书名：人工智能:现代方法（第4版）（上下册）
ISBN：978-7-115-59810-3
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著 [美] 斯图尔特•罗素（Stuart Russell） 彼得•诺维格（Peter Norvig）
译 张博雅 陈坤 田超 顾卓尔 吴凡 赵申剑
责任编辑 杨海玲
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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本书全面、深入地探讨了人工智能（AI）领域的理论和实践，以统一的风格将当今流行的人工智能思想和术语融合到引起广泛关注的应用中，真正做到理论和实践相结合。全书分7个部分，共28章，理论部分介绍了人工智能研究的主要理论和方法并追溯了两千多年前的相关思想，内容主要包括逻辑、概率和连续数学，感知、推理、学习和行动，公平、信任、社会公益和安全；实践部分完美地践行了“现代”理念，实际应用选择当下热度较高的微电子设备、机器人行星探测器、拥有几十亿用户的在线服务、AlphaZero、人形机器人、自动驾驶、人工智能辅助医疗等。
本书适合作为高等院校人工智能相关专业本科生和研究生的教材，也可以作为相关领域专业人员的参考书。
Authorized translation from the English language edition, entitled ARTIFICIAL INTELLIGENCE: A MODERN APPROACH, 4th Edition by RUSSELL, STUART; NORVIG, PETER, published by Pearson Education, Inc, Copyright © 2021, 2010, 2003 by Pearson Education, Inc. or its affiliates.
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这是一本关于人工智能的百科全书，堪称人工智能教材的典范。本科时我曾在人工智能课上学过这本书的第3版。很多年过去了，深度学习给世界带来了惊喜，推动了自然语言处理、计算机视觉、机器人学的快速发展，也为社会带来了伦理、公平性和安全性的新挑战。我很欣喜地看到第4版引入了这些领域大量最新研究成果。如果你想了解人工智能的全貌，不要错过这本书。
阿斯顿·张（Aston Zhang）
亚马逊资深科学家
《动手学深度学习》作者、ICLR杰出论文奖
这是人工智能领域世界范围内最经典、最全面、最具影响力的教材，覆盖了人工智能领域所有重要子领域的核心问题、算法思想和现实应用。第4版加入了深度学习、多智能体系统、机器人、人工智能伦理等前沿领域的最新进展和挑战，更适合作为不同层次和领域的研究人员及学生的人工智能入门教材。
安波
新加坡南洋理工大学教授
这本书以智能体为主题思想，在统一的大框架下全面系统地阐述了人工智能的理论方法和技术。本书第4版内容丰富，资料翔实，理论结合实践，延续了作为人工智能领域国际经典教材的风范。同时，第4版也与时俱进，增加了包括深度学习在内的人工智能最新进展的内容，做到了经典与前沿并存，共展人工智能之魅力。
邓志鸿
北京大学智能学院教授
《人工智能：现代方法》是一本经典教材。“现代方法”选择从当下的角度讲述人工智能的故事，而贯穿全书的核心方法论是“智能体”。以计算机为载体的人工智能，揭开了机器智能大幕的一角，制造更复杂的机器，实现更强大的智能，机器智能将为科学研究创造无穷无尽的新对象。在这个意义上，智能是“科学的无尽疆域”，而人工智能这个“现代方法”，正是开疆拓土的动力之源。方法不止，智能无疆，“人工智能：现代方法”这个书名可以永远延续下去。
黄铁军
北京智源人工智能研究院院长
北京大学计算机学院教授
本书是享誉世界的人工智能经典教材，我在读博期间就学习过其第3版，内容全面翔实，介绍深入浅出，既是初学者理想的入门教材，也是人工智能从业者的案头参考书。很高兴这本书的第4版被译介到国内，新版增加了2010年以来深度学习等最新前沿技术动态，新章节的贡献者有朱迪亚·珀尔（Judea Pearl）和伊恩·古德费洛（Ian Goodfellow）等知名学者。期待这本新版教材更好地推动我国人工智能的发展。
刘知远
清华大学计算机科学与技术系长聘副教授
这是一本不可多得的全面介绍人工智能基本方法的教科书，自20世纪90年代中期出版以来，至今已经出版了4版，被全球很多大学作为教科书使用。本人曾经组织本组教师和学生翻译过这本书的第2版。本书最大的特点是系统性强，涉及人工智能的方方面面，是学习人工智能、全面了解人工智能的优秀教科书。
马少平
清华大学计算机科学与技术系教授
中国人工智能学会副监事长
中国中文信息学会副理事长
广义上讲，人类所发现的规律、提出的思想、发明的工具，都是人工智能的一部分，最终都是为了认识世界和改造世界。面对复杂的现实世界，人类智者长期苦苦探索，特别是第二次世界大战之后，产生了繁杂的规律、思想、工具。因此，对人类在人工智能方方面面的探索进行有效总结，形成百科全书式的教材，是一项非常必要且具有挑战性的工作。作者不仅需要深厚的学术素养，还需要宽广的学术视野，如果还有一流的文笔，那就更难得了。幸运的是，本书的作者，正是这样的学者。
毛先领
北京理工大学副教授
人工智能领域的特点是知识点散、前置知识多、技术迭代快，因此写一本全面深入的人工智能教材是一件很难的事。本书是人工智能领域的经典教材，全方位描述了人工智能的主要分支和技术方向，提供了人工智能领域的全景图。经过20多年的不断优化，目前本书已经是第4版。和第3版相比，本书增加了深度学习、人工智能伦理等近年来的热点研究内容，非常适合对人工智能技术感兴趣的读者阅读。强烈推荐！
