用數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)構(gòu)建人工智能基礎(chǔ)

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領(lǐng)袖峰會暨《麻省理工科技評論》中國 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 頒獎典禮在紹興上虞舉行?！?5 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國榜單正式發(fā)布。

在現(xiàn)場，北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院秦曾昌教授通過主題演講，分享了在人工智能（AI）與計算思維的領(lǐng)域的一些探索和思考。

秦曾昌表示，人類的認知可以被近似看成是一種系統(tǒng)的信息處理過程，這個研究思路基本奠定了今天人工智能研究的基礎(chǔ)。

用數(shù)學(xué)和邏輯學(xué)構(gòu)建人工智能基礎(chǔ)

如果說物理學(xué)是通過數(shù)學(xué)方程式來解釋自然法則的科學(xué)，那么人工智能就是使用算法來解釋人類思維法則的科學(xué)。

秦曾昌指出，人類的認知可以近似被看成是一種信息處理系統(tǒng)，把人類信息處理的過程描述為可被計算的數(shù)學(xué)關(guān)系，這是現(xiàn)代人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)。

布爾代數(shù)是最早通過數(shù)學(xué)研究人類思維規(guī)律的嘗試，雖然在初期因為缺乏物理背景導(dǎo)致進展緩慢，但隨著研究的深入，布爾代數(shù)在數(shù)學(xué)、邏輯演算、集合論等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

1937 年，圖靈（計算機之父）在戰(zhàn)爭時期通過對于德軍密碼破譯的研究，開始深入地考慮如何通過有限的步驟來證明一個命題的真?zhèn)?。從而?gòu)建了 “圖靈機” 的思想模型，成為我們今天計算機的理論基礎(chǔ)。

后來由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以前被用于計算電路的繼電器漸漸用晶體管所替代。通過利用 0 和 1 的邏輯運算來實現(xiàn)算數(shù)運算，成為當今計算機發(fā)展的核心技術(shù)。

計算思維是人類解決問題的一種方式

值得注意的是，雖然目前計算機的運算能力已經(jīng)足夠強大，計算思維、編程思維也被教育界頻頻提起，但是計算思維并不等價于編程，它有更豐富的內(nèi)涵和外延。

“我們認為計算思維是人們用機器解決現(xiàn)實問題的思路和方法，而編程更像是解決這種問題的一種工具。你可以用筆手寫也可以用電腦打字，但是會打字或?qū)懽植⒉荒苷f明你是個有著豐富內(nèi)涵作家，但是如果你是個作家，你一定必須會寫字?！?秦曾昌說。

計算思維是人類通過計算解決問題的一種方式。尤其在面對復(fù)雜運算問題的時候，計算思維能極大提升解決問題的效率。同時，計算思維中的方法和模型拓展了人類的思維，可以預(yù)測未來的更多可能。

計算思維主要包含但并不局限于以下四個大部分：

分解：把一個復(fù)雜的問題或系統(tǒng)分解成更小、更容易處理的模塊。

模式識別：尋找問題之間和或數(shù)據(jù)背后潛在的規(guī)律。

抽象：現(xiàn)實問題的抽象化、數(shù)學(xué)化，忽略不相關(guān)的繁文縟節(jié)。

算法：為問題制定一個基于計算的解決方案，或解決問題所遵循的規(guī)則。

秦曾昌表示，“計算思維的過程，就是一個化繁為簡的過程。我們希望把復(fù)雜的問題分解成簡單的小問題，每個小問題單獨用一個模塊化的解決辦法單獨擊破，這是計算思維方式解決復(fù)雜問題的主要方法之一?！?/p>

與人類思維相比，計算思維更看得見摸得著。秦曾昌表示，用計算思維來解決問題的方式需要我們理解編程，在某些問題的處理方面，計算思維也具備優(yōu)于人類思維的能力：

遞歸和循環(huán)：以倫敦地鐵線路圖為例，選取地圖上任意兩個地點，從 A 點到 B 點有多少路徑，哪一條最省時間，哪一條換乘最少，這類問題特別適合用機器來解決，通過計算能力換取最佳路徑。

誤差修正（Error Correction）：計算思維是從預(yù)防、保護、遏制和錯誤糾正等環(huán)境中進行思考的。這就要求編程過程中的嚴謹性。

“我們在生活或者其他方面處理問題的時候總會遇到錯誤，但是編程的時候是不允許有任何錯誤的，任何一個符號都可以讓結(jié)果失之毫厘、謬以千里?！?秦曾昌表示。

秦曾昌稱，計算思維可以用來解決很多實際問題，以視覺為例，這也是人工智能領(lǐng)域的經(jīng)典問題。

人類的視覺實際上是有欺騙性的。某種程度上來講，人看到的視覺有時候還不如機器。

“計算思維就是將所有的圖片變成像素和矩陣，每一張圖都是高維空間里的點，我們通過學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的函數(shù)之后把這些點分開，這個就是今天機器學(xué)習(xí)或者人工智能主流的方法。”

人類處理問題的時候，都會受到視覺偏見的影響，但機器某種程度上會消除這種偏見。從這個角度來看，機器視覺的應(yīng)用包括人臉識別、掌紋、指紋識別等，是可以超過人類對此類問題處理的能力。

除此之外，計算思維還會在大數(shù)據(jù)、醫(yī)療、科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮作用，還有一些更復(fù)雜的領(lǐng)域可以用計算思維去描述。

“比如樹上的葉子，每個都形狀各異，雖然沒辦法用一個公式去描述它們，但是在 ‘人工生命’的研究領(lǐng)域，你可以通過算法把系數(shù)做一些調(diào)整，利用自動程序而生成了很多不同形狀的虛擬葉子?！鼻卦e例說道。

像生命科學(xué)這樣的領(lǐng)域包含了很多生物的復(fù)雜性，不是所有的東西都能用公式來定義。我們研究人工智能，就是讓機器通過模型和算法找到事物之間的聯(lián)系。“從這個角度來看，也許我們的世界就是一個被算法描述的世界，甚至連宇宙的形成也是某些算法起到的作用?！?秦曾昌總結(jié)道。

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