Übersicht. 1. Einführung. I Künstliche Intelligenz

Transkript

1 I Künstliche Intelligenz 1. Einführung Übersicht 2. Intelligente Agenten II Problem lösen III Wissen und Schlußfolgern IV Logisch Handeln V Unsicheres Wissen und Schließen VI Lernen VII Kommunizieren, Wahrnehmen und Handeln

2 Übersicht über Definitionen der Künstlichen Intelligenz

3 Menschliches Verhalten: Der Turing Test Def.: Intelligentes Verhalten ist die Fähigkeit, menschliche Performanz in allen kognitiven Bereichen zu erreichen, so daß ein Interviewer getäuscht wird. Turing Test (1950): Ein Mensch kann (nach 30 Minuten freiem Dialog) nicht entscheiden, ob sein Gegenüber ein Mensch oder eine Maschine ist (Kommunikation nur über Terminal). Erforderliche Fähigkeiten eines Computers: - Sprachverarbeitung - Wissensrepräsentation - Schlußfolgerungsfähigkeit - Lernfähigkeit Erweiterung zu totalem Turing Test für Umgang mit physikalischen Objekten: - Bildverarbeitung - Robotik

4 Loebner-Preis für Turing-Test Seit 1990 (gestiftet von Loebner, vergeben in Cambridge/USA) Ablauf: Eine Jury kommuniziert mit 8 Programmen sowie 2 Menschen und soll beides auseinanderhalten. Preise: Gold: $ für natürlichsprachlichen Dialog, Silber: $ für schriftlichen Dialog, Bronze: 2000 $ für bestes Programm Bronze-Preisträger 2001 (wie 2000): Alice:

5 Menschliches Denken: Kognitionswissenschaft Voraussetzung für den Turing Test ist, daß Programme ähnlich wie Menschen denken. Menschliches Denken wird von der Kognitionswissenschaft untersucht. Zugangsmethoden: Introspektion Psychologische Experimente Falls eine hinreichend präzise Theorie aufgestellt wurde, kann man sie als Computerprogramm ausdrücken und vergleichen, ob dessen Ein- /Ausgabeverhalten dem von Menschen entspricht.

6 Rationales Denken: "Gesetze des Denkens Logisches Schließen: Gesetze, die richtige Schlußfolgerungen aus richtigen Prämissen ableiten. Beispiel: Syllogismus von Aristoteles: Prämisse 1: Alle Menschen sind sterblich. Prämisse 2: Sokrates ist ein Mensch. Konklusion: Sokrates ist sterblich. Im Gegensatz etwa zur Arithmetik können mit der Logik alle möglichen Aussagen über die Welt und ihre Relationen gemacht werden. Seit 1965 existieren Programme, die unter der Annahme von genügend Zeit und Speicherkapazität für beliebige in logischer Sprache formulierten Probleme eine Lösung finden, sofern eine Lösung existiert. Probleme dieses Ansatzes: Formulierung eines informellen Problems in logischer Sprache. Großer Unterschied, etwas prinzipiell oder tatsächlich tun zu können.

7 Rationales Handeln: Rationale Agenten Agent: Etwas, das wahrnimmt und handelt. Rationales Handeln: So zu handeln, daß man gemäß seinem Wissen seine Ziele erreicht. Während die Gesetze des Denkens korrekte Inferenzen betonen, geht rationales Handeln darüber hinaus, da es Zeitbegrenzungen, Unsicherheiten usw. miteinbezieht.

8 Grundlagen der KI Philosophie Mathematik/Informatik Psychologie Computer Linguistik

9 Philosophie (Plato (428 v.c) - jetzt) (1) Sokrates fragt Euthyphro: Woran kann ich Frömmigkeit erkennen? Aristoteles entwickelt informelles System zum korrekten Schlußfolgern (z.b. Syllogismus). Er glaubt aber auch an Intuition Problem des freien Willens Rene Descartes ( ): Dualismus (Seele Verstand) Wilhelm Leibnitz ( ): Materialismus John Locke ( ): Empirismus. "Nichts ist im Verstand, was nicht vorher in den Sinnen war." David Hume ( ): Induktion Bertrand Russell ( ): Logischer Positivismus Newell & Simon (1972): Implementierung eines Programms zur Mittel-Zweck-Analyse (means-ends analysis) John Stuart Mill ( ): Nützlichkeit (Utilitarismus)

10 Mathematik/Informatik (800 - jetzt) (1) Formalisierungsbedarf in: Berechenbarkeit, Logik, Wahrscheinlichkeit al-khowarazmi (9. Jahrhundert): Algorithmus --- Entwicklung der Logik George Boole ( ; 1847): Formale Sprache für logische Inferenzen Gottlob Frege ( ; 1879): Prädikatenlogik 1. Stufe Alfred Tarski ( ): Theorie über die Beziehung zwischen Objekten der Welt und der Logik --- Grenzen von Logik und Berechenbarkeit David Hilbert ( ; 1900): Frage nach Entscheidungsproblem Kurt Gödel ( ; 1931): Unvollständigkeitstheorem. Alan Turing ( ): T.-Maschine, Church-T. These; Halteproblem.

