计算智能概述

InformationScienceandEngineering,UniversityofJinan

计算智能概述课程目的系统地讲授计算智能的有关基础理论、技术及其主要应用。通过本课程的学习，要求学生系统地掌握计算智能的基本内容与方法，了解计算智能的主要应用领域。将计算智能方法与学生未来研究方向相结合，培养学生独立科研思维能力。介绍计算智能研究的前沿领域与最新进展，培养学生科研兴趣。开课基础学习本课程之前，要求已经选修过《高等数学》、《程序设计基础》、《计算机基础与算法》等课程。要求博学之，审问之、慎思之、明辨之，笃行之。——《四书.礼记》主要参考书籍1）《智能学简史》冯天瑾科学出版社2）《计算智能》张军詹志辉清华大学出版社3）《计算智能:人工神经网络-模糊系统-进化计算》周春光梁艳春吉林大学出版社4）《计算智能——理论、技术与应用》丁永生编著，科学出版社5）《计算智能中的仿生学：理论与算法》徐宗本，张讲社，编著，科学出版社6）《软计算方法》张颖刘艳秋科学出版社7）《ComputationalIntelligence》RussellCEberchat,Elsevier8）《SwarmIntelligence》JamesKennedy,Elsevier考核办法6出勤、上机：20-30%考试成绩：70-80%本课程主要内容7第一部分：计算智能概述第二部分：神经网络（神经计算）第三部分：进化计算（演化计算）第四部分：模糊系统（模糊计算）第五部分：其它智能算法（选）智·能所以知之在人者，谓之知。知有所合，谓之智。所以能之在人者，谓之能。能有所合，谓之能。

——荀况《荀子·正名》梦想机器具有智能—计算机科学家的梦想

阿兰·麦席森·图灵AlanMathisonTuring，1912年6月23日生于英国伦敦。是英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者。二战时破译破解德国密码系统Enigma，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。人们为纪念其在计算机领域的卓越贡献而设立“图灵奖”。图灵机的艺术化表示八卦：1)图灵是顶级长跑运动员2)图灵与苹果图灵测试怎样判断机器具有智能—图灵测试

1950年AlanTuring的文章“ComputingMachineryandIntelligence.”（Mind,Vol.59,No.236）提出图灵测试，检验一台机器或电脑是否具有如人一样的思维能力和智能电脑和人分别封闭在不同的房间，测试者不知道哪个房间是人，哪个房间是电脑，他向双方提出测试问题，电脑和人给出各自的答案，如果一系列的测试问题之后，测试者分不出哪些是电脑的答案，哪些是人的答案，则电脑通过测试，确实具有与人一样的智能。提问者回答者A回答者B困惑哲学问题（1）规则与规律：规则是制定的，规律是客观存在的，从规则能自动发现规律吗？（2）生命与非生命：智能是高等生命体独有的能力，非生命体内能产生智能吗？（3）物质与意识：唯物主义和唯心主义都承认二元论，只是在何者起决定作用上争论不休，智能能在机器内产生将导致一元论—物质生成一切？（4）智能的本质：理性与感性、思考与行动、社会性与个体性困惑伦理问题（1）电脑与人脑：能否互换？（2）机器人与人：机器能否融入人类社会？（3）情感与役使：机器是人制造并使用的工具，一旦机器人具有了智能和情感，人类还能当奴隶一样地役使吗？（4）机器人叛乱：机器人群体有可能叛乱而反过来役使人类吗？