1、第第1 1章章 绪论绪论 我我认为并不存在无法模仿的人类认为并不存在无法模仿的人类特性。特性。艾伦麦席森图灵，英国数学家、逻辑学家，计算机科学之父，人工智能之父。1.11.1人工智能概述人工智能概述1.1.11.1.1人工人工 人工智能人工智能（Artificial IntelligenceArtificial Intelligence，AIAI）可以从字面上的）可以从字面上的人工和智能两个方面来理解人工和智能两个方面来理解。我们我们要探讨的人工智能又称为机器智能或计算机智能，它所要探讨的人工智能又称为机器智能或计算机智能，它所包含的包含的“智能智能”都是人为制造的或由机器和计算机表现出来的一
2、都是人为制造的或由机器和计算机表现出来的一种智能，以区别于自然智能，特别是人类智能。由此可见，人工种智能，以区别于自然智能，特别是人类智能。由此可见，人工智能本质上有别于自然智能，是一种由人工手段模仿的人造智能。智能本质上有别于自然智能，是一种由人工手段模仿的人造智能。1.11.1人工智能概述人工智能概述1.1.21.1.2智能智能 智能是个人从经验中学习、理性思考、记忆重要信息，以及应智能是个人从经验中学习、理性思考、记忆重要信息，以及应付日常生活需求的认知能力。付日常生活需求的认知能力。智能智能的发生与物质的本质、宇宙的起源、生命的本质一起被列的发生与物质的本质、宇宙的起源、生命的本质一起
3、被列为自然界的四大奥秘为自然界的四大奥秘。目前，对目前，对整个神经系统的内部结构和作用机制特别是脑的功能整个神经系统的内部结构和作用机制特别是脑的功能原理还没有认识清楚，有待进一步的探索。因此，很难给出智能的原理还没有认识清楚，有待进一步的探索。因此，很难给出智能的确切定义。确切定义。1.11.1人工智能概述人工智能概述1.1.31.1.3人工智能人工智能 关于关于“人工智能人工智能”的含义，早在它被正式提出之前，的含义，早在它被正式提出之前，就由英国数学家图灵（就由英国数学家图灵（A.M.TuringA.M.Turing）提出了。）提出了。19501950年他年他发表了题为发表了题为计算机与
4、智能（计算机与智能（Computing Machinery and Computing Machinery and IntelligenceIntelligence）的论文，文章以的论文，文章以“机器能思维吗？机器能思维吗？”开始，论述并提出了著名的开始，论述并提出了著名的“图灵测试图灵测试”，形象地指出，形象地指出了什么是人工智能以及机器应该达到的智能标准。了什么是人工智能以及机器应该达到的智能标准。1.11.1人工智能概述人工智能概述l 图灵测试图灵测试 让人与机器分别在两个房间里，二者之间可以通话，但让人与机器分别在两个房间里，二者之间可以通话，但彼此都看不到对方，如果通过对话，人的一方
5、不能分辨对方彼此都看不到对方，如果通过对话，人的一方不能分辨对方是人还是机器，那么就可以认为对方的那台机器达到了人类是人还是机器，那么就可以认为对方的那台机器达到了人类智能的水平。为了进行这个测试，图灵还设计了一个很有趣智能的水平。为了进行这个测试，图灵还设计了一个很有趣且智能性很强的对话内容，称为且智能性很强的对话内容，称为“图灵的梦图灵的梦”。1.11.1人工智能概述人工智能概述1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.11.2.1孕育期（孕育期（19561956年之前）年之前）早早在公元前在公元前384384公元前公元前322322年，伟大年，伟大的哲学家和思想家亚里士多德的哲学家
6、和思想家亚里士多德（AristotleAristotle）就在他的名著）就在他的名著工具论工具论中提出了形式逻辑的一些主要定律，他提中提出了形式逻辑的一些主要定律，他提出的三段论至今仍是演绎推理的基本依据。出的三段论至今仍是演绎推理的基本依据。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.11.2.1孕育期（孕育期（19561956年之前）年之前）英国英国哲学家培根（哲学家培根（F.BaconF.Bacon）曾系统）曾系统地提出了地提出了归纳法归纳法，还提出了，还提出了“知识就是力知识就是力量量”的警句。这对于的警句。这对于研究研究人类的思维过程，人类的思维过程，以及自以及自2020世纪世纪