邱锡鹏
复旦大学计算机科学技术学院教授
本书是在世界范围内广受欢迎的人工智能教材之一，其最鲜明的特点有二：第一，一卷在手，人工智能方方面面的主要知识被系统性地一网打尽，经典知识内容与前沿知识内容取舍剪裁别具匠心，深具章法，驾轻就熟，相得益彰，颇有一种“包藏人工智能宇宙之机，吞吐人工智能天地之志”的架势；第二，文字阐述深入浅出，言简意赅，旁征博引，详略得当，同时适合初学者以及在人工智能领域已有一定经验和造诣者这两大类人群阅读和学习，各取所需，甘之若饴。本书冠以人工智能的“现代方法”，可谓实至名归。特别是在以勃兴于2011年的深度学习模型为基本表征的人工智能走到山重水复、柳暗花明的当前形势下，其中的“现代”二字就显得更为重要。人们正呼唤着下一代人工智能新境界的到来。2022年10月，包括两位图灵奖得主约书亚·本吉奥（Yoshua Bengio）和杨立昆（Yann LeCun）在内的一批学者撰文提出了“具身图灵测试”的概念，强调机器系统与世界环境的具身交互研究是开拓下一代人工智能创新方法的关键要义，而这一点与本书从“智能体”的视角总揽全篇的前瞻性思路不谋而合。显然，深度学习远不能包打天下，复杂开放环境下智能任务的解决离不开多种理论、方法和技术手段在“具身智能”条件下的兼包并蓄、融会贯通，这就对人工智能研究者在知识结构体系上提出了更高的要求，而本书恰好具备能够满足这种要求缺一不可的广博性和深刻性。
孙茂松
清华大学计算机科学与技术系教授
清华大学人工智能研究院常务副院长
欧洲科学院外籍院士
在炒作和质疑声中，人工智能技术不断倔强而真实地成长。可以预见并且逐渐成为现实的是，智能化革命就如同当年的信息化革命一样，会给很多领域和行业带来革命性的变化。人工智能也从一门选修型前沿学科，逐渐演化成一门必修型基础学科。要了解人工智能，一本全面的人工智能教材必不可少，眼前的这本书出自名家，是一本享誉世界的经典教材，翻译质量也非常高。相信这本经典之作能带你踏入人工智能之门。
王斌
小米集团技术委员会主席、人工智能实验室主任
本书是人工智能的经典之作，覆盖启发式搜索、知识表示、统计机器学习、强化学习等模型和算法，为读者呈现领域全景图。人工智能涉及的知识门类广，而且各部分相对独立，作者凭借渊博的学识和对学科深入的理解，系统化编排各个知识点，提供了成体系的人工智能学习路径，实在是大师级的作品。更难能可贵的是，本书行文流畅、样例丰富，知识点还附带背景和拓展，作为课内外读物的阅读体验都很棒。
我个人与这本书也有很深的缘分。在学生时代，这是我学习人工智能的教材，带我入门。从教之后，我又以本书为教材讲授人工智能，反复翻看，常读常新。我从学生到老师，整个时间跨度超过十年，而这本书也出了新的版本。希望它可以陪伴更多读者探索人工智能的世界。
魏忠钰
复旦大学大数据学院长聘副教授
本书是继“西瓜书”和“花书”之后又一部大师之作。本书简称为AIMA，其历史其实更为久远，几乎可以认为是国际上关于人工智能的标准教材。两位作者斯图尔特·罗素和彼得·诺维格是打通学术和产业“任督二脉”的大师。相比于“花书”的作者，本书的两位作者可以被归类为“传统派”，他们认为机器智能并不一定要学习生物智能，机器可以通过更擅长的计算、更完美的数学模型以及大数据下的去模型化来实现智能。因此，在2009年出版第3版时，彼得·诺维格无法预测到近10年深度学习在诸多领域（特别是他擅长的自然语言处理、机器翻译）的快速进展，而作为强化学习的高手，斯图尔特·罗素也不会预想到深度强化学习在决策应用中的流光溢彩。第4版中融入了两位大师基于人工智能近10年最新进展的深度思考。同时，作者也是人工智能伦理和哲学的思想家，他们在最后一章中回答了人工智能未来走向和关乎人类命运的几乎所有问题。这是一本大部头的书，若能日拱一卒，势必功不唐捐。
吴甘沙
驭势科技董事长/CEO
这本书长期以来都是美国大部分知名大学人工智能课程的教科书，今天也已经被全世界1500多所大学采用为教材，其内容覆盖了到每一版出版时为止世界人工智能的主流技术和方法。说它权威，是因为这本书是几乎所有人工智能从业者的参考书，但凡人们对某些人工智能的概念发生争议时，就会以这本书的讲述为准。
这本书版本更新的过程与人工智能的发展过程是相一致的。通过这本书，读者不仅能够掌握与人工智能相关的理论和技术，还能把握人工智能发展的规律。因此，这是一本适合各类人群的专业好书。
吴军
人工智能专家、畅销书作家
人工智能与计算机技术几乎同时起步，但与计算机技术几乎线性的发展路径不同，人工智能的发展路径经历了几次大的转向，目前越来越依赖于数据科学和高性能计算机器的发展，因而知识和技术覆盖范围非常广泛。作为一本经典教材，本书提纲挈领，像百科全书一样涵盖了人工智能的大部分领域，每章几乎都对应了一个人工智能问题或技术分支，甚至可以单独成为一门课程。本书的特色是不纠缠于技术和工程细节，直击问题的本质和方法的底层逻辑，在帮助读者形成人工智能领域知识的整体大框架的基础上，增强读者对人工智能基础问题和技术方法的理解和进一步学习的能力。
肖睿
北大青鸟研究院院长
课工场创始人
这是一本教材，但不是传统意义上的教材，它用现代思想凸显人工智能及相关工作的发展脉络，用“智能体”贯穿全书知识点的诠释，各章内容自然衔接，易于理解与掌握。
这不仅是一本教材，还是一本“大”百科全书，它全方位探讨了人工智能领域的方方面面，涵盖了从基础知识、模型方法、工具技术、社会伦理到应用专题等各个层面，是一本人工智能的高级工具书。
这是一本面向人工智能大领域的“大”书，作者也是大学者，连译者都是大学者领衔的团队，堪称经典之作，非常值得初学者、从业者、教师及科研工作者等专业人员阅读。
俞勇
上海交通大学特聘教授
上海交通大学ACM班创始人