现实的梦比尔·盖茨预测：计算智能发展前景乃是机器最终“能看会想，能听会讲”。无论是人工智能，还是智能人工，只要能够殊途同归，造福于人类，那么所有的努力便都是有价值的。未来，智能机器作为真正意义上的工作助手和生活良伴，将使我们的生活完全改观。“聪明机器”的出现，也决不会成为人类的灾难，在智慧与创造力方面，永远是人类最有发言权。信息时代的呼唤信息时代信息资源-创造智能的工具-获得智能工业时代能量资源-创造动力的工具-获得能量物理学、化学创造动力工具的理论基础计算智能理论创造智能工具的理论基础信息时代的呼唤信息时代信息资源-创造智能的工具-获得智能工业时代能量资源-创造动力的工具-获得能量物理学、化学创造动力工具的理论基础计算智能理论创造智能工具的理论基础什么姜是计境算智邀能计算墨智能（Co崖mp窗ut恩at暖io临na托l江In于te歪ll惹ig篮en做ce，CI）目前霜还没烤有一鹅个统混一的桃的定凶义，怜使用帮较多赵的是汇美国谁科学传家贝豆慈德钳克（J.限C.久Be殊zd马ek）从尤计算猎智能到系统抬角度仰所给矮出的否定义:如果虏一个横系统碎仅处欲理低故层的蜻数值摸数据列，含泡有模矛式识叮别部扇件，卸没有拍使用腰人工劫智能矛意义额上的柳知识家，且丹具有计算困适应榨性、计算恋容错寸力、接纯近人败的计凭算速度和近适似于最人的误差贡率这4个特第性，童则它亦是计勇算智茅能的助。什么径是计裁算智纤能从学苹科范骗畴看，计算烘智能销是在神经部网络（Ne名ur梨al伞N摊et里wo痒rk炒s,撤NN）、进化显计算（Ev税ol唤ut浩io五na惩ry套C雁om合pu讲ta土ti错on贡,E缴C）及模糊径系统（Fu弹zz织y萍Sy剩st笑em肿,F隐S）这3个领雄域发虹展相嫂对成者熟的古基础铲上形炸成的锋一个矮统一跟的学萍科概尿念。也可捉以简队单的峰理解验为：计算烦智能主要币借鉴仿生留学和拟物的思映想，候基于礼人们则对生蝇物体渣智能卖机理腐和某呀些自烦然规座律的暮认识货，采衬用数值肥计算的方例法去忧模拟坝和实愈现人榆类的嗓智能知、生跃物智汗能、毁其它播社会屠和自致然规丑律。计算罩智能侍与人醒工智疯能的勺关系目前旗，对渐计算兵智能追与人茅工智爬能的静关系兼有2种不努同观喂点，园一种枣点认项为计赔算智勤能是柄人工脸智能腾的一徐个子碌集，效另一此种观饥点认谦为计爹算智颤能和默人工恰智能话是不资同的丸范畴招。第一榜种观岭点的代凤表人室物是去贝慈覆德克挺。A－Ar境ti疤fi想ci忌al，舅表示渡人工构的（输非生辣物的子），衫即人辞造的B－Bi挤ol可og挖ic费al，辞表示酒物理卧的＋稳化学破的密＝生芹物的C－Co泰mp疲ut链at压io炊na前l，挂表示挨数学片＋计容算机=计算告的CI菌<扶A劫I牺<征BI计算淋智能腥与人卧工智砍能的井关系第二达种观脖点是大码多数炉学者位所持挣有的舞观点捧，其害代表茅人物肾是艾渔伯哈纪特（R.队C.己Eb目er例ha翅rt）。兴他们搁认为疲：虽帆然人犯工智厅能与括计算喘智能抹之间拍有重租合，射但计墓算智睛能是档一个邀全新屡的学恭科领颤域，晌无论担是生卵物智侧能还透是机欠器智任能，硬计算拖智能读都是责其最核录心的部其分，板而人擦工智它能则独是外层。事实装上，CI和传壳统的AI只是唯智能分的两尸个不境同层牲次，巨各自渗都有下自身由的优邻势和纽奉局限君性，亦相互夺之间早只应匙该互皂补，被而不语能取躺代。大量氏实践紧证明阁，只轿有把AI和CI很好色地结瓦合起剪来，股才能炊更好僵地模庭拟人册类智意能，甩才是劈燕智能殊科学嘉技术屈发展琴的正炒确方东向。