7、7070年代人工智能转向以知识年代人工智能转向以知识为中心的研究都产生了重要影响。为中心的研究都产生了重要影响。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.11.2.1孕育期（孕育期（19561956年之前）年之前）英国英国数学家图灵（数学家图灵（A.M.TuringA.M.Turing）在）在19361936年提出了一种理想年提出了一种理想计算机的数学模型，即图灵机，为后来电子数字计算机的问世奠计算机的数学模型，即图灵机，为后来电子数字计算机的问世奠定了理论基础。定了理论基础。美国神经生理学家麦克洛奇（美国神经生理学家麦克洛奇（W.S.McCullochW.S.McCulloch）与数理
8、逻辑）与数理逻辑学家匹兹（学家匹兹（W.PittsW.Pitts）在）在19431943年建成了第一个神经网络模型（年建成了第一个神经网络模型（M-PM-P模型），开创了微观人工智能的研究领域，为后来人工神经网络模型），开创了微观人工智能的研究领域，为后来人工神经网络的研究奠定了基础。的研究奠定了基础。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.21.2.2形成期（形成期（1956196919561969年）年）19561956年夏季，由当时达特茅斯学院的年轻数学助年夏季，由当时达特茅斯学院的年轻数学助教、现任斯坦福大学教授麦卡锡联合哈佛大学毕业的教、现任斯坦福大学教授麦卡锡联合哈佛大学毕
9、业的年轻数学和神经学家、麻省理工学院教授明斯基，年轻数学和神经学家、麻省理工学院教授明斯基，IBMIBM公司信息研究中心负责人洛切斯特贝尔实验室信公司信息研究中心负责人洛切斯特贝尔实验室信息部数学研究员香农共同发起，邀请普林斯顿大学的息部数学研究员香农共同发起，邀请普林斯顿大学的莫尔、西蒙等在美国达特茅斯学院召开了一次为时两莫尔、西蒙等在美国达特茅斯学院召开了一次为时两个月的学术研讨会，讨论关于机器智能的问题。会上个月的学术研讨会，讨论关于机器智能的问题。会上经麦卡锡提议正式采用了经麦卡锡提议正式采用了“人工智能人工智能”这一术语。这一术语。人工智能之父约翰麦卡锡人工智能之父约翰麦卡锡1.21
10、.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.21.2.2形成期（形成期（1956196919561969年）年）19691969年成立的国际人工智能联合会议是人工年成立的国际人工智能联合会议是人工智能发展史上一个重要的里程碑，它标志着人工智能发展史上一个重要的里程碑，它标志着人工智能这门新兴学科已经得到了世界的肯定和认可。智能这门新兴学科已经得到了世界的肯定和认可。19701970年创刊的国际性人工智能杂志年创刊的国际性人工智能杂志“Artificial Artificial Intelligence”Intelligence”对推动人工智能的发展，促进研对推动人工智能的发展，促进研究者们的交流起
11、到了重要的作用。究者们的交流起到了重要的作用。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.31.2.3知识应用期（知识应用期（1970-19851970-1985年）年）进入进入2020世纪世纪7070年代，许多国家都开展了人工智能年代，许多国家都开展了人工智能的研究，涌现了大量的研究成果。例如，的研究，涌现了大量的研究成果。例如，19721972年法国年法国马赛大学的科麦瑞尔（马赛大学的科麦瑞尔（A.A.ComerauerComerauer）提出并实现了）提出并实现了逻辑程序设计语言逻辑程序设计语言PROLOGPROLOG；斯坦福大学的肖特利夫；斯坦福大学的肖特利夫（E.H.E.H.Sh