首批“国家高层次人才特殊支持计划”教学名师
人工智能是一个大领域，该书是一本“大”书，作者是大学者。该书全方位探究了人工智能这一领域，涵盖了从基础知识、模型方法、社会伦理到应用专题等各个层面。正如作者在前言中所提到的，本版中约25%的内容是全新的，剩下的75%也做了大量修改，以呈现出更加完整的人工智能领域图景，且本版中22%的参考文献是2010年以后发布的。此外，作者邀请了9位相关方向最有代表性的学者撰写了部分内容……此外，书中还讨论了人工智能面临的哲学、伦理和安全等社会问题。书中也蕴含了作者对人工智能的理解和思考，处处闪烁着思想的光辉，耐人回味……我本人在阅读时受到的启发良多，获益颇丰。
张志华
北京大学数学科学学院教授
本书可谓是一流学者撰写一流教材的典范，作者是国际人工智能领域知名专家、ACM/AAAI会士、曾获IJCAI卓越研究奖、AAAI费根鲍姆奖、AAAI/EAAI杰出教育家奖、ACM杰出教育家奖等荣誉，自1995年第1版出版以来，已被全球1500多所大学用作人工智能入门教科书。人民邮电出版社隆重推出第4版中文版，无疑是中文读者的福音。
周志华
南京大学计算机科学与技术系主任兼人工智能学院院长
ACM/AAAI会士
欧洲科学院外籍院士
斯图尔特·罗素教授和彼得·诺维格博士的《人工智能：现代方法》一书，是美国最为经典、最具权威性的大学教科书。说它经典，是因为这本书长期以来都是美国大部分知名大学人工智能课程的教科书，今天也已经被全世界1500多所大学采用为教材，其内容覆盖了到每一版出版时为止世界人工智能的主流技术和方法。说它权威，是因为这本书是几乎所有人工智能从业者的参考书，但凡人们对某些人工智能的概念发生争议时，就会以这本书的讲述为准。
2002年，我有幸成为诺维格博士的下属，先后在谷歌公司的搜索部门以及研究部门从事与机器学习相关的工作。诺维格博士是作为人工智能专家和科技管理者，被谷歌公司请来负责研发工作的。在我和他共事的十多年里，我们在研究工作中和私底下有很多交流。诺维格博士是一个卓有远见的管理者，也是一名基础极为扎实的技术专家。他并没有因为繁忙的管理工作而放松对新技术的学习和研究。
罗素教授是诺维格博士的同事和朋友，他一直活跃在人工智能学术研究的第一线，并曾经担任加利福尼亚大学伯克利分校计算机系主任。罗素教授的研究横跨人工智能的很多领域，包括机器学习、统计模型、知识表示、实时决策、计算机视觉，以及近年来比较热门的强化学习。
可以讲，这两位作者是近20年来世界人工智能领域最权威的学者，他们每过一段时间都会更新这本已经非常畅销的教科书，将最新的研究成果和理论方法增补进去。而我有幸见证了他们每一次版本升级的过程。
《人工智能：现代方法》的第1版出版于1995年，当时虽然已经有了基于数据的方法，但是从20世纪60年代到20世纪80年代，传统的人工智能方法依然在学术界占主导地位。因此本书第1版的主要内容只包含了这次出版的第4版的第二部分和第三部分，即智能问题的求解和有关知识表示与推理的部分。20世纪90年代其实是人工智能发展的转折点，传统的基于规则和推理的人工智能发展走到了今天，数据驱动的人工智能方法变得越来越重要。因此，在2003年，两位作者更新了这本书，加入了与统计有关的内容，即这次出版的第4版的第四部分和第五部分。在21世纪的前10年，人工智能中的机器学习、自然语言处理和计算机视觉三个领域发展迅猛，因此，几年后，诺维格和罗素决定再次更新升级这本书。在那几年里，诺维格博士和我们这些一线的研究人员有着密切的沟通和讨论，而罗素教授一直在伯克利教学和做科研，因此他们掌握着最新的人工智能发展动态。但是，由于当时他们都在各自的机构担任要职，非常繁忙，写书的事情一拖再拖。最后，诺维格博士为了专心写书，申请了三个月的学术休假，在远离喧嚣的加拉帕戈斯群岛专心写作。两位作者最终在2009年完成了本书的第3版，第3版加入了当时全世界最新的人工智能研究成果，并且构建了这本书今天的结构。
进入21世纪的第二个十年，人工智能的发展进入到一个黄金期。人工智能以大数据、深度学习、增强学习为基础方法，在很多领域取得了重大突破，不仅解决了众多科研问题，还将数据挖掘、计算机视觉、自然语言处理、机器人、机器学习等技术应用到了更广泛的领域。这期间，诺维格博士也不再承担谷歌公司的管理工作，他在大学里潜心教学，和罗素教授一道，把他们在课堂上所讲授的人工智能的前沿知识增加到现在的第4版中，同时他们在全书的第一部分和最后一部分加入了关于对人工智能历史和全貌的详细描述，以及他们对人工智能社会意义的理解。虽然从结构上看，第3版和第4版相差不大，但是第4版增加了大约四分之一的新内容，特别是与深度学习和强化学习有关的内容。同时，他们更新了之前版本中已有章节的部分内容，删除了一些过时的内容（主要是那些曾经使用过的，现在不再重要的人工智能方法和技术）。因此，可以讲目前这本书的第4版几乎涵盖了人工智能从业者需要了解的人工智能领域的所有基本内容。对比第1版，第4版的厚度几乎是它的两倍。
由于这是一本近千页的“巨著”，内容非常多，信息量极大，不同的读者在阅读这本书时可能需要采用不同的方式。第一类读者应该是正在从事人工智能研究的人，包括高校的研究生、教师和公司里的研究人员。我建议这一类读者从头到尾认真阅读每一章，如果有必要，还需要阅读其中一些参考文献，这样才能对人工智能有完整的、深刻的理解。第二类读者是大学的本科生。他们应该在任课老师的指导下系统阅读每一部分中的重点内容。相比较而言，从第四部分开始的内容更新也更重要，需要重点阅读，当然第一部分是对人工智能的全面描述，对每一个人了解这个领域大有裨益。第三类读者是已经对人工智能有了一定了解，在工作中需要用到人工智能技术的人，如公司里的工程师或者做研究的博士生。他们可以把这本书作为参考书阅读，用到哪一部分内容直接阅读即可。这本书的好处是，每一部分，甚至每一章都相对独立，跳过前面的内容不影响阅读后面的内容。当然，如果还有一些非计算机专业的读者对人工智能感兴趣，重点阅读第一部分和最后一部分就好了。如果这些读者依然有兴趣阅读全书也是没有问题的，因为这本书语言浅显易懂，逻辑性强，并不需要读者具有很强的技术背景，大家只要跟随作者的思路从每一章的开始阅读即可。如果遇到不懂的地方，可以直接跳过去。相比书中的一些公式和算法，更重要的是读懂书中的概念，并且了解每一种方法的来龙去脉。