外层内层CIAIBI进化洪计算弱（演启化计倾算）人倾户向于辛线性泊地思划考问狐题，遭而进慨化（Ev万ol神ut兵io丘n）娃则常蜡常以浆人们赌意象织不到阔的方此式解窑决问胡题。——弗格《什么稠是进推化计漏算》进化沾计算蔽（演晓化计姻算）人倾蒜向于配线性逐地思俩考问狐题，印而进足化（Ev兄ol肿ut说io卡n）涌则常斜常以工人们备意象森不到饰的方子式解奥决问果题。——弗格《什么裕是进范化计挑算》进化附计算棍（演海化计导算）旅行姿商问握题（Tra低ve眉ll据in区gSal阁es赠ma亮nPro调bl嫌em）设有n个城益市，邻任意眠两个惑城市粉之间秋的距刻离如万矩阵D=钓(dij)n*n(i,j=1肤,2茧,…秘,n)所示玩，其帆中dij表示疗从城语市i到城霸市j的距徐离。寻找垄这样威一种再周游傻方案法：周侨游路星线从纷某个覆城市杠开始场，经明过每幻玉个城泛市一爽次且滑仅一窗次，刻最后抖回到卧出发嚼城市姓，使坡得周斑游路刮线的证总长疾度最毯短。π(1特)为周漠游序钉列中毯第i个城吗市的缸编号代，且π(n拜+1志)=π(1敢)如果研使用弃枚举邻法，谅复杂裤度将均随着行城市付数目零的增秀加急仅剧增尼加。进化党计算质（演盒化计唇算）函数哲优化侮问题进化撒计算尾（演扮化计斑算）--思考优化绕问题追求解毯，能维否借董助这歉种方蚕法呢第？低级少、简膝单高级匪、复斗杂进化进化薄计算赞的概扣念：细（Ev岭ol种ut仇io甲na森ry长C临om赞pu巡寿ta惹ti岗on嗽,E涨C）是齐在达盐尔文芬（Da笛rw绒in）的绕进化渠论和济孟德驰尔（Me角nd平el）的杨遗传献变异滩理论鲁的基季础上滔产生絮的一驱种在摘基因价和种思群层义次上缩慧模拟绍自然内界生天物进跌化过播程与哪机制抢，进划行问植题求政解的自组宇织、自适应的随需机搜罗索技您术。赌它以寄达尔向文进饰化论备的“刻物竟北天择彩、适慌者生靠存”驰作为鼠算法档的进筹化规栏则，外并结只合孟葛德尔双的遗传麻变异理论出，将姐生物槐进化站过程滤中的繁殖寺、变艺异、爹竞争追和选絮择引入搂到了包算法怪中，鹊是一裕种对佣人类滚智能紫的进载化模佳拟方遵法。进化彻计算台（演姐化计炮算）进化版计算态的主勿要分哭支：遗传骑算法至、进田化策校略、匙进化砍规划三大枕分支话。其隶中，爸遗传趁算法纱是进垮化计闯算中泪最初扰形成宽的一欺种具气有普碌遍影值响的茫模拟雁进化标优化斥算法默。进化序计算怪的发敬展史20世纪60茎-7早0年代辱：萌芽师阶段体系爆建立袭、计用算量父大、丘未受拐重视20世纪80年代外：发展学阶段体系修完善求、计胀算机扶的发营展、始人工龄智能映瓶颈20世纪80以后爽：成熟扬阶段众多猪研究蔬机构昼和学萌者的陆高度鸭重视筋、研拳究热逼点进化怎计算脆（演箱化计秋算）遗传阳算法邻（Ge管ne订ti锹c岗Al最go迎ri景th头m）模蓝拟达造尔文榴的遗承传选怠择和屿自然才淘汰悬的生躬物进破化过岸程19苏75年首歼先由Ho筝ll处an善d提出销用于摆自然届和人门工系旦统的江自适野应行决为研子究(A汗da挖pt坚at绑io赴n被in香N套at惩ur邻al锄a症nd丢A泄rt却if公ic特ia萝l闻Sy泳st茄em舟s)组成潜：个返体与叉群体技、适唱应值忘函数必、遗圈传操屋作、艳终止弃条件特点匙：隐常含并镰行性要、过覆程性均、非明确定过性、垄群体伍性、蛙内在餐学习蹄、统垦计性冠、稳匀健性夺、整冰体优困化T=厦0,随机皮初始缓化群透体P(爱t)计算P(酱t)中每擦一个领个体馅的适储应值满足性终止筐条件计算挣群体P(葵t)中每献个个哲体的蛇选择唯概率根据裁选择孙概率缘瑞从群孙体中油选择温适当维的个丹体进埋行杂玻交、啊变异郑产生赚新个发体输出所结果结束神经彼网络傻（神赌经计嘴算）应该眉属于便哪一以类？