11 Mathematik/Informatik (800 - jetzt) (2) --- praktische Grenzen der Berechenbarkeit Intractability (Widerspenstigkeit): Mindestens exponentieller Zeitbedarf NP-Vollständigkeit (Cook 1971 & Carp 1972) --- Wahrscheinlichkeit Geralamo Cardano ( ): Idee der Wahrscheinlichkeit Thomas Bayes ( ): Theorem von Bayes Entscheidungstheorie (John v. Neumann & Oskar Morgenstern, 1944)

12 Psychologie ( jetzt) Experimente und Introspektion (Wundt 1879: 1. Labor für experimentelle Psychologie an der Univ. Leipzig). Behaviourismus (ca ). Rebellion gegen Introspektion: Beschränkung der Untersuchung auf Reiz-Reaktion ohne mentale Konstrukte wie Wissen, Glauben, Ziele. Kognitive Psychologie (Kenneth Craik 1943): 1. Reize werden in eine interne Repräsentation überführt. 2. Die interne Repräsentation wird durch kognitive Prozesse verarbeitet. 3. Daraus ergeben sich Aktionen. (Anderson, 1980): "Eine kognitive Theorie sollte wie ein Computer-Programm sein".

13 Computer ( jetzt) Heath Robinson: (1940, Alan Turing). Erster funktionsfähiger Spezialcomputer zur Dekodierung von deutschen Funksprüchen im 2. Weltkrieg Z3 (1941, Konrad Zuse). Erster programmierbarer Computer IBM 701 (1952, Nathaniel Rochester): Erster profitabler Computer. Die rasante Steigerung der absoluten Leistungsfähigkeit und des Preis/Leistungsverhältnisses von Computern (Verdopplung bisher etwa alle 18 Monate) war und ist eine entscheidende Voraussetzung für die Künstliche Intelligenz.

14 Linguistik ( jetzt) Noam Chomsky (1957): Mit einer Kritik des Buches "Verbal Behaviour" des Behavioristen Skinner demonstiert er die Notwendigkeit weitergehender Modelle zum Verständnis kreativer Aspekte beim Lernen von Sprache (wie z.b. in seinem gleichzeitg erschienenen Buch "Syntactic Strucures"). Jedoch reichen syntaktische Strukturen nicht aus, Mehrdeutigkeiten der Sprache aufzulösen, daher schon früh ein starkes Interesse an Wissensrepräsentation.

15 Geschichte der Künstlichen Intelligenz : Vorlaufphase : Früher Enthusiasmus, große Erwartungen : Relativierung durch Realitätsbezug : Wissensbasierte Systeme : Beginn der wissensbasierten Industrie jetzt: Rückkehr der Neuronalen Netze Gegenwart: Uneinheitlich

16 Vorlaufphase der KI ( ) Cullach & Pitt 1943: Integration dreier Quellen zum Vorschlag eines Netzes künstlicher Neuronen: Physiologie der Neuronen Aussagenlogik Theorie der Berechenbarkeit Dartmouth-Workshop 1956 (Newell, Simon, Minsky, Mc Carthy et al.): Prägung des Begriffes "Künstliche Intelligenz".

17 Früher Enthusiasmus, große Erwartungen (1) Anfangs wurden die (relativ primitiven) Computer nur als Rechenmaschinen betrachtet ("eine Maschine kann niemals X tun). KI- Forscher erregten viel Aufmerksamkeit, indem sie für ein X nach dem anderen Programme entwickelten. Logic Theorist (Newell &Simon, CMU): Beweisen mathematischer Theoreme General Problem Solver (Newell & Simon, CMU): Allgemeine Problemlöse-Architektur Geometry Theorem Prover (Gelernter, IBM): Benutzung einer numerischen Repräsentation von Diagrammen beim Beweisen. Checker-Program (Samuel, IBM): Lernfähiges Spielprogramm LISP (Mc Carthy, MIT, 1958). Time-Sharing (Mc Carthy, MIT, 1958). Advice Taker (Mc Carthy, MIT, 1958).

18 Früher Enthusiasmus, große Erwartungen (2) Explizite Wissensrepräsentation Mikrowelten (Minsky, MIT) - SAINT (Slage, 1963): Integral-Rechnung - ANALOGY (Evans, 1968): Geometrische Analogie aus IQ-Tests - SIR (Raphael, 1969): Beantworten natürlichsprachlicher Anfragen - STUDENT (Bobrow, 1967): Lösen natürlichsprachlicher schul-mathematischer Textaufgaben

19 Früher Enthusiasmus, große Erwartungen (3) Klötzchen-Welt (MIT): - Bildverarbeitung (Huffman, 1971) - Bildverarbeitung und Constraint-Propagierung (Waltz, 1975) - Lerntheorie (Winston, 1970) - Sprachverarbeitung (SHRDLU, Winograd, 1972) - Planung (Fahlman, 1974) Neuronale Netze - Perceptron-Konvergenz-Theorem (Rosenblatt, 1962).

