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Intelligente Systeme Einführung in die künstliche Intelligenz

Teil 1

Michael Schroederwww.biotec.tu-dresden.de/schroeder/teaching

Was ist Intelligenz?

• Intelligenz (von lat. intellegere „verstehen“, wörtlich „wählen zwischen…“ von lat. inter „zwischen“ und legere „lesen, wählen“) ist in der Psychologie ein Sammelbegriff für die kognitive Leistungsfähigkeit des Menschen. Da einzelne kognitive Fähigkeiten unterschiedlich stark ausfallen können und keine Einigkeit besteht, wie sie zu bestimmen und zu unterscheiden sind, gibt es keine allgemein geteilte Definition der Intelligenz.

Was ist künstliche Intelligenz?

• Künstliche Intelligenz (KI, englisch artificial intelligence, AI) ist ein Teilgebiet der Informatik, welches sich mit der Automatisierung intelligenten Verhaltens befasst. Der Begriff ist insofern nicht eindeutig abgrenzbar, da es bereits an einer genauen Definition von Intelligenz mangelt. Dennoch findet er in Forschung und Entwicklung Anwendung.

• Intelligence is a property of mind that encompasses many related mental abilities, such as the capacities to reason, plan, solve problems, think abstractly, comprehend ideas and language, and learn.

• Intelligence is a person's capacity to (1) acquire knowledge (i.e. learn and understand), (2) apply knowledge (solve problems), and (3) engage in abstract reasoning.

• Intelligence is an American cyber-themed action-adventure television series that aired on CBS in the United States.

• Intelligence is the degree of our ability to cope with changes in our environment.

• Intelligence is an elusive concept.

KI heute: IBM Watson gewinnt Jeopardy

2011

KI heute: Deep Space One

1998

Erste autonome Raumsonde

KI heute: IBM Deep Blue

1996

Deep Blue schlägt Schachweltmeister

KI heute: Autonome Fahrzeuge

2014

autonomous steering, lane keeping, acceleration/braking, parking, accident avoidance, and driver fatigue detection

ca. 1950 2007

DARPA Wettbewerb

Vorhersage: 2025 sind autonome Fahrzeuge am Markt

Grundlagen der KI

• Watson: Linguistik, Lernen

• Deep Space One: Schlussfolgern

• Deep Blue: Suche in Graphen

• Autonome Fahrzeuge: Bildverarbeitung

Grundlagen der KI• Philosophie: Schlussfolgern, Lernen, Sprache,

Rationalität

• Mathematik: Formale Repräsentation, Beweistheorie,

• Philosophie: Wahrnehmung

• Wirtschaft: Entscheidungs- und Spieltheorie

• Linguistik: Wissensrepräsentation

• Neurowissenschaften: Hirnfunktion

• Kontrolltheorie: Stabilität

Grundlagen der KI• Natürliche Sprachverarbeitung

• Wissensrepräsentation

• Automatisches Schlussfolgern

• Maschinelles Lernen

• Bildanalyse

• Robotik

• Planen,

• Autonome Agenten

• ...

Geschichte

Formale Repräsentation und Schlussfolgern

3. Jahrhundert v. Chr.

Mathe = Freitext

Satz 4 in Buch II aus Euklids Elementen

Wird eine Strecke in zwei geteilt, dann ist das Quadrat über der ganzen Strecke gleich den Quadraten über den Teilen und dem doppelten Rechteck, das die Teile ergeben, zusammen

http://www.opera-platonis.de/euklid/Buch2.pdf

9. JahrhundertMathe = Freitext

• al-Khwarizmi in Al-jabr wa'l muqabalah' (Wiederherstellung)

• What must be the amount of a square, which, when twenty-one dirhems are added to it, becomes equal to the equivalent of ten roots of that square?