12、ortliffeShortliffe）等人从）等人从19721972年开始研制用于诊断年开始研制用于诊断和治疗传染性疾病的专家系统和治疗传染性疾病的专家系统MYCINMYCIN。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.41.2.4机器学习期（机器学习期（1986-20101986-2010年）年）机器学习是现阶段解决很多人工智能问题的主流方机器学习是现阶段解决很多人工智能问题的主流方法，作为一个独立的方向，正处于高速发展之中。从上法，作为一个独立的方向，正处于高速发展之中。从上个世纪个世纪8080年代机器学习成为一个独立的方向开始到现在年代机器学习成为一个独立的方向开始到现在诞生出了大
13、量经典的方法，将这些方法分为监督学习，诞生出了大量经典的方法，将这些方法分为监督学习，无监督学习，强化学习等。无监督学习，强化学习等。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.41.2.4机器学习期（机器学习期（1986-20101986-2010年）年）在在19951995年诞生了两种经典的算法年诞生了两种经典的算法-SVM-SVM和和AdaBoostAdaBoost，此后它，此后它们纵横江湖数十载，神经网络则黯然失色。们纵横江湖数十载，神经网络则黯然失色。SVMSVM代表了核技术的代表了核技术的胜利，这是一种思想，通过隐式的将输入向量映射到高维空间胜利，这是一种思想，通过隐式的将输入
14、向量映射到高维空间中，使得原本非线性的问题能得到很好的处理。而中，使得原本非线性的问题能得到很好的处理。而AdaBoostAdaBoost则则代表了集成学习算法的胜利，通过将一些简单的弱分类器集成代表了集成学习算法的胜利，通过将一些简单的弱分类器集成起来使用，居然能够达到惊人的精度。起来使用，居然能够达到惊人的精度。1.21.2人工智能的发展人工智能的发展1.2.51.2.5深度学习期（深度学习期（20112011年至今）年至今）随着随着大数据、云计算、物联网等信息技术的发大数据、云计算、物联网等信息技术的发展，以及深度学习的提出，人工智能在算法、算力展，以及深度学习的提出，人工智能在算法、算
15、力和算料（数据）和算料（数据）“三算三算”方面取得了重要突破，直方面取得了重要突破，直接支撑了图像分类、语音识别、知识问答、人机对接支撑了图像分类、语音识别、知识问答、人机对弈、无人驾驶等人工智能的复杂应用，人工智能进弈、无人驾驶等人工智能的复杂应用，人工智能进入以深度学习为代表的大数据驱动人工智能发展期。入以深度学习为代表的大数据驱动人工智能发展期。1.31.3人工智能研究的流派人工智能研究的流派l 符号主义符号主义 符号主义（符号主义（SymbolismSymbolism），又称逻辑主义、心理学派或计算机学派，），又称逻辑主义、心理学派或计算机学派，是通过分析人类智能的功能，然后通过计算机
16、来实现这些功能是通过分析人类智能的功能，然后通过计算机来实现这些功能。符号符号主义有两个基本假设主义有两个基本假设：（1 1）信息可以用符号来表示）信息可以用符号来表示；（2 2）符号可以通过显式的规则（比如逻辑运算）来操作）符号可以通过显式的规则（比如逻辑运算）来操作。人类人类的认知过程可以看作是符号操作过程。在人工智能的推理期和的认知过程可以看作是符号操作过程。在人工智能的推理期和知识期，符号主义的方法比较盛行，并取得了大量的成果。知识期，符号主义的方法比较盛行，并取得了大量的成果。1.31.3人工智能研究的流派人工智能研究的流派l 连接主义连接主义 连接主义（连接主义（Connectio
17、nismConnectionism），又称仿生学派或生理学派，是认知科学领域），又称仿生学派或生理学派，是认知科学领域中的一类信息处理的方法和理论。在认知科学领域，人类的认知过程可以看作是中的一类信息处理的方法和理论。在认知科学领域，人类的认知过程可以看作是一种信息处理过程一种信息处理过程。连接连接主义认为人类的认知过程是由大量简单神经元构成的神经网络中的信息主义认为人类的认知过程是由大量简单神经元构成的神经网络中的信息处理过程，而不是符号运算处理过程，而不是符号运算。因此因此，连接主义模型的主要结构是由大量的简单的信息处理单元组成的互联，连接主义模型的主要结构是由大量的简单的信息处理单元组成
