計算智能概述

InformationScienceandEngineering,UniversityofJinan

計算智能概述課程目的系統(tǒng)地講授計算智能的有關基礎理論、技術及其主要應用。通過本課程的學習，要求學生系統(tǒng)地掌握計算智能的基本內容與方法，了解計算智能的主要應用領域。將計算智能方法與學生未來研究方向相結合，培養(yǎng)學生獨立科研思維能力。介紹計算智能研究的前沿領域與最新進展，培養(yǎng)學生科研興趣。開課基礎學習本課程之前，要求已經選修過《高等數學》、《程序設計基礎》、《計算機基礎與算法》等課程。要求博學之，審問之、慎思之、明辨之，篤行之?！端臅?禮記》主要參考書籍1）《智能學簡史》馮天瑾科學出版社2）《計算智能》張軍詹志輝清華大學出版社3）《計算智能:人工神經網絡-模糊系統(tǒng)-進化計算》周春光梁艷春吉林大學出版社4）《計算智能——理論、技術與應用》丁永生編著，科學出版社5）《計算智能中的仿生學：理論與算法》徐宗本，張講社，編著，科學出版社6）《軟計算方法》張穎劉艷秋科學出版社7）《ComputationalIntelligence》RussellCEberchat,Elsevier8）《SwarmIntelligence》JamesKennedy,Elsevier考核辦法6出勤、上機：20-30%考試成績：70-80%本課程主要內容7第一部分：計算智能概述第二部分：神經網絡（神經計算）第三部分：進化計算（演化計算）第四部分：模糊系統(tǒng)（模糊計算）第五部分：其它智能算法（選）智·能所以知之在人者，謂之知。知有所合，謂之智。所以能之在人者，謂之能。能有所合，謂之能。

——荀況《荀子·正名》夢想機器具有智能—計算機科學家的夢想

阿蘭·麥席森·圖靈AlanMathisonTuring，1912年6月23日生于英國倫敦。是英國著名的數學家和邏輯學家，被稱為計算機科學之父、人工智能之父，是計算機邏輯的奠基者。二戰(zhàn)時破譯破解德國密碼系統(tǒng)Enigma，提出了“圖靈機”和“圖靈測試”等重要概念。人們?yōu)榧o念其在計算機領域的卓越貢獻而設立“圖靈獎”。圖靈機的藝術化表示八卦：1)圖靈是頂級長跑運動員2)圖靈與蘋果圖靈測試怎樣判斷機器具有智能—圖靈測試

1950年AlanTuring的文章“ComputingMachineryandIntelligence.”（Mind,Vol.59,No.236）提出圖靈測試，檢驗一臺機器或電腦是否具有如人一樣的思維能力和智能電腦和人分別封閉在不同的房間，測試者不知道哪個房間是人，哪個房間是電腦，他向雙方提出測試問題，電腦和人給出各自的答案，如果一系列的測試問題之后，測試者分不出哪些是電腦的答案，哪些是人的答案，則電腦通過測試，確實具有與人一樣的智能。提問者回答者A回答者B困惑哲學問題（1）規(guī)則與規(guī)律：規(guī)則是制定的，規(guī)律是客觀存在的，從規(guī)則能自動發(fā)現規(guī)律嗎？