《人工智能：现代方法》一书版本更新的过程与人工智能的发展过程是相一致的。通过这本书，读者不仅能够掌握与人工智能相关的理论和技术，还能把握人工智能发展的规律。因此，这是一本适合各类人群的专业好书。
吴军
2022年11月于巴尔的摩
《人工智能：现代方法》是一本经典教材。我和作者斯图尔特·罗素教授相识，和译者团队的张志华教授相熟，特别高兴为最新中文版写几句话。
书名中的“现代方法”，罗素教授的标准解释是“选择从当下的角度讲述人工智能的故事”。从初版到现在的第4版，确实如此。比如，这一版的第五部分“机器学习”就重点介绍了过去十年的热点，特别是深度学习和强化学习，如果再加上第六部分“沟通、感知和行动”中的自然语言处理、计算机视觉和机器人学，这两部分似乎就是“现代”人工智能的全部，为什么还要前面四个部分呢？
要回答这个问题，需要对“现代方法”做另一个层次的解读，这关乎人工智能这门学科的性质。
我认为，人工智能首先是一门技术，和计算机、互联网等技术类似，不同于物理学和生命科学那样的科学。科学是寻求事物和现象背后的规律，例如揭示宇宙奥秘的万有引力定律、相对论和量子力学，揭示生命奥秘的进化论和基因。技术是创造新事物和新现象，例如以指南针为代表的中国四大发明，以飞机和计算机为代表的现代技术。
技术发明和科学发现是两种独立的原始创新活动，把科学视为技术的基础，这是偏见。有些技术确实是基于既有科学原理，例如原子弹是核物理发展到一定阶段的产物，但原理只提供了可能性，没有链式反应和内爆技术等一系列技术发明，原子弹不会成为必然。有些技术并不基于科学原理，例如计算机的基础是图灵可计算理论，这是“人工”理论。更多技术在发明时并不明白背后的原理，例如指南针发明时并无电磁学，飞机发明时并无空气动力学。人工智能也一样，深度学习成功应用后，可解释性成为热点，至今理论还在探索中。如果没有深度学习的发明和实践，可解释性理论又从何而来呢？
人工智能研究是应该寻求理论基础，还是应该探索实现更强智能的新方法？两者都该做，但后者是主旋律：先有方法和实现，后有理论解释，先有智能技术，后有智能科学，如此迭代发展。智能技术无止境，智能科学也无止境，可以有解释现有人工智能的专门理论，没有指导未来人工智能的通用理论。
经典人工智能时代，我国的最大贡献是机器定理证明的“吴方法”。吴方法提出前一年，吴文俊院士曾撰文指出：“西方数学史家往往以希腊式的严密推理相标榜，并以中国数学从来没有达到演绎科学的形式相指责。然而, 我们已经看到, 在微积分的发明上希腊形式的那种脆弱性以及与之相较中国式数学的生命力。”后来，他更明确地指出：“它（中国数学）重视计算，是计算性，构造性，也是算法性的。大部分的重要结果都以‘术’的形式表示，而‘术’通常相当于现代的算法。”算法不是数学推理，而是人构造问题解决方案，就是方法。
从探索实现智能的方法论角度看这本书，就容易看出“大而有序”：第二部分“问题求解”是人在设计搜索、博弈和约束满足问题的解决方案；第三部分“知识、推理和规划”是人定义逻辑推理、人整理知识以及人设计的“自动规划”；第四部分“不确定知识和不确定推理”引入了不确定性和概率方法，以实现更强智能，但所有智能仍然是人设计决定的；第五部分“机器学习”，人类后退一步，只设计学习方法，让机器自己“学习”，特别是强化学习，只定义基本规则，智能主要来自与环境的交互，智能实现重大跃升。然而，深度学习和强化学习虽然更强大，但学到的知识是隐式的，获得的智能不可解释，要打开机器学习的“黑盒”，还需要前四部分的传统方法，当然也可能需要探索全新方法。就此而言，没有比“现代方法”更好的词来概括这本书了。
贯穿全书的核心方法论是“智能体”。罗素教授把人工智能定义为“对从环境中接受感知并执行行动的智能体的研究”。这个概念稍加扩展，就既能概括以机器为载体的人工智能，也能概括以有机体为载体的生物智能——生物就是感知环境并适应环境的有机智能体。更一般地，我认为“智能是系统通过获取和加工信息而获得的一种能力，从而实现从简单到复杂的演化”，这当然也同时涵盖了生物智能和机器智能。
在自然界已知的事物和现象中，人和人脑是最复杂的系统，人类智能是最复杂的现象，因此，脑科学被视为“自然科学的最后疆域”。然而，没有理由相信，人类是生物进化的最后阶段，人类智能是最高水平的智能，有机体是智能的唯一载体。以计算机为载体的人工智能，揭开了机器智能大幕的一角，制造更复杂的机器，实现更强大的智能，机器智能将为科学研究创造无穷无尽的新对象。在这个意义上，智能是“科学的无尽疆域”，而人工智能这个“现代方法”，正是开疆拓土的动力之源。
方法不止，智能无疆，“人工智能：现代方法”这个书名可以永远延续下去。
黄铁军
2022年10月15日
深度学习是机器学习最前沿的领域，它促进了人工智能技术产生了革命性进展，特别是给计算机视觉、语音识别、自然语言处理、棋牌游戏以及某些科学领域带来了颠覆性的突破。深度学习同时驱动了新的机器学习范式产生，比如生成对抗学习、元学习等；并使强化学习和因果学习得以“复兴”，展示更为强大的潜力。斯图尔特·罗素（Stuart Russell）和彼得·诺维格（Peter Norvig）两位教授的这本书在这一背景下于2021年年初出版正应其时。