• Solution: Halve the number of the roots; the moiety is five. Multiply this by itself; the product is twenty-five. Subtract from this the twenty-one which are connected with the square; the remainder is four. Extract its root; it is two. Subtract this from the moiety of the root, which is five; the remainder is three. This is the root of the square which you required, and the square is nine. Or you may add the root of the moiety of the roots; the sum is seven; this is the root of the square which you sought for, and the square itself is forty nine.

13. JahrhundertRamon Lulls Ars Magna

wikipedia.orgBCtB Ob die Güte groß ist, sofern sie Übereinstimmendes enthält

Kombinatorik zur systematischen Wahrheitsfindung

13. Jahrhundert

Fibonacci bringt arabische Zahlen nach Europa

15. Jahrhundert

• Wurzel: R214mR2180 (Frankreich)

• Minus/Plus: + - (Leipzig)

16. Jahrhundert

• Gleichheitszeichen (Wales)

• Umlaute für unbekannte/Konsonanten für bekannte Variablen (Frankreich)

• % (Flandern)

• <, >, x (England)

17. Jahrhundert

• Descarte “La geometrie” für uns lesbar

17. Jahrhundert

• Geburtsstunde der Künstlichen Intelligenz

• Leibniz’ Lingua Universalis und Calculus Raciocinator

Leibniz’ Numeri characteristici

Erstes Verfahren zum automatischen Schliessen...• Idee: Schlussfolgern = Primfaktorzerlegung

• Konzept = Zahl

• Grundkonzept = Primzahl

• Komplexe Konzepte = Multiplikation der Grundkonzepte

• Beispiel

• Tier=2, Rational=3, daher Mensch=2x3=6

• Wenn Affe=10 so gilt: Affe ungleich Mensch, weil weder 10/6 noch 6/10 aufgeht

• Um die Nützlichkeit seines Kalküls zu zeigen, nimmt er die charakteristischen Zahlen als gegeben an

Leibniz über seine ErfindungWenn Gott Eurer Hochfürstl. Durchlaucht noch den Gedanken eingäbe, mir lediglich zu bewilligen, daß die 1200 Taler, die festzusetzen Ihr die Güte hattet, zu einer Dauerrente würden, so wäre ich ebenso glücklich wie Raymund Lull, und vielleicht mit größerem Recht. [....]

Denn meine Erfindung umfasst den Gebrauch der gesamten Vernunft, einen Richter für alle Streitfälle, einen Erklärer der Begriffe, eine Waage für die Wahrscheinlichkeiten, einen Kompass, der uns über den Ozean der Erfahrungen leitet, ein Inventar der Dinge, eine Tabelle der Gedanken, ein Mikroskop zum Erforschen der vorliegenden Dinge, ein Teleskop zum Erraten der fernen, einen generellen Calculus, eine unschädliche Magie, eine nicht-chimärische Kabbala, eine Schrift, die jedermann in seiner Sprache liest; und sogar eine Sprache, die man in nur wenigen Wochen erlernen kann und die bald in der ganzen Welt Geltung haben wird. Und die überall, wo sie hinkommt, die wahre Religion mit sich bringt.“

Brief an Herzog Johann Friedrich von Braunschweig, April 1679. Aus Umberto Eco. Die Suche nach der vollkommenen Sprach. 1994

...und Umsetzung durch Rechner

19. Jahrhundert

Charles Babbage’s analytical engine

19. Jahrhundert

George Boole

Booles Algebra

• Kommutativgesetz: x+y=y+x xy=yx

• Assoziativgesetz: (x+y)+z = x+(y+z) (xy)z = x(yz)

• Neutrales Element : x+0=x x1=x

• Additives Inverse: x+(-x)=0

• Distributivgesetz: x(y+z) = xy+xz

Booles Algebra• Reine Tiere (r) sind genau die Tiere,

die geteilte Hufen haben (h) und wiederkäuen (w):

• Also: r = hw

• Können wir hieraus die Definition für Wiederkäuer ableiten?