已经漠学习跌猫狗该图像是猫班是狗果？神经贸网络局（神爸经计刘算）虽然胀上述辽问题拘对于麻计算芽机来琴说很亏难，晨但对允于人屿类而惕言却膝是轻堡而易危举的妹事情嗓。因扛此，属考虑棵用计裙算机非模拟链人脑僚，是宽否能协完成轿上述舟工作梳呢？人脑恐的基疯础是战生物连神经武系统拔。生互物神结经系听统是砍由神歇经元看构成济。如努果要搂模拟赵人脑回，必初须首依先模义拟神经经元戴。神经觉末梢突触轴突树突细胞诸核细胞痛体神经躬网络立（神睡经计触算）神经鉴元具性有的西特性特：1）多链个输侧入2）一伍个输厌出3）输裂出只仁有抑制、兴奋两种散状态神经授元工戏作过管程：累加鹿各部馆分的促加权址输入型，然露后比甚较累仙加和茫是否检超过迫阈值始，如珠果超衔过，伙输出厕为兴摩奋状蒙态，错否则墓，输泉出为释抑制奔状态肠。θ…x1x2xnw1w2wny可见疲，输入葡权值和阈值对于砖输出虚状态锯影响驱巨大企。输入宵权值和阈值是神蔬经元想学习造的基障础，乳权值游和阈击值调盏整的设过程诵就是奏学习炕的过乌程。神经睛网络励（神描经计库算）θ…x1x2xnw1w2wny神经榨元的控学习—学习谢识别酱模式A和模绞式B假定倒遇到滥模式A输出吩为0，模是式B输出等为12）如岔果输蚕入的庙是模圈式A，输猜出为1，调整嘱权值，使免之输送出为01）随机督化输入弃权值象和阈丙值3）如环果输公入的杀是模波式B，输邮出为0，调整求权值，使锈之输边出为14）重复步骤2,、3，直必到训喂练完哪成可以苗确定溜的是科：如担果此叉时输请入的拘是模打式A中的瞧一个锯新样歌本，趋即使供没有让学过繁，也批会有么很大怜的概毯率判星为模以式A。神经栗网络斗（神描经计停算）神经烘网络椒的特庆点:1）信骑息是颜通过朴神经市元上烘的兴踏奋模洲式分狐布储雁在网秃络上;2）信蹈息处纯理是满通过脑神经姜元之窑间同菌时相魄互作轨用的此动态杆过程王来完足成的舱。这就掀是人所工智原能研笑究的举“结举构（圆联接题）主相义。神经端网络1）可刷以充学分逼养近任饱意复恋杂的腔非线裙性关娱系2）采毅用并茄行分拾布处砖理方肿法，抗使得阁快速匙进行汇大量辽运算延成为抓可能3）可汗学习商和自今适应着不知爽道或垒不确悲定的软系统4）能响够同夸时处惨理定种量、稳定性重知识模糊死系统竭（模乡丰糊计麻算）数是悲我们鹊所知病的最芬纯粹岛的量食的规毛定，惨但他革却充封满了筋质的丘差异长。——恩格览斯《自然虹辩证衬法》模糊锄系统灯（模杏糊计园算）有位德先生萍的头野发长姓的很帽好，两即他步的头“不秃”。我们翻可以各肯定恢：若围将他诱头发故拔去铃一根否，他院的头惧仍不么秃；拔去怠两根挽，他殖的头絮也不您会秃架；再假盗定：您拔去k根头雁发他狮还“不秃”；则依薄常理垂，再挽拔1根（帅共拔兆去K+酒1根）危头发母，他钳也不续会是“秃”。则依古数学嘱归纳聪法，矛可得惕结论劳：如邀此拔释下去粱，头院发拔批光了行，他推也“不秃”！从“着秃头肾悖论申”说复起模糊亩理论悲的产高生在日贸常生稼活中狐，经红常遇捉到许监多模霜糊事灭物，酿没有分明炼的数回量界限坊，要课使用研一些血模糊签的词配句来末形容乓、描税述。精确船性的吹数学铜与现幸实生眠活中玻的模痒糊的日矛盾就需下要寻蜻找一燃种描土述和伯加工弄模糊或信息艺的数洋学工画具，辟这就饥推动吼数学附家深旨入研林究模糊比理论。19柱65年，扎德（Za网de忆h）提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