18、的互联网络，具有非线性、分布式、并行化、局部性计算以及适应性等特性。网络，具有非线性、分布式、并行化、局部性计算以及适应性等特性。1.31.3人工智能研究的流派人工智能研究的流派l 行为主义行为主义 行为主义行为主义（ActionismActionism），又称进化主义），又称进化主义（EvolutionismEvolutionism）或控制论学派（）或控制论学派（CyberneticsismCyberneticsism），其），其原理为控制论及感知原理为控制论及感知-动作型控制系统。动作型控制系统。行为主义行为主义认为人工智能源于控制论。控制论思想早在认为人工智能源于控制论。控制论思想早在2
19、020世纪世纪40-5040-50年代就成为时代思潮的重要部分，影响了早年代就成为时代思潮的重要部分，影响了早期的人工智能工作者。期的人工智能工作者。1.41.4人工智能的研究目标和内容人工智能的研究目标和内容1.4.11.4.1人工智能的研究目标人工智能的研究目标 人工智能人工智能的近期研究目标在于的近期研究目标在于“研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，并开发相关理论和技术。并开发相关理论和技术。”而且这些智力功能而且这些智力功能“涉及学习、感知、思考、理解、识涉及学习、感知、思考、理解、识别、判断、推理、证明、通信、设计、规划、行动和问题求解
20、等活动别、判断、推理、证明、通信、设计、规划、行动和问题求解等活动”。下面进一。下面进一步探讨人工智能的研究目标问题。人工智能的一般研究目标为：步探讨人工智能的研究目标问题。人工智能的一般研究目标为：（1 1）更好地理解人类智能，通过编写程序来模仿和检验有关人类智能的理论。）更好地理解人类智能，通过编写程序来模仿和检验有关人类智能的理论。（2 2）创造有用的灵巧程序，该序能够执行一般需要人类专家才能实现的任务。）创造有用的灵巧程序，该序能够执行一般需要人类专家才能实现的任务。1.41.4人工智能的研究目标和内容人工智能的研究目标和内容1.4.21.4.2人工智能研究的基本内容人工智能研究的基本
21、内容1.1.知识表示知识表示 目前用得较多的知识表示方法有：一阶谓词逻辑表示法、目前用得较多的知识表示方法有：一阶谓词逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、状态空间表产生式表示法、框架表示法、语义网络表示法、状态空间表示法、神经网络表示法、脚本表示法、过程表示法、示法、神经网络表示法、脚本表示法、过程表示法、PetriPetri网络表示法及面向对象表示法等。网络表示法及面向对象表示法等。1.41.4人工智能的研究目标和内容人工智能的研究目标和内容1.4.21.4.2人工智能研究的基本内容人工智能研究的基本内容2.2.机器感知机器感知 机器感知就是使机器（计算机）具有类似于人的感
22、机器感知就是使机器（计算机）具有类似于人的感知能力，其中以机器视觉（知能力，其中以机器视觉（Machine VisionMachine Vision）与机器）与机器听觉为主。机器视觉是让机器能够识别并理解文字、听觉为主。机器视觉是让机器能够识别并理解文字、图像、物景等；机器听觉是让机器能识别并理解语言、图像、物景等；机器听觉是让机器能识别并理解语言、声响等声响等。3.3.机器思维机器思维 机器思维是指对通过感知得来的外部信息及机器机器思维是指对通过感知得来的外部信息及机器内部的各种工作信息进行有目的的处理。内部的各种工作信息进行有目的的处理。1.41.4人工智能的研究目标和内容人工智能的研究目
