人工智能和认知物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、人工智能和认知物理学人工智能和认知物理学l lArtificial Intelligence and Cognitive Physicsl l李德毅李德毅l l l11月月25日日1第1页认知科学认知科学研究人类怎样获取知识和使用知识研究人类怎样获取知识和使用知识数据挖掘数据挖掘让机器模拟人智能从数据中发觉知识让机器模拟人智能从数据中发觉知识2第2页目录目录q 人工智能50年发展回顾q 20世纪物理学成就q 不确定性认知原子模型q 数据场和势函数q 认知场中知识发觉3第3页一、人工智能一、人工智能5050年发展回顾年发展回顾l人工智能兴起l智能判定标准l人工智能研究不一样切入点l人工智能研究目
2、标4第4页人工智能自诞生之日起就引发人们无限漂亮想象和憧憬;已经成为学科交叉发展中一盏明灯,光芒四射;但其理论起伏跌宕,也存在争议和误解。5第5页人工智能兴起人工智能兴起l l数学家和逻辑学家;数学家和逻辑学家;l l认知学家和心理学家;认知学家和心理学家;l l神经生理学家;神经生理学家;l l计算机科学家计算机科学家 1956 1956年著名年著名“达特茅斯达特茅斯(Dartmouth)(Dartmouth)会会议议”标志人工智能学科诞生,它从一开始就标志人工智能学科诞生,它从一开始就是交叉学科产物。与会者有:是交叉学科产物。与会者有:6第6页人工智能兴起人工智能兴起 达特茅斯会议上,明斯
3、基(达特茅斯会议上,明斯基(Marvin Minsky)神经网络模拟器、麦卡锡)神经网络模拟器、麦卡锡(John Mccarthy)搜索法、以及西蒙)搜索法、以及西蒙(Herbert Simon)和纽厄尔()和纽厄尔(Allen Newell)“逻辑理论家逻辑理论家”是会议是会议3个亮点。个亮点。分别讨论怎样穿过迷宫,怎样搜索推理分别讨论怎样穿过迷宫,怎样搜索推理和怎样证实数学定理。这是早期人们期和怎样证实数学定理。这是早期人们期待人工智能。待人工智能。7第7页人工智能经典著作人工智能经典著作l l由费根鲍姆主编由费根鲍姆主编Computers and Thought被认为是世界上第一本人工被
4、认为是世界上第一本人工智能经典专著,含智能经典专著,含21篇著名论文,篇著名论文,1963年出版。年出版。l l80年代出版年代出版1-4卷卷The Handbook of Artificial Intelligence是人工智能杠鼎是人工智能杠鼎之作。之作。8第8页人工智能研究出色人物人工智能研究出色人物 20 20世纪世纪4040位图灵奖取得者中有位图灵奖取得者中有6 6名人名人工智能学者,可见人工智能学科影响之工智能学者,可见人工智能学科影响之深远。深远。1969196919691969年:马文年:马文年:马文年:马文明斯基明斯基明斯基明斯基 1971 1971 1971 1971年:约
5、翰年:约翰年:约翰年:约翰麦卡锡麦卡锡麦卡锡麦卡锡 1975 1975 1975 1975年:赫伯特年:赫伯特年:赫伯特年:赫伯特西蒙和艾伦西蒙和艾伦西蒙和艾伦西蒙和艾伦纽厄尔纽厄尔纽厄尔纽厄尔 1994199419941994年年年年:爱爱爱爱德德德德华华华华费费费费根根根根鲍鲍鲍鲍姆姆姆姆和和和和劳劳劳劳伊伊伊伊雷雷雷雷迪迪迪迪9第9页智能判定标准智能判定标准l l图灵图灵(Turing)测试:测试:假如机器在与人隔离房间回答人提假如机器在与人隔离房间回答人提出问题,且人无法判断回答下列问题是出问题,且人无法判断回答下列问题是机器还是人时,则应该认为机器已经具机器还是人时,则应该认为机器已