• Division: w = r/h

• Entwicklung: w = 1/1 hr + 1/0 h(1-r) + 0/1 (1-h)r + 0/0 (1-h)(1-r) = hr + 1/0 h(1-r) + 0 (1-h)r + 0/0 (1-h)(1-r) = hr + + 0/0 (1-h)(1-r)

• Interpretation: Wiederkäuer w sind: reine Tiere, die geteilte Hufe haben (hr) sowie eine unbestimmte Menge (einige, keine, alle = 0/0) unreiner Tiere, welche keine geteilten Hufe haben (1-h)(1-r)

• Bemerkung: I=Universum, 0=Leere Klasse, 1/0 = keine Aussage

20. Jahrhundert

• Grenzen formaler Systeme

• Elektronische Rechner

• Debatte: Was ist Intelligenz?

ELIZA• Einfaches Dialogsystem von Joseph Weizenbaum, MIT, 1966

• Sollte Grenzen der KI zeigen

• Benutzer: „Ich habe ein Problem mit meinem Auto.“

• ELIZA: „Warum, sagen Sie, haben Sie ein Problem mit Ihrem Auto?“

• Benutzer: „Ich habe ein Problem mit meinem Vater.“

• ELIZA: „Erzählen Sie mir mehr über Ihre Familie!“

• Benutzer: „Krieg ist der Vater aller Dinge.“

• ELIZA: „Erzählen Sie mir mehr über Ihre Familie!“

Struktur des 1. Teils der Vorlesung

• Motivation

• Wissensgraphen

• Suche in Graphen

• Wissensrepräsentation

• Logik, Taxonomien und Ontologien

• Wissensakquise

• Entitätenerkennung

• Relationsextraktion

Motivation: Intelligente Suche

• Wo finde ich die Folien der Vorlesung?

• Wer ist der Präsident von Mexiko?

• Alle Fussballspieler, die als Torwart für einen Club mit einem Stadion mit mehr als 40.000 Sitzen gespielt haben und die in einem Land geboren wurden, das mehr als 10 Millionen Einwohner hat

27

Population: >80Mio

Born in Germany

Played in München >40.000

seats

• Wikipedia ist zum Teil strukturiert (Tabellen)

• DBpedia extrahiert Millionen von Fakten aus Tabellen

Sparql Anfrage auf DBpedia

• Fußballspieler SELECT DISTINCT ?player { ?s foaf:page ?player. ?s rdf:type <http://dbpedia.org/ontology/SoccerPlayer> .

• Torwart ?s dbpedia2:position ?position . Filter (?position = "Goalkeeper"@en || ?position = <http://dbpedia.org/resource/Goalkeeper_%28association_football%29> || ?position = <http://dbpedia.org/resource/Goalkeeper_%28football%29>)

• Club mit Stadion über 40.000 Sitze ?s <http://dbpedia.org/property/clubs> ?club . ?club <http://dbpedia.org/ontology/capacity> ?cap . Filter (xsd:int(?cap) >40000 ) .

• Geburtsland mit über 10 Mio Einwohnern ?s <http://dbpedia.org/ontology/birthPlace> ?place .?place ?population ?pop. Filter (?population in (<http://dbpedia.org/property/populationEstimate>, <http://dbpedia.org/property/populationCensus>, <http://dbpedia.org/property/statPop> )) Filter (xsd:int(?pop) >10000000 ) . } Limit 1000

• A recent best seller by Muriel Barbery is called ‘This of the Hedgehog‘ 

• Antwort IBM Watson: What is Elegance?

• Restaurants in London, in denen meine Freunde gegessen haben

• Auf welche Krankheit lassen Bluthochdruck (hypertension) und ein Nebennierengeschwür (adrenal mass) schliessen?

• GoPubMed weiss, dass Hypertension = High blood pressure ist und dass Cushing Syndrome eine Krankheit ist, die auch Hypercortisolism heisst

Grenzen

• Was ist der Sinn des Lebens?

Grundlage: Wissensnetze

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