23、标和内容1.4.21.4.2人工智能研究的基本内容人工智能研究的基本内容4.4.机器学习机器学习 机器学习（机器学习（Machine LearningMachine Learning）就是研究如何使计算机具有类似于人的）就是研究如何使计算机具有类似于人的学习能力，使它能通过学习自动地获取知识学习能力，使它能通过学习自动地获取知识。5 5.机器行为机器行为 机器行为主要是指计算机的表达能力，即机器行为主要是指计算机的表达能力，即“说说”、“写写”、“画画”等能等能力。对于智能机器人，它还应具有人的四肢功能，即能走路、能取物、能操力。对于智能机器人，它还应具有人的四肢功能，即能走路、能取物、能操作
24、等。作等。1.51.5人工智能的研究与应用领域人工智能的研究与应用领域 随着随着智能科学与技术的发展和计算机网络技术的广泛应智能科学与技术的发展和计算机网络技术的广泛应用，人工智能技术应用到越来越多的领域。用，人工智能技术应用到越来越多的领域。1.1.问题求解与博弈问题求解与博弈2.2.逻辑推理与定理证明逻辑推理与定理证明3 3.计算计算智能智能4 4.分布式人工智能分布式人工智能与与AgentAgent 1.51.5人工智能的研究与应用领域人工智能的研究与应用领域5 5.自动程序设计自动程序设计6.6.专家系统专家系统7.7.机器学习机器学习8.8.自然语言理解自然语言理解9.9.机器人学机
25、器人学10.10.模式识别模式识别1.51.5人工智能的研究与应用领域人工智能的研究与应用领域5 5.自动程序设计自动程序设计6.6.专家系统专家系统7.7.机器学习机器学习8.8.自然语言理解自然语言理解9.9.机器人学机器人学10.10.模式识别等模式识别等卡斯帕罗夫正卡斯帕罗夫正在与深蓝下棋在与深蓝下棋1.61.6小结小结 人类人类智能是自然界四大奥秘之一，很难给出确切的定义，目智能是自然界四大奥秘之一，很难给出确切的定义，目前有思维理论、知识阈值理论、进化理论等学派。简单地说，智前有思维理论、知识阈值理论、进化理论等学派。简单地说，智能是知识与智力的总和。知识是一切智能行为的基础，智力
26、是获能是知识与智力的总和。知识是一切智能行为的基础，智力是获取知识并应用知识求解问题的能力。取知识并应用知识求解问题的能力。智能具有感知能力、记忆与思维能力、学习能力、行为能力智能具有感知能力、记忆与思维能力、学习能力、行为能力等显著特征。人工智能是用人工的方法在机器（计算机）上实现等显著特征。人工智能是用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能。人工智能的发展历史，可归结为孕育期、形成期、知识的智能。人工智能的发展历史，可归结为孕育期、形成期、知识应用期、机器学习期、深度学习期五个阶段。应用期、机器学习期、深度学习期五个阶段。1.61.6小结小结 人工智能人工智能的流派非常多，但主流的方法大体
27、上可以归结为三种，即符号的流派非常多，但主流的方法大体上可以归结为三种，即符号主义、连接主义和行为主义。主义、连接主义和行为主义。人工智能人工智能的研究目标又可分为近期研究目标和远期研究目标两种的研究目标又可分为近期研究目标和远期研究目标两种。人工智能人工智能的近期研究目标是建造智能计算机以代替人类的某些的近期研究目标是建造智能计算机以代替人类的某些智力活动智力活动,使使现有的计算机更聪明和更有用，使它不仅能够进行一般的数值计算和非数现有的计算机更聪明和更有用，使它不仅能够进行一般的数值计算和非数值信息的数据处理，而且能够使用知识和计算智能，模拟人类的部分智力功值信息的数据处理，而且能够使用知识和计算智能，模拟人类的部分智力功能，解决传统方法无法处理的问题。能，解决传统方法无法处理的问题。1.61.6小结小结 人工智能人工智能的远期目标是用自动机模仿人类的思维活动的远期目标是用自动机模仿人类的思维活动和智力功能和智力功能。要。要建造能够实现人类思维活动和智力功能的建造能够实现人类思维活动和智力功能的智能系统智能系统。人工智能人工智能研究的基本内容为知识表示、机器感知、机研究的基本内容为知识表示、机器感知、机器思维、机器学习、机器行为等几个方面。器思维、机器学习、机器行为等几个方面。