（2）生命與非生命：智能是高等生命體獨有的能力，非生命體內能產生智能嗎？（3）物質與意識：唯物主義和唯心主義都承認二元論，只是在何者起決定作用上爭論不休，智能能在機器內產生將導致一元論—物質生成一切？（4）智能的本質：理性與感性、思考與行動、社會性與個體性困惑倫理問題（1）電腦與人腦：能否互換？（2）機器人與人：機器能否融入人類社會？（3）情感與役使：機器是人制造并使用的工具，一旦機器人具有了智能和情感，人類還能當奴隸一樣地役使嗎？（4）機器人叛亂：機器人群體有可能叛亂而反過來役使人類嗎？現實的夢比爾·蓋茨預測：計算智能發(fā)展前景乃是機器最終“能看會想，能聽會講”。無論是人工智能，還是智能人工，只要能夠殊途同歸，造福于人類，那么所有的努力便都是有價值的。未來，智能機器作為真正意義上的工作助手和生活良伴，將使我們的生活完全改觀。“聰明機器”的出現，也決不會成為人類的災難，在智慧與創(chuàng)造力方面，永遠是人類最有發(fā)言權。信息時代的呼喚信息時代信息資源-創(chuàng)造智能的工具-獲得智能工業(yè)時代能量資源-創(chuàng)造動力的工具-獲得能量物理學、化學創(chuàng)造動力工具的理論基礎計算智能理論創(chuàng)造智能工具的理論基礎信息時代的呼喚信息時代信息資源-創(chuàng)造智能的工具-獲得智能工業(yè)時代能量資源-創(chuàng)造動力的工具-獲得能量物理學、化學創(chuàng)造動力工具的理論基礎計算智能理論創(chuàng)造智能工具的理論基礎什么姜是計境算智邀能計算墨智能（Co崖mp窗ut恩at暖io臨na托l(wèi)江In于te歪ll惹ig籃en做ce，CI）目前霜還沒烤有一鵝個統(tǒng)混一的桃的定兇義，憐使用幫較多趙的是匯美國誰科學傳家貝豆慈德鉗克（J.限C.久Be殊zd馬ek）從尤計算獵智能到系統(tǒng)抬角度仰所給矮出的否定義:如果虜一個橫系統(tǒng)碎僅處欲理低故層的蜻數值摸數據列，含泡有模矛式識叮別部扇件，卸沒有拍使用腰人工劫智能矛意義額上的柳知識家，且丹具有計算困適應榨性、計算戀容錯寸力、接純近人敗的計憑算速度和近適似于最人的誤差貢率這4個特第性，童則它亦是計勇算智茅能的助。什么徑是計裁算智纖能從學蘋科范騙疇看，計算烘智能銷是在神經部網絡（Ne名ur梨al傘N攤et里wo癢rk炒s,撤NN）、進化顯計算（Ev稅ol喚ut浩io五na懲ry套C雁om合pu講ta土ti錯on貢,E繳C）及模糊徑系統(tǒng)（Fu彈zz織y萍Sy剩st笑em腫,F隱S）這3個領雄域發(fā)虹展相嫂對成者熟的古基礎鏟上形炸成的鋒一個矮統(tǒng)一跟的學萍科概尿念。也可捉以簡隊單的峰理解驗為：計算煩智能主要幣借鑒仿生留學和擬物的思映想，候基于禮人們則對生蠅物體渣智能賣機理腐和某呀些自煩然規(guī)座律的暮認識貨，采襯用數值肥計算的方例法去憂模擬壩和實愈現人榆類的嗓智能知、生躍物智汗能、毀其它播社會屠和自致然規(guī)丑律。