人工智能是一个大领域，该书是一本“大”书，作者是大学者。该书全方位探究了人工智能这一领域，涵盖了从基础知识、模型方法、社会伦理到应用专题等各个层面。正如作者在前言中所提到的，本版中约25%的内容是全新的，剩下的75%也做了大量修改，以呈现出更加完整的人工智能领域图景，且本版中22%的参考文献是2010年以后发布的。此外，作者邀请了9位相关方向最有代表性的学者撰写了部分内容。本书主要包括5方面的内容：问题求解的搜索方法，基于知识的推理和规划方法（逻辑和知识表示），知识和推理中的不确定性（概率推理、概率编程和多智能体决策），机器学习（概率方法、深度学习和强化学习），应用专题（自然语言处理、计算机视觉和机器人学）。此外，书中还讨论了人工智能面临的哲学、伦理和安全等社会问题。书中也蕴含了作者对人工智能的理解和思考，处处闪烁着思想的光辉，耐人回味。比如，本版的封面展示了人工智能各个发展阶段的部分重要事件和人物，体现了作者的别具匠心。第1章关于人工智能的思想、历史发展等的论述深刻、透彻和精辟。第28章讨论某些具有前瞻性的想法和方向。我本人在阅读时受到的启发良多，获益颇丰。
“南朝四百八十寺，多少楼台烟雨中。”人工智能试图模拟人类的行为和思维，是一个最富有期待和遐想的学科，其发展波澜壮阔、起伏跌宕。她经历了热情高涨和期望无限的早期（1952—1969），通用搜索机制局限所导致的回落期（1966—1973），以专家系统为代表的基于规则学习的崛起期（1969—1986），神经网络联结主义的回归期（1986—1995），统计机器学习的复兴期（1995—现在），以及大数据驱动的深度学习的突破期（2006—现在）。[1]人工智能从哲学、数学、经济学、神经科学、心理学、计算机科学、控制科学、语言学等诸多学科中汲取思想、观点和技术，滋养并发展自身。机器学习试图从数据或经验中学习进而提升机器的能力或性能，这不同于人工智能，但她是目前趋向人工智能的一个最重要或有效的途径。
[1] 列举的人工智能发展的各个阶段非严格划分，之间或有重叠。
人工智能是思想发轫、观点争鸣、技术创新的汇集地,是学术英雄辈出的荟萃地。人工智能的发展历程告诉我们：发展人工智能技术需要高度的想象力、创造力和执行力，需要务实、理性、严谨的求是态度。人工智能未来仍会经历波折，各种潮流、观点也会纷争喧嚣，但沉淀下来的是隽永的思想。
我非常感谢人民邮电出版社杨海玲编辑的信任，邀请我的学生来承担该书的中文翻译。译稿的初稿是由我的博士生张博雅、陈坤，已毕业的硕士田超、吴凡和赵申剑，以及博士后顾卓尔完成的。博雅和陈坤对全书译稿进行了统一审校，我的其他在读博士生也参与了相关章节的审校。他们的背景分别是统计学、数据科学和计算机科学，这有益于他们合作翻译该书。然而他们在人工智能领域仍都是新人，知识结构还不全面，但是他们勤于学习、执行力极强、工作专注。在半年左右的时间内完成了译著的初稿，之后又经过自校对、交叉校对等环节力图使译著保持正确性和一致性。我为他们的责任心和独立工作能力感到自豪。
由于我们深感自己的中英文能力都有限，译文还是比较生涩，难免出现不当之处，而且我们特别担心未能完整地传达出原作者的真实思想和观点。因此，我们强烈地建议有条件的读者去阅读英文原著，也非常期待大家继续指正译著，以便今后进一步修订完善。我恳请读者多给予译者以鼓励。请把你们的批评留给我，这是我作为他们的导师必须要承担的。
最后，我希望我的学生们能享受其翻译过程，翻译和阅读这么一部大书得以领略艾伦·图灵、冯·诺依曼、诺伯特·维纳、理查德·贝尔曼、库尔特·哥德尔、约翰·麦卡锡、马文·明斯基、唐纳德·米奇、爱德华·费根鲍姆、艾伦·纽厄尔、赫伯特·西蒙等在人工智能领域中的工作，感悟他们的思想、领略他们的智慧，何其美哉！我们当谦卑再谦卑，勤奋更勤奋。是以代写此序为勉！
张志华
2022年9月12日
首先，我们要感谢原作者在本书翻译时给予我们的帮助，感谢人民邮电出版社对我们的信任和支持。
这是一本“大”书，涵盖了人工智能的广泛领域。我们几位译者来自不同专业，能力有限且工作量巨大。在翻译过程中，许多老师和同学给予我们很大的帮助。在此我们一一列出，以表示我们衷心的感谢！
特别感谢韩燮教授审校了全书的第三部分（第7章～第11章）。赵融和郭新东同学审校了第26章。
我们实验室的其他同学帮助我们进行了校对：陈雨静（第1章和第2章），崔圣宇（第3章部分），罗维俭（第3章部分和第4章），彭洋（第5章和第6章），韩雨泽（第12章），张宇航（第13章），梁家栋（第14章），谢广增（第15章），王迩东（第16章），李翔（第17章），金昊（第18章），谢楚焓（第20章），林大超（第21章），杨文昊（第22章），程昊（第23章和第24章），胡一征（第25章），林诗韵、赵悦楷和张良宇（第27章和第28章）。我们还要感谢邓辉、范欢动、李威、秦钢、王晓雷、魏太云、肖睿、姚远和张淞等专家进行了专业性审读。
他们对译文中的专业术语、中文语句、算法、公式以及原文中可能存在的问题等提出了很多宝贵的修改意见，增强了译文的准确性和可读性。当然，现在的译文仍存在一些没有及时发现的问题，因此修订工作仍将继续。我们恳请读者能提供反馈，以便我们在后续版本中修正问题。
此外，我们还要感谢刘艳云老师，感谢她帮助我们与出版社沟通交流，处理相关事务。
最后，感谢我们的导师张志华教授，感谢老师在翻译过程中的指导和对译文的审校。
张博雅（北京大学前沿交叉学科研究院）
陈坤（北京大学数学科学学院）
2022年9月15日
人工智能（artificial intelligence，AI）是一个大领域，本书也是一本“大”书。我们试图全方位探索这一领域。书中内容涵盖逻辑、概率和连续数学，感知、推理、学习和行动，以及公平、信任、社会公益和安全，应用范围从微电子设备到机器人行星探测器，再到拥有几十亿用户的在线服务。