6、经具备人智能。备人智能。10第10页猴子摘香蕉猴子摘香蕉11第11页梵塔游戏梵塔游戏 初始柱初始柱替换柱替换柱目柱12第12页计算机下棋计算机下棋:l l1997年年IBM“深蓝深蓝”计算机以计算机以2胜胜3平平1负负战绩战胜国际象棋冠军卡斯帕罗夫战绩战胜国际象棋冠军卡斯帕罗夫,“深深蓝蓝”计算速度为计算速度为200万棋步万棋步/秒,采取启秒,采取启发式搜索方法;发式搜索方法;l l在与下棋领域含有类似性质和类似复杂在与下棋领域含有类似性质和类似复杂性问题上,计算机具备有智能。性问题上,计算机具备有智能。13第13页计算机下棋计算机下棋:l l卡斯帕罗夫自卡斯帕罗夫自1990年称霸国际象棋棋坛
7、年称霸国际象棋棋坛,年举行国际世界象棋冠军比赛中年举行国际世界象棋冠军比赛中,克拉莫克拉莫尼克以尼克以8:6领先卡斯帕罗夫。领先卡斯帕罗夫。“深蓝深蓝”计计算机能否打败克拉莫尼克?也就是说,算机能否打败克拉莫尼克?也就是说,“深蓝深蓝”计算机智能能否计算机智能能否“与时俱进与时俱进”?14第14页追求智能三步曲追求智能三步曲1)啊!真了不起!2)啊!是这么啊!3)啊!这也算智能吗?4)又回到第一步。15第15页人工智能研究对象人工智能研究对象l l不确定不确定l l非线性非线性l l不完全不完全l l变结构变结构l l多变量多变量l l分布式分布式16第16页人工智能应用人工智能应用l l人工
8、智能实际应用越来越普遍。智能机人工智能实际应用越来越普遍。智能机器人、智能控制、智能网络、智能手机、器人、智能控制、智能网络、智能手机、智能数据库、智能管理、智能小区、智智能数据库、智能管理、智能小区、智能交通、甚至智能经济等等不绝于耳,能交通、甚至智能经济等等不绝于耳,知识就是力量。知识就是力量。17第17页人工智能研究切入点人工智能研究切入点l先后出现了先后出现了3个主流学派:个主流学派:符号主义方法-逻辑学派联结主义方法-仿生学派行为主义方法-控制论学派 18第18页符号主义学派符号主义学派(西蒙和纽厄尔为代表西蒙和纽厄尔为代表西蒙和纽厄尔为代表西蒙和纽厄尔为代表)l l物理符号系统假说
9、(物理符号系统假说(物理符号系统假说(物理符号系统假说(physical symbol system physical symbol system hypothesishypothesis)。由一组称为符号实体组成系统,)。由一组称为符号实体组成系统,)。由一组称为符号实体组成系统,)。由一组称为符号实体组成系统,这些符号可作为组份出现在另一符号实体中。任这些符号可作为组份出现在另一符号实体中。任这些符号可作为组份出现在另一符号实体中。任这些符号可作为组份出现在另一符号实体中。任何时候系统内部都有一组符号结构,以及作用在何时候系统内部都有一组符号结构,以及作用在何时候系统内部都有一组符号结构,
10、以及作用在何时候系统内部都有一组符号结构,以及作用在这些符号结构上生成其它符号结构一组过程。任这些符号结构上生成其它符号结构一组过程。任这些符号结构上生成其它符号结构一组过程。任这些符号结构上生成其它符号结构一组过程。任一物理符号系统假如是有智能,则必能执行对符一物理符号系统假如是有智能,则必能执行对符一物理符号系统假如是有智能,则必能执行对符一物理符号系统假如是有智能,则必能执行对符号输入、输出、存放、复制、条件转移和建立符号输入、输出、存放、复制、条件转移和建立符号输入、输出、存放、复制、条件转移和建立符号输入、输出、存放、复制、条件转移和建立符号结构这么号结构这么号结构这么号结构这么6