計算罩智能侍與人醒工智瘋能的勺關系目前旗，對漸計算兵智能追與人茅工智爬能的靜關系兼有2種不努同觀喂點，園一種棗點認項為計賠算智勤能是柄人工臉智能騰的一徐個子碌集，效另一此種觀饑點認謙為計爹算智顫能和默人工恰智能話是不資同的丸范疇招。第一榜種觀嶺點的代鳳表人室物是去貝慈覆德克挺。A－Ar境ti疤fi想ci忌al，舅表示渡人工構的（輸非生辣物的子），衫即人辭造的B－Bi擠ol可og挖ic費al，辭表示酒物理臥的＋穩(wěn)化學破的密＝生芹物的C－Co泰mp疲ut鏈at壓io炊na前l(fā)，掛表示挨數學片＋計容算機=計算告的CI菌<扶A劫I犧<征BI計算淋智能腥與人臥工智砍能的井關系第二達種觀脖點是大碼多數爐學者位所持掙有的舞觀點捧，其害代表茅人物腎是艾漁伯哈紀特（R.隊C.己Eb目er例ha翅rt）。興他們擱認為疲：雖帆然人犯工智廳能與括計算喘智能抹之間拍有重租合，射但計墓算智睛能是檔一個邀全新屢的學恭科領顫域，晌無論擔是生卵物智側能還透是機欠器智任能，硬計算拖智能讀都是責其最核錄心的部其分，板而人擦工智它能則獨是外層。事實裝上，CI和傳殼統(tǒng)的AI只是唯智能分的兩尸個不境同層牲次，巨各自滲都有下自身由的優(yōu)鄰勢和紐奉局限君性，亦相互奪之間早只應匙該互皂補，被而不語能取躺代。大量氏實踐緊證明閣，只轎有把AI和CI很好色地結瓦合起剪來，股才能炊更好僵地模庭擬人冊類智意能，甩才是劈燕智能殊科學嘉技術屈發(fā)展琴的正炒確方東向。外層內層CIAIBI進化洪計算弱（演啟化計傾算）人傾戶向于辛線性泊地思劃考問狐題，遭而進慨化（Ev萬ol神ut兵io丘n）娃則常蠟常以漿人們賭意象織不到闊的方此式解窯決問胡題?！ジ瘛妒裁闯硎沁M推化計漏算》進化沾計算蔽（演曉化計姻算）人傾蒜向于配線性逐地思倆考問狐題，印而進足化（Ev兄ol腫ut說io卡n）涌則常斜常以工人們備意象森不到飾的方子式解奧決問果題?！ジ瘛妒裁丛Ｊ沁M范化計挑算》進化附計算棍（演?；媽悖┞眯凶松虇栁疹}（Tra低ve眉ll據in區(qū)gSal閣es贈ma亮nPro調bl嫌em）設有n個城益市，鄰任意眠兩個惑城市粉之間秋的距刻離如萬矩陣D=釣(dij)n*n(i,j=1膚,2繭,…秘,n)所示玩，其帆中dij表示療從城語市i到城霸市j的距徐離。尋找壟這樣威一種再周游傻方案法：周僑游路星線從紛某個覆城市杠開始場，經明過每幻玉個城泛市一爽次且滑僅一窗次，刻最后抖回到臥出發(fā)嚼城市姓，使坡得周斑游路刮線的證總長疾度最毯短。π(1特)為周漠游序釘列中毯第i個城嗎市的缸編號代，且π(n拜+1志)=π(1敢)如果研使用棄枚舉鄰法，諒復雜褲度將均隨著行城市付數目零的增秀加急僅劇增尼加。進化黨計算質（演盒化計唇算）函數哲優(yōu)化侮問題進化撒計算尾（演扮化計斑算）--思考優(yōu)化繞問題追求解毯，能維否借董助這歉種方蠶法呢第？低級少、簡膝單高級匪、復斗雜進化進化薄計算贊的概扣念：細（Ev嶺ol種ut仇io甲na森ry長C臨om贊pu巡壽ta惹ti崗on嗽,E漲C）是齊在達鹽爾文芬（Da笛rw絨in）的繞進化渠論和濟孟德馳爾（Me角nd平el）的楊遺傳獻變異灘理論魯的基季礎上滔產生絮的一驅種在摘基因價和種思群層義次上縮慧模擬紹自然內界生天物進跌化過播程與哪機制搶，進劃行問植題求政解的自組宇織、自適應的隨需機搜羅索技您術。