本书的副书名是“现代方法”。这意味着我们选择从当下的角度讲述人工智能的故事。我们使用当今流行的思想和术语重新构建早期的工作，将现有已知的内容融合到统一的框架中。对那些因为研究领域不是本书所及而没有受到本书重视的人，我们深表歉意。
第4版反映了自2010年第3版面世以来人工智能领域发生的下列变化。
● 由于数据、计算资源和新算法的可用性增强，我们更关注机器学习而不是人工设计的知识工程。
● 我们增加了专门的章节介绍深度学习、概率编程和多智能体系统的相关内容。
● 我们修订了自然语言理解、机器人学和计算机视觉的内容，以反映深度学习的影响。
● 我们在第26章“机器人学”中包括了与人类互动的机器人以及强化学习在机器人学中的应用。
● 之前，我们将人工智能的目的定义为创建一些试图最大化期望效用的系统，其中具体效用信息——目标——由系统的人类设计师提供。现在我们不再假设目标是固定的，也不再假设人工智能系统知道目标，相反，人工智能系统可能不确定人类的真正目标。它必须学习到要最大化的内容，必须在不确定目标的情况下也能适当地发挥作用。
● 我们增加了人工智能对社会影响的相关内容，包括道德、公平、信任和安全等重要问题。
● 我们把习题从每章末尾移到了网站。这让我们能够不断添加、更新和改进习题，以满足教师的需求并反映这一领域和人工智能相关软件工具的进展。
● 书中约25%的内容是全新的，剩下的75%也做了大量修改，以呈现出更加统一的人工智能领域图景。本版中22%的参考文献是2010年以后发布的。
智能体（intelligent agent）的概念是贯穿整本书的主题思想。我们将人工智能定义为对从环境中接收感知并执行动作的智能体的研究。每个这样的智能体都要实现一个将感知序列映射为动作的函数，我们介绍了表示这些函数的不同方法，如反应型智能体、实时规划器、决策论系统和深度学习系统。我们强调，学习既是构造良好系统的方法，也是将设计者的影响范围扩展到未知环境的方法。我们没有把机器人学和视觉看作独立定义的问题，而是将其看作实现目标的服务。我们强调任务环境在确定合适的智能体设计中的重要性。
我们的主要目标是传达在过去70多年的人工智能研究和过去2000多年的相关工作中涌现出来的思想。在表达这些思想时，我们在保持准确性的前提下尽量避免过于拘泥于形式。书中提供了数学公式和伪代码算法，让关键思想具体化；附录A中给出了数学概念和符号，附录B中给出了伪代码。
本书主要用作本科人工智能课程或课程序列的教科书。全书共28章，每章大约需要一周的课时，因此完成整本书的教学需要两个学期。如果课程只有一个学期，可以按教师和学生的兴趣选择部分章节进行教学。本书也可用于研究生课程（可能需要增加参考文献中建议的一些主要资料），或者用于自学或作为参考书。
在本书中，定义了新术语的地方都会以灰色粗体显示，术语的后续重要用法也以黑色粗体显示。
阅读本书唯一的先修要求是对计算机科学基本概念（算法、数据结构、复杂性）的熟悉程度达到大学二年级的水平。大学一年级的微积分和线性代数知识对一些主题的阅读很有帮助。
在线资源可通过培生教育集团的官方网站或本书的配套网站获得。本书的配套网站上有以下内容。
● 习题、编程项目和研究项目。这些不再放在每章末尾，只在网站提供。在本书中，我们将使用“习题6.NARY”之类的名称引用在线习题。网站的说明允许读者按名称或主题查找习题。
● 使用Python、Java和其他编程语言实现的本书中的算法（目前托管在GitHub上）。
● 1500多所使用过本书的学校名单，其中许多都附有在线课程材料和教学大纲的链接。
● 供学生和教师使用的补充材料及其链接。
● 书中可能存在的错误以及关于如何报告书中错误的说明。
封面描绘了加里·卡斯帕罗夫（Garry Kasparov）与IBM的“深蓝”（Deep Blue）计算机在1997年国际象棋对抗赛中第六盘决胜局的最终局面。在这场比赛中，“深蓝”击败了卡斯帕罗夫（执黑棋），这是计算机首次在国际象棋比赛中战胜人类世界冠军。卡斯帕罗夫位于封面顶部，他的右边是前世界冠军李世石和DeepMind的AlphaGo进行历史性围棋比赛的第二局的关键局面。AlphaGo的第37手违背了几个世纪以来的围棋正统观念，人类专家认为这是一个令人尴尬的错误，但结果证明这一走法是正确的。封面上，左上角是由波士顿动力公司制造的Atlas人形机器人，埃达·洛芙莱斯（Ada Lovelace，世界上第一位计算机程序员）和艾伦·图灵（Alan Turing，他的基础工作定义了人工智能）之间的是自动驾驶汽车感知环境的画面，棋盘底部是火星探测漫游者机器人和逻辑学研究先驱亚里士多德的雕像，英文书名背后是亚里士多德的《论动物的运动》（De Motu Animalium）中的规划算法，棋盘面上的文字是联合国全面禁止核试验条约组织（UN Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization）使用的用于从地震信号中检测核爆炸的概率编程模型。
制作一本书需要无数人的帮助。600多人阅读了本书的部分内容，并提出了改进意见。我们感谢他们所有人。在这里，我们只列出几位特别重要的贡献者。首先是撰稿人：
● 朱迪亚·珀尔（Judea Pearl）（13.5节）；
● 维卡什·曼辛卡（Vikash Mansinghka）（15.4节）；
● 迈克尔·伍尔德里奇（Michael Wooldridge）（第18章）；
● 伊恩·古德费洛（Ian Goodfellow）（第21章）；
● 雅各布·德夫林（Jacob Devlin）和张明伟（Ming-Wei Chang）（第24章）；
● 吉滕德拉·马利克（Jitendra Malik）和戴维·福赛思（David Forsyth）（第25章）；
● 安卡·德拉甘（Anca Dragan）（第26章）。
然后是本书出版过程中的关键角色：