11、6种操作。反之,能执行这种操作。反之,能执行这种操作。反之,能执行这种操作。反之,能执行这6 6种操作任种操作任种操作任种操作任何系统,也就一定能够表现出智能。何系统,也就一定能够表现出智能。何系统,也就一定能够表现出智能。何系统,也就一定能够表现出智能。19第19页符号主义学派符号主义学派l l认知基元是符号,智能行为经过符号操作来实认知基元是符号,智能行为经过符号操作来实认知基元是符号,智能行为经过符号操作来实认知基元是符号,智能行为经过符号操作来实现现现现,以美国科学家以美国科学家以美国科学家以美国科学家RobinsonRobinson提出归结原理为基提出归结原理为基提出归结原理为基提出
12、归结原理为基础,以础,以础,以础,以LispLisp和和和和PrologProlog语言为代表;语言为代表;语言为代表;语言为代表;l l着重问题求解中启发式搜索和推理过程,在逻着重问题求解中启发式搜索和推理过程,在逻着重问题求解中启发式搜索和推理过程,在逻着重问题求解中启发式搜索和推理过程,在逻辑思维模拟方面取得成功,如自动定理证实和辑思维模拟方面取得成功,如自动定理证实和辑思维模拟方面取得成功,如自动定理证实和辑思维模拟方面取得成功,如自动定理证实和教授系统;教授系统;教授系统;教授系统;l l归结原理不可能成为全部数学分支证实基础,归结原理不可能成为全部数学分支证实基础,归结原理不可能成
13、为全部数学分支证实基础,归结原理不可能成为全部数学分支证实基础,问题求解和逻辑推理本质仅仅是演译。问题求解和逻辑推理本质仅仅是演译。问题求解和逻辑推理本质仅仅是演译。问题求解和逻辑推理本质仅仅是演译。20第20页联结主义学派联结主义学派(J.J.Hopfield(J.J.Hopfield(J.J.Hopfield(J.J.Hopfield为代表为代表为代表为代表)l l人思维基元是神经元,把智能了解为相人思维基元是神经元,把智能了解为相互联结神经元竞争与协作结果互联结神经元竞争与协作结果,以人工神以人工神经网络为代表经网络为代表,其中其中,反向传输网络模型反向传输网络模型(BP)和和Hopfi
14、eld网络模型更为突出;网络模型更为突出;l l着重结构模拟,研究神经元特征、神经着重结构模拟,研究神经元特征、神经元网络拓朴、学习规则、网络非线性动元网络拓朴、学习规则、网络非线性动力学性质和自适应协同行为。力学性质和自适应协同行为。21第21页遗传算法和进化计算:遗传算法和进化计算:l l19751975年,年,年,年,John HollandJohn Holland提出遗传算法提出遗传算法提出遗传算法提出遗传算法(Genetic(Genetic Algorithm)Algorithm),模仿生物染色体中基因选择,模仿生物染色体中基因选择,模仿生物染色体中基因选择,模仿生物染色体中基因选择
15、(selection)(selection)、交叉、交叉、交叉、交叉(crossover)(crossover)和变异和变异和变异和变异(mutation)(mutation)自然进化过程自然进化过程自然进化过程自然进化过程,经过个体结构重组经过个体结构重组经过个体结构重组经过个体结构重组,形形形形成一代代新群体(成一代代新群体(成一代代新群体(成一代代新群体(populations),populations),最终收敛于近最终收敛于近最终收敛于近最终收敛于近似优化解。用于处理多变量、非线性、不确定、似优化解。用于处理多变量、非线性、不确定、似优化解。用于处理多变量、非线性、不确定、似优化解。