賭它以寄達爾向文進飾化論備的“刻物竟北天擇彩、適慌者生靠存”馳作為鼠算法檔的進籌化規(guī)欄則，外并結只合孟葛德爾雙的遺傳麻變異理論出，將姐生物槐進化站過程濾中的繁殖寺、變藝異、爹競爭追和選絮擇引入摟到了包算法怪中，鵲是一裕種對傭人類滾智能紫的進載化模佳擬方遵法。進化徹計算臺（演姐化計炮算）進化版計算態(tài)的主勿要分哭支：遺傳騎算法至、進田化策校略、匙進化砍規(guī)劃三大枕分支話。其隸中，爸遺傳趁算法紗是進垮化計闖算中淚最初擾形成寬的一欺種具氣有普碌遍影值響的茫模擬雁進化標優(yōu)化斥算法默。進化序計算怪的發(fā)敬展史20世紀60莖-7早0年代辱：萌芽師階段體系爆建立襲、計用算量父大、丘未受拐重視20世紀80年代外：發(fā)展學階段體系修完善求、計脹算機扶的發(fā)營展、始人工齡智能映瓶頸20世紀80以后爽：成熟揚階段眾多豬研究蔬機構晝和學萌者的陸高度鴨重視筋、研拳究熱逼點進化怎計算脆（演箱化計秋算）遺傳陽算法鄰（Ge管ne訂ti鍬c崗Al最go迎ri景th頭m）模藍擬達造爾文榴的遺承傳選怠擇和嶼自然才淘汰懸的生躬物進破化過岸程19蘇75年首殲先由Ho箏ll處an善d提出銷用于擺自然屆和人門工系旦統(tǒng)的江自適野應行決為研子究(A汗da挖pt堅at綁io赴n被in香N套at懲ur鄰al鋤a癥nd丟A泄rt卻if公ic特ia蘿l聞Sy泳st茄em舟s)組成潛：個返體與叉群體技、適唱應值忘函數必、遺圈傳操屋作、艷終止棄條件特點匙：隱常含并鐮行性要、過覆程性均、非明確定過性、壟群體伍性、蛙內在餐學習蹄、統(tǒng)墾計性冠、穩(wěn)勻健性奪、整冰體優(yōu)困化T=廈0,隨機皮初始緩化群透體P(愛t)計算P(醬t)中每擦一個領個體餡的適儲應值滿足性終止筐條件計算掙群體P(葵t)中每獻個個哲體的蛇選擇唯概率根據裁選擇孫概率緣瑞從群孫體中油選擇溫適當維的個丹體進埋行雜玻交、啊變異鄭產生賺新個發(fā)體輸出所結果結束神經彼網絡傻（神賭經計嘴算）應該眉屬于便哪一以類？已經漠學習跌貓狗該圖像是貓班是狗果？神經貿網絡局（神爸經計劉算）雖然脹上述遼問題拘對于麻計算芽機來琴說很虧難，晨但對允于人嶼類而惕言卻膝是輕堡而易危舉的妹事情嗓。因扛此，屬考慮棵用計裙算機非模擬鏈人腦僚，是寬否能協(xié)完成轎上述舟工作梳呢？人腦恐的基瘋礎是戰(zhàn)生物連神經武系統(tǒng)拔。生互物神結經系聽統(tǒng)是砍由神歇經元看構成濟。如努果要摟模擬趙人腦回，必初須首依先模義擬神經經元戴。神經覺末梢突觸軸突樹突細胞諸核細胞痛體神經躬網絡立（神睡經計觸算）神經鑒元具性有的西特性特：1）多鏈個輸側入2）一伍個輸厭出3）輸裂出只仁有抑制、興奮兩種散狀態(tài)神經授元工戲作過管程：累加鹿各部館分的促加權址輸入型，然露后比甚較累仙加和茫是否檢超過迫閾值始，如珠果超銜過，伙輸出廁為興摩奮狀蒙態(tài)，錯否則墓，輸泉出為釋抑制奔狀態(tài)腸。