● 辛西娅·杨（Cynthia Yeung）和玛莉卡·坎托（Malika Cantor）（项目管理）；
● 朱莉·萨斯曼（Julie Sussman）和汤姆·加洛韦（Tom Galloway）（文字加工和写作建议）；
● 奥马里·斯蒂芬斯（Omari Stephens）（插图）；
● 特蕾西·约翰逊（Tracy Johnson）（编辑）；
● 埃琳·奥尔特（Erin Ault）和罗丝·克南（Rose Kernan）（封面设计和颜色转换）；
● 纳林·奇伯（Nalin Chhibber）、萨姆·戈托（Sam Goto）、雷蒙·拉卡兹（Raymond de Lacaze）、拉维·莫汉（Ravi Mohan）、夏兰·奥赖利（Ciaran O’Reilly）、阿米特·帕特尔（Amit Patel）、德拉戈米尔·拉迪夫（Dragomir Radiv）和萨马格拉·夏尔马（Samagra Sharma）（在线代码开发和指导）；
● Google Summer of Code students（在线代码开发）。
斯图尔特想要感谢他的妻子洛伊·谢弗洛特（Loy Sheflott），感谢她无尽的耐心和无限的智慧。他希望戈登（Gordon）、露西（Lucy）、乔治（George）和艾萨克（Isaac）能很快读到本书，并原谅他在本书上花了这么长时间。感谢RUGS（Russell’s Unusual Group of Students）一如既往地提供了非同寻常的帮助。
彼得想要感谢他的父母托尔斯滕（Torsten）和格尔达（Gerda）让他迈出第一步，感谢他的妻子克丽丝（Kris）、孩子伊莎贝拉（Isabella）和朱丽叶（Juliet）、同事、老板以及朋友在他漫长的写作和修改过程中鼓励和包容他。
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在本章中，我们将解释为什么我们认为人工智能是一个最值得研究的课题，并试图定义人工智能究竟是什么。这是开启人工智能学习之旅之前不错的准备。
我们称自己为智人（有智慧的人），因为智能（intelligence）对我们来说尤其重要。几千年来，我们一直试图理解我们是如何思考和行动的，也就是不断地了解我们的大脑是如何凭借它那小部分物质去感知、理解、预测并操纵一个远比其自身更大更复杂的世界。人工智能（artificial intelligence，AI）领域不仅涉及理解，还涉及构建智能实体。这些智能实体机器需要在各种各样新奇的情况下，计算如何有效和安全地行动。
人工智能经常被各种调查列为最有趣、发展最快的领域之一，现在每年创造的价值超过一万亿美元。人工智能专家李开复预测称，人工智能对世界的影响“将超过人类历史上的任何事物”。此外，人工智能的研究前沿仍是开放的。学习较古老科学（如物理学）的学生可能会认为最好的想法都已经被伽利略、牛顿、居里夫人、爱因斯坦等人发现了，但当下人工智能仍然为专业人员提供了许多机会。
目前，人工智能包含大量不同的子领域，从学习、推理、感知等通用领域到下棋、证明数学定理、写诗、驾车或诊断疾病等特定领域。人工智能可以与任何智能任务产生联系，是真正普遍存在的领域。
我们声称人工智能很有趣，但是我们还没有描述它是什么。历史上研究人员研究过几种不同版本的人工智能。有些根据对人类行为的复刻来定义智能，而另一些更喜欢用“理性”（rationality）来抽象正式地定义智能，直观上的理解是做“正确的事情”。智能主题的本身也各不相同：一些人将智能视为内部思维过程和推理的属性，而另一些人则关注智能的外部特征，也就是智能行为。[1]
[1] 公众有时会将“人工智能”和“机器学习”这两个术语混淆。机器学习是人工智能的子领域，研究基于经验提升表现的能力。有些人工智能系统使用机器学习方法来获得能力，有些则不然。
从人与理性[2]以及思想与行为这两个维度来看，有4种可能的组合，而且这4种组合都有其追随者和相应的研究项目。他们所使用的方法必然是不同的：追求类人智能必须在某种程度上是与心理学相关的经验科学，包括对真实人类行为和思维过程的观察和假设；而理性主义方法涉及数学和工程的结合，并与统计学、控制理论和经济学相联系。各个研究团体既互相轻视又互相帮助。接下来，让我们更细致地探讨这4种方法。
[2] 我们并不是在暗示人类是“非理性的”，不是像字典上所说的“被剥夺了正常的心智清晰度”。我们只是承认人类的决策在数学上并不总是完美的。
图灵测试（Turing test）是由艾伦·图灵（Alan Turing）提出的（Turing, 1950），它被设计成一个思维实验，用以回避“机器能思考吗？”这个哲学上模糊的问题。如果人类提问者在提出一些书面问题后无法分辨书面回答是来自人还是来自计算机，那么计算机就能通过测试。在第27章中，我们会讨论图灵测试的细节，以及一台通过图灵测试的计算机是否真的具备智能。目前，为计算机编程使其能够通过严格的应用测试尚有大量工作要做。计算机需要具备下列能力：
● 自然语言处理（natural language processing），以使用人类语言成功地交流；
● 知识表示（knowledge representation），以存储它所知道或听到的内容；
● 自动推理（automated reasoning），以回答问题并得出新的结论；
● 机器学习（machine learning），以适应新的环境，并检测和推断模式。
图灵认为，没有必要对人进行物理模拟来证明智能。然而，其他研究人员提出了完全图灵测试（total Turing test），该测试需要与真实世界中的对象和人进行交互。为了通过完全图灵测试，机器人还需要具备下列能力：
● 计算机视觉（computer vision）和语音识别功能，以感知世界；
● 机器人学（robotics），以操纵对象并行动。