16、用于处理多变量、非线性、不确定、甚至混沌大搜索空间有约束优化问题;甚至混沌大搜索空间有约束优化问题;甚至混沌大搜索空间有约束优化问题;甚至混沌大搜索空间有约束优化问题;22第22页麻将原理:麻将原理:l l刚发到手牌就刚发到手牌就刚发到手牌就刚发到手牌就“和和和和”了概率是非常非常小。了概率是非常非常小。了概率是非常非常小。了概率是非常非常小。l l不论开始手中牌有多坏,经过一次次摸牌、选择、不论开始手中牌有多坏,经过一次次摸牌、选择、不论开始手中牌有多坏,经过一次次摸牌、选择、不论开始手中牌有多坏,经过一次次摸牌、选择、淘汰,能够逐步迫近到最优解。这相当进化中变淘汰,能够逐步迫近到最优解。这
17、相当进化中变淘汰,能够逐步迫近到最优解。这相当进化中变淘汰,能够逐步迫近到最优解。这相当进化中变异和选择原理。异和选择原理。异和选择原理。异和选择原理。l l麻将魅力在于能够在容忍时间内让牌麻将魅力在于能够在容忍时间内让牌麻将魅力在于能够在容忍时间内让牌麻将魅力在于能够在容忍时间内让牌“和和和和”了。了。了。了。l l遗传算法和进化计算收敛性问题。遗传算法和进化计算收敛性问题。遗传算法和进化计算收敛性问题。遗传算法和进化计算收敛性问题。23第23页行为主义学派行为主义学派(R.A.Brooks(R.A.Brooks(R.A.Brooks(R.A.Brooks为代表为代表为代表为代表)l l控制
18、论研究造成机器人和智能控制,机器人是控制论研究造成机器人和智能控制,机器人是控制论研究造成机器人和智能控制,机器人是控制论研究造成机器人和智能控制,机器人是“感知感知感知感知-行为行为行为行为”模式模式模式模式,是没有知识智能是没有知识智能是没有知识智能是没有知识智能(iwk,(iwk,iwr)iwr),强调直觉和反馈主要性;,强调直觉和反馈主要性;,强调直觉和反馈主要性;,强调直觉和反馈主要性;l l智能行为表达在系统与环境交互之中,功效、智能行为表达在系统与环境交互之中,功效、智能行为表达在系统与环境交互之中,功效、智能行为表达在系统与环境交互之中,功效、结构和智能行为不可分割。结构和智能
19、行为不可分割。结构和智能行为不可分割。结构和智能行为不可分割。l l9090年代起智能年代起智能年代起智能年代起智能AgentAgent成为新热点。它是一个自成为新热点。它是一个自成为新热点。它是一个自成为新热点。它是一个自治、含有自发行为、表达交互性和环境适应性治、含有自发行为、表达交互性和环境适应性治、含有自发行为、表达交互性和环境适应性治、含有自发行为、表达交互性和环境适应性新型智能机模型,含有移动性、推理、规划、新型智能机模型,含有移动性、推理、规划、新型智能机模型,含有移动性、推理、规划、新型智能机模型,含有移动性、推理、规划、学习和适应能力。学习和适应能力。学习和适应能力。学习和适
20、应能力。24第24页行为主义学派行为主义学派l l反馈是控制论基石,没有反馈就没有智反馈是控制论基石,没有反馈就没有智能能。l l依据目标与实际行为之间误差来消除此依据目标与实际行为之间误差来消除此误差控制策略。误差控制策略。PID控制是控制论对付不控制是控制论对付不确定性最基本伎俩。确定性最基本伎俩。l l强调智能系统与环境交互,从运行环境强调智能系统与环境交互,从运行环境中获取信息(感知),经过自己动作对中获取信息(感知),经过自己动作对环境施加影响。环境施加影响。25第25页当前,以实际问题驱动人工智能当前,以实际问题驱动人工智能研究成为主流。人工智能不再是研究成为主流。人工智能不再是阳