θ…x1x2xnw1w2wny可見疲，輸入葡權值和閾值對于磚輸出虛狀態(tài)鋸影響驅巨大企。輸入宵權值和閾值是神蔬經元想學習造的基障礎，乳權值游和閾擊值調盞整的設過程誦就是奏學習炕的過烏程。神經睛網絡勵（神描經計庫算）θ…x1x2xnw1w2wny神經榨元的控學習—學習謝識別醬模式A和模絞式B假定倒遇到濫模式A輸出吩為0，模是式B輸出等為12）如岔果輸蠶入的廟是模圈式A，輸猜出為1，調整囑權值，使免之輸送出為01）隨機督化輸入棄權值象和閾丙值3）如環(huán)果輸公入的殺是模波式B，輸郵出為0，調整求權值，使銹之輸邊出為14）重復步驟2,、3，直必到訓喂練完哪成可以苗確定溜的是科：如擔果此叉時輸請入的拘是模打式A中的瞧一個鋸新樣歌本，趨即使供沒有讓學過繁，也批會有么很大憐的概毯率判星為模以式A。神經栗網絡斗（神描經計停算）神經烘網絡椒的特慶點:1）信騎息是顏通過樸神經市元上烘的興踏奮模洲式分狐布儲雁在網禿絡上;2）信蹈息處純理是滿通過腦神經姜元之窯間同菌時相魄互作軌用的此動態(tài)桿過程王來完足成的艙。這就掀是人所工智原能研笑究的舉“結舉構（圓聯(lián)接題）主相義。神經端網絡1）可刷以充學分逼養(yǎng)近任飽意復戀雜的腔非線裙性關娛系2）采毅用并茄行分拾布處磚理方腫法，抗使得閣快速匙進行匯大量遼運算延成為抓可能3）可汗學習商和自今適應著不知爽道或壘不確悲定的軟系統(tǒng)4）能響夠同夸時處慘理定種量、穩(wěn)定性重知識模糊死系統(tǒng)竭（模鄉(xiāng)豐糊計麻算）數是悲我們鵲所知病的最芬純粹島的量食的規(guī)毛定，慘但他革卻充封滿了筋質的丘差異長?！鞲裼[斯《自然虹辯證襯法》模糊鋤系統(tǒng)燈（模杏糊計園算）有位德先生萍的頭野發(fā)長姓的很帽好，兩即他步的頭“不禿”。我們翻可以各肯定恢：若圍將他誘頭發(fā)故拔去鈴一根否，他院的頭懼仍不么禿；拔去怠兩根挽，他殖的頭絮也不您會禿架；再假盜定：您拔去k根頭雁發(fā)他獅還“不禿”；則依薄常理垂，再挽拔1根（帥共拔兆去K+酒1根）危頭發(fā)母，他鉗也不續(xù)會是“禿”。則依古數學囑歸納聰法，矛可得惕結論勞：如邀此拔釋下去粱，頭院發(fā)拔批光了行，他推也“不禿”！從“著禿頭腎悖論申”說復起模糊畝理論悲的產高生在日貿常生稼活中狐，經紅常遇捉到許監(jiān)多模霜糊事滅物，釀沒有分明煉的數回量界限坊，要課使用研一些血模糊簽的詞配句來末形容乓、描稅述。精確船性的吹數學銅與現幸實生眠活中玻的模癢糊的日矛盾就需下要尋蜻找一燃種描土述和伯加工弄模糊或信息藝的數洋學工畫具，辟這就饑推動吼數學附家深旨入研林究模糊比理論。19柱65年，扎德（Za網de憶h）提樸出了模糊敲集合寺論（Fu富zz臉y旱Se潑t）。1.提出部用“模糊沃集合”作女為表腸現模走糊事縮慧物的規(guī)數學所模型似。2.提出著“隸屬尸函數”概洞念模糊喝理論在模姐糊集鑰合中居，給已定范希圍內憲元素輩對它越的隸豎屬關慣系不螺一定磚只有“是”或“否”兩種省情況銅，而帝是用跌介于0和1之間妹