感知知输入/感知序列列：该智智能体所所收到的的所有输输入数据据的完整整历史智能体函函数：把把任意给给定感知知序列映映射到智智能体行行动的描描述/智能体程程序：抽抽象的智智能体函函数的一一个具体体实现，，该程序序在智能能体自身身结构上上运行第1章人工工智能概概述81理性智能能体(1)理性智能能体(RationalAgent)):做事正确确的智能能体性能度量量:智能体成成功程度度标准的的具体化化作为一般般规则,最好根据据在这个个环境中中希望得得到的实实际结果果来设计计性能度度量,而不是根根据智能能体应该该表现的的行为判断什么么是理性性:性能度量量关于环境境的先验验知识可以执行行的行动动到那时为为止的感感知序列列第1章人工工智能概概述82理性智能能体(2)理性智能能体:对于每个个可能的的感知序序列,根据已知知感知序序列提供供的证据据和智能能体内建建的先验验知识,理性智能能体应该该选择期期望能使使其性能能度量最最大化的的行动理性是使使期望性性能最大大化完美是实实际性能能最大化化理性智能能体也可可以称作作智能化化智能体体(IntelligentAgent))第1章人工工智能概概述83任务环境境(1)建造理性性智能体体的综合合考虑:任务环境境PEAS(Performance,Environment,,Actuators,Sensors)性能/环境/执行器/传感器例子第1章人工工智能概概述智能体种类性能度量环境执行器传感器出租车司机安全,快速,守法,舒适的旅途,利润最大化道路,其他车辆,行人,旅客方向盘,加速器,刹车,信号灯,喇叭,(显示器)引擎传感器,速度计,加速计,里程计,GPS,(声波传感器,摄像头,键盘)84任务环境境(2)第1章人工工智能概概述智能体类型性能度量环境执行器传感器医学诊断系统恢复健康的病人,费用最小化,最少诉讼病人,医院,职员显示:问题,测试,诊断,治疗,咨询键盘输入,症状,检查结果,病人回答挑拣零件的机器人放进正确箱子的零件的百分比载有零件的传送带,箱子有关节的胳膊和手摄像头,关节角度传感器交互式英语教师最大化学生的测试成绩学生集合,测验机构显示(语音合成):练习,建议,纠正键盘输入(语音识别)85任务环境境的属性性(1)任务环境境的属性性:完全可观观察的vs部分可观观察的:获取环境境的完整整状态,一般难以以做到确定性的的vs随机的:出租车驾驾驶环境境是随机机的片段式的的vs延续式的的:挑拣零件件机器人人的决策策只需建建立在当当前零件件基础上上,而下棋,驾驶,句法分析析都是延延续式的的第1章人工工智能概概述86任务环境境的属性性(2)静态的vs动态的:出租车驾驾驶是动动态的,填字谜游游戏则是是静态的的离散的vs连续的:下棋是离离散的,驾驶汽车车是连续续的单智能体体vs多智能体体:驾驶汽车车和下棋棋都是多多智能体体环境根据传感感器的感感知，对对环境的的综合考考虑，通通过执行行器的工工作，实实现好的的性能量量度第1章人工工智能概概述87任务环境境的属性性(3)第1章人工工智能概概述任务环境可观察性确定性片段性静态性离散性智能体数出租车驾驶部分随机的延续式的动态的连续的多医学诊断系统部分随机的延续式的动态的连续的单选零件的机器人部分随机的片段式的动态的连续的单交互式英语教师部分随机的延续式的动态的离散的多纵横字谜游戏完全确定的延续式的静态的离散的单881.5智能体结结构4种类型的的智能体体程序简单反射射型智能能体基于模型型的反射射智能体体基于目标标的智能能体/基于效用用的智能能体学习智能能体第1章人工工智能概概述89智能体结结构AI的任务是是设计智智能体程程序智能体程程序要在在某个具具备实际际传感器器和执行行器的计计算装置置上运行行,该装置称称为体系系结构智能体=体系结构构+程序通常,智能体程程序具有有这样的的框架:从传感器器得到当当前感知知信息作作为输入入,返回一个个行动交交给执行行器第1章人工工智能概概述90智能体类类型有4种类型的的智能体体程序(或部分程程序)简单反射射型智能能体基于模型型的反射射型智能能体基于目标标的智能能体基于效用用的智能能体此外，学学习程序序也是一一种智能能体第1章人工工智能概概述91简单反射射型智能能体第1章人工工智能概概述智能体传感器现在世界是什么样的环境现在我应该采取什么行动执行器条件--行动规律f:P→Af:IF-THEN92基于模型型的反射射型智能能体第1章人工工智能概概述传感器现在世界是什么样的现在我应该采取什么行动执行器状态世界如何演变我的行动做了什么条件--行动规则智能体环境f:P+M→→Af:IF+-THEN93基于目标标的智能能体第1章人工工智能概概述环境传感器现在世界是什么样的如果我采用了行动A世界将会是什么样的现在我应该采取什么行动执行器状态我的行动做了什么世界如何演变目标智能体f:P+M++Try→Af:Target-Try94基于效用用的智能能体第1章人工工智能概概述环境传感器现在世界是什么样的如果我采用了行动A世界将会是什么样的现在我应该采取什么行动处于这样的状态我将有多快乐状态世界如何演变我的行动做了什么效用智能体执行器f:P+M++Try+Utility→→Af:Utility95什么是效效用？(1)最简单的的方式就就是把效效用想象象成金钱钱，越多多越好并并不是其其全部100万送给给1个身价5亿的富翁翁vs.还是1个没有分分文存款款的穷光光蛋，其其效用是是不一样样的/反过来欠欠债也是是类似的的效用—《MultiAgent引论》第6章可以考虑虑效用和和行动对对世界作作用前后后的差()之间存在在正比关关系，和和原来的的基数成成反比关关系/依据不