21、春白雪,尤其是数据挖掘技术,阳春白雪,尤其是数据挖掘技术,要以机器再现人类认识过程方式,要以机器再现人类认识过程方式,为认知科学提供了一个新实体模为认知科学提供了一个新实体模型和实在形式。型和实在形式。26第26页研研 究究 热热 点点l模式识别l智能检索l教授系统l自然语言了解l知识工程l数据挖掘l智能控制l智能机器人27第27页人工智能三次大跃进人工智能三次大跃进第一次:第一次:智能系统代替人完成部分逻辑推理工作,如教授系统。第二次:第二次:智能系统能够和环境交互,从运行环境中获取信息,代替人完成包含不确定性在内部分思维工作,经过本身动作,对环境施加影响,并适应环境改变。如智能机器人。第三
22、次:第三次:智能系统含有类人认知和思维能力,能够发觉新知识,去完成面临任务,如基于数据挖掘系统。28第28页人工智能目标:人工智能目标:程序程序=智能智能?计算计算=思维思维?计算机计算机=电脑电脑?目标:以机器方式再现人智能目标:以机器方式再现人智能29第29页二、二、2020世纪物理学成就世纪物理学成就l物质层次结构和原子物理模型物质层次结构和原子物理模型l场理论和四种相互作用场理论和四种相互作用30第30页物质层次结构和原子物理模型物质层次结构和原子物理模型l l能够把物质组成层次看成一个个等级,眼前物能够把物质组成层次看成一个个等级,眼前物能够把物质组成层次看成一个个等级,眼前物能够把
23、物质组成层次看成一个个等级,眼前物体看成是宏观,天体看成是宇观,把分子和原体看成是宏观,天体看成是宇观,把分子和原体看成是宏观,天体看成是宇观,把分子和原体看成是宏观,天体看成是宇观,把分子和原子作为界标,比它们小物质能够称之为微观。子作为界标,比它们小物质能够称之为微观。子作为界标,比它们小物质能够称之为微观。子作为界标,比它们小物质能够称之为微观。原子这个层次十分主要。原子这个层次十分主要。原子这个层次十分主要。原子这个层次十分主要。l l原子模型提出与演进,从开尔文模型、汤姆孙原子模型提出与演进,从开尔文模型、汤姆孙原子模型提出与演进,从开尔文模型、汤姆孙原子模型提出与演进,从开尔文模型
24、、汤姆孙模型、勒纳德模型、长冈模型、尼克尔森模型模型、勒纳德模型、长冈模型、尼克尔森模型模型、勒纳德模型、长冈模型、尼克尔森模型模型、勒纳德模型、长冈模型、尼克尔森模型直到卢瑟福原子有核结构模型,以及原子核模直到卢瑟福原子有核结构模型,以及原子核模直到卢瑟福原子有核结构模型,以及原子核模直到卢瑟福原子有核结构模型,以及原子核模型,都表明构思物质组成模型是一个普遍有效型,都表明构思物质组成模型是一个普遍有效型,都表明构思物质组成模型是一个普遍有效型,都表明构思物质组成模型是一个普遍有效科学方法。原子物理模型成为人类认识世界五科学方法。原子物理模型成为人类认识世界五科学方法。原子物理模型成为人类认
25、识世界五科学方法。原子物理模型成为人类认识世界五个里程碑之一。个里程碑之一。个里程碑之一。个里程碑之一。31第31页物理学中势场物理学中势场l l场可视为一个充满能量空间。比如,将场可视为一个充满能量空间。比如,将一个位于无穷远处电荷移至电场中需要一个位于无穷远处电荷移至电场中需要消耗能量。场在某点消耗能量。场在某点P(r)处单位作功效力处单位作功效力被称为该点势,记为被称为该点势,记为(r)。势函数。势函数(r)是一个关于场点位置是一个关于场点位置标量函数,它在场标量函数,它在场空间中组成一个标量场,即势场。空间中组成一个标量场,即势场。32第32页梯度、散度与旋度梯度、散度与旋度l l梯度
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