20 Relativierung durch Realitätsbezug ( ) Abbruch der US-Forschungsförderung für Sprachübersetzung (gefördert seit Sputnik-Schock 1957) - Nichterfüllen der Prophezeiung von Simon von 1958, daß in 10 Jahren ein Computer Schachweltmeister und daß ein wichtiges neues mathematisches Theorem maschinell bewiesen worden sei. - Entdecken der Skalierungsprobleme: "Die Tatsache, daß ein Programm ein Problem im Prinzip lösen kann, heißt nicht, daß es irgendwelche der Mechanismen enthält, die für einen praktischen Erfolg erforderlich sind." - Fehlschlag bei Experimenten zur Maschinen-Evolution (heute: Genetische Algorithmen) trotz tausender CPU-Stunden. - Lighthill-Bericht (1973): Abbruch der KI-Forschungsförderung in Großbritannien (mit Ausnahme von 2 Unis) - Die von Minsky & Papert (1969) gezeigten theoretischen Grenzen von Perceptrons führen zu einem weitgehenden Ende der Forschungsförderung im Bereich neuronaler Netze

21 Wissensbasierte Systeme ( ) (1) "In the knowledge lies the power" (Feigenbaum) - und nicht in universellen ("schwachen") Problemlösungsmethoden. - DENDRAL (Buchanan, Feigenbaum und Lederberg, Stanford, 1969): erstes bekanntes wissensbasiertes System zur Interpretation von Massenspektrogrammen zur Aufklärung der Strukturformel von Molekülen. - MYCIN (Shortliffe, Stanford, 1976): Evaluiertes Expertensystem zur Antibiotika-Therapie von Infektionskrankheiten des Blutes mit sauberer Trennung zwischen Wissen und Inferenzmechanismen. - PROSPECTOR (Duda et al, SRI, 1979): Probabilistisches Diagnosesystem zur Vorhersage von Lagen für Bodenschätze, das ein großes Molybdän-Vorkommen richtig prognostiziert.

22 Wissensbasierte Systeme ( ) (2) Minsky (1975) faßt viele Ideen der Zeit in dem Konzept der "Frames" zusammen. Auch bei der Sprachverarbeitung wird die Bedeutung von Weltwissen (stereotype Situationen, Skripts) - im Gegensatz zu den bisher syntaktisch orientierten Programmen wie SHRDLU betont (Roger Schank, Yale) - LUNAR (Woods, 1973): Erstes extern genutztes natürlichsprachliches Anfragesystem für eine Datenbank über Mondgestein.

23 Beginn der wissensbasierten Industrie ( ) R1/XCON (Mc Dermott/DEC 1982): Erstes kommerziell erfolgreiches Expertensystem zur Konfiguration von Computern bei DEC (Einsparungen von ca $ pro Jahr) Entstehen zahlreicher KI-Firmen mit meist hybriden Expertensystem- Werkzeugen und Beratung (Teknowledge, Carnegie Group, Inference, Intellicorp) sowie Entwicklung und Verkauf dezidierter KI-Hardware (LISP-Maschinen). Fifth Generation Project (Japan, 1981). 10-Jahres-Projekt zur Entwicklung von intelligenten Maschinen. Nachziehen der USA (MCC-Konsortium) und Europa (Alvey-Bericht wiederbelebt die KI-Forschung in Großbritannien, BMFT startet Verbundprojekte in Deutschland). Der KI-Umsatz stieg von einigen Millionen auf 2 Milliarden $. Danach Rückschlag wegen zu hoher Erwartungen ("KI-Winter").

24 Rückkehr der Neuronalen Netze (seit 1986) Das Buch von Rummelhard & McClelland "Parallel Distributed Processing" 1986 verbreitet neue Erfolge mit dem wiederentdeckten Backpropagation-Algorithmus (der bereits 1969, im gleichen Jahr in dem das kritische Buch von Minsky und Papert erschienen ist, von Bryson & Ho publiziert wurde).

25 Gegenwärtige Trends Die KI ist etabliert. An fast jeder Informatik-Abteilung gibt es dazu eine Professur, wissensbasierte Techniken werden in Industrie breit genutzt. Relative Selbständigkeit anwendungsorientierter Teilbereiche: - Wissenssysteme (Diagnose, Konfigurierung; Scheduling, Planung) - Sprachverarbeitung (Verstehen gesprochener und geschriebener Sprache; Dolmetscher, Übersetzer, Natürlichsprachliche Anfrageund Auskunftssysteme, Sprechschreibmaschinen). - Bildverarbeitung (Erkennen von Gegenständen in begrenzten Szenen) - Robotik (autonome Roboter, z.b. Robocup, Raumfahrt, Gefahren) Betonung logischer Grundlagen (z.b. Hidden Markov Models, Probabilistische Netze, logik-basierte Wissensrepräsentationen): "Normative versus empirische Expertensysteme". Versuche zur Integration, Agentenbasierte Ansätze, Internet

26 Aktuelle Erfolge - Schachprogramme haben Weltmeisterniveau erreicht. - Natürlichsprachliche Auskunftssysteme (z.b. Reisebuchung) - Erfolgreiche Expertensysteme in vielen Bereichen - Automatischer Autofahrer - Automatische Verkehrsüberwachung - Autonome Roboter auf dem Mars.

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