以上6个学科构成了人工智能的大部分内容。然而，人工智能研究人员很少把精力用在通过图灵测试上，他们认为研究智能的基本原理更为重要。当工程师和发明家停止模仿鸟类，转而使用风洞并学习空气动力学时，对“人工飞行”的探索取得了成功。航空工程学著作并未将其领域的目标定义为制造“能像鸽子一样飞行，甚至可以骗过其他真鸽子的机器”。
我们必须知道人类是如何思考的，才能说程序像人类一样思考。我们可以通过3种方式了解人类的思维：
● 内省（introspection）——试图在自己进行思维活动时捕获思维；
● 心理实验（psychological experiment）——观察一个人的行为；
● 大脑成像（brain imaging）——观察大脑的活动。
一旦我们有了足够精确的心智理论，就有可能把这个理论表达为计算机程序。如果程序的输入/输出行为与相应的人类行为相匹配，那就表明程序的某些机制也可能在人类中存在。
例如，开发通用问题求解器（General Problem Solver，GPS）的艾伦·纽厄尔（Alan Newell）和赫伯特·西蒙（Herbert Simon）并不仅仅满足于让他们的程序正确地求解问题，他们更关心的是将推理步骤的顺序和时机与求解相同问题的人类测试者进行比较（Newell and Simon, 1961）。认知科学（cognitive science）这一跨学科领域汇集了人工智能的计算机模型和心理学的实验技术，用以构建精确且可测试的人类心智理论。
认知科学本身是一个引人入胜的领域，值得用多本教科书和至少一部百科全书（Wilson and Keil, 1999）来介绍。我们会偶尔评论人工智能技术和人类认知之间的异同，但真正的认知科学必须建立在对人类或动物实验研究的基础上。这里，我们假设读者只有一台可以做实验的计算机，因此我们将把这方面的内容留给其他书籍。
在人工智能发展的早期，这两种方法经常会混淆。有作者认为，如果算法在某个任务中表现良好，就会是建模人类表现的良好模型，反之亦然。而现代作者将这两种主张分开，这种区分使人工智能和认知科学都得到了更快的发展。这两个领域相互促进，值得一提的是计算机视觉领域，它将神经生理学证据整合到了计算模型中。最近，将神经影像学方法与分析数据的机器学习技术相结合，开启了“读心”能力（查明人类内心思想的语义内容）的研究。这种能力反过来可以进一步揭示人类认知的运作方式。
希腊哲学家亚里士多德是最早试图法则化“正确思维”的人之一，他将其定义为无可辩驳的推理过程。他的三段论（syllogism）为论证结构提供了模式，当给出正确的前提时，总能得出正确的结论。举个经典的例子，当给出前提苏格拉底是人和所有人都是凡人时，可以得出结论苏格拉底是凡人。［这个例子可能是塞克斯都·恩披里柯（Sextus Empiricus）提出的而不是亚里士多德提出的。］这些思维法则被认为支配着思想的运作，他们的研究开创了一个称为逻辑（logic）的领域。
19世纪的逻辑学家建立了一套精确的符号系统，用于描述世界上物体及其之间的关系。这与普通算术表示系统形成对比，后者只提供关于数的描述。到1965年，任何用逻辑符号描述的可解问题在原则上都可以用程序求解。人工智能中所谓的逻辑主义（logicism）传统希望在此类程序的基础上创建智能系统。
按照常规的理解，逻辑要求关于世界的认知是确定的，而实际上这很难实现。例如，我们对政治或战争规则的了解远不如对国际象棋或算术规则的了解。概率（probability）论填补了这一鸿沟，允许我们在掌握不确定信息的情况下进行严格的推理。原则上，它允许我们构建全面的理性思维模型，从原始的感知到对世界运作方式的理解，再到对未来的预测。它无法做到的是形成智能行为。为此，我们还需要关于理性行为的理论，仅靠理性思考是不够的。
智能体（agent）就是某种能够采取行动的东西（agent来自拉丁语agere，意为“做”）。当然，所有计算机程序都可以完成一些任务，但我们期望计算机智能体能够完成更多的任务：自主运行、感知环境、长期持续存在、适应变化以及制定和实现目标。理性智能体（rational agent）需要为取得最佳结果或在存在不确定性时取得最佳期望结果而采取行动。
基于人工智能的“思维法则”方法重视正确的推断。做出正确的推断有时是理性智能体的一部分，因为采取理性行为的一种方式是推断出某个给定的行为是最优的，然后根据这个结论采取行动。但是，理性行为的有些方式并不能说与推断有关。例如，从火炉前退缩是一种反射作用，这通常比经过深思熟虑后采取的较慢的动作更为成功。
通过图灵测试所需的所有技能也使智能体得以采取理性行为。知识表示和推理能让智能体做出较好的决策。我们需要具备生成易于理解的自然语言句子的能力，以便在复杂的社会中生存。我们需要学习不仅是为了博学多才，也是为了提升我们产生高效行为的能力，尤其是在新环境下，这种能力更加重要。
与其他方法相比，基于人工智能的理性智能体方法有两个优点。首先，它比“思维法则”方法更普适，因为正确的推断只是实现理性的几种可能机制之一。其次，它更适合科学发展。理性的标准在数学上是明确定义且完全普适的。我们经常可以从这个标准规范中得出可以被证明能够实现的智能体设计，而把模仿人类行为或思维过程作为目标的设计在很大程度上是不可能的。
由于上述这些原因，在人工智能领域的大部分历史中，基于理性智能体的方法都占据了上风。在最初的几十年里，理性智能体建立在逻辑的基础上，并为了实现特定目标制定了明确的规划。后来，基于概率论和机器学习的方法可以使智能体在不确定性下做出决策，以获得最佳期望结果。简而言之，人工智能专注于研究和构建做正确的事情的智能体，其中正确的事情是我们提供给智能体的目标定义。这种通用范式非常普遍，以至于我们可以称之为标准模型（standard model）。它不仅适用于人工智能，也适用于其他领域。控制理论中，控制器使代价函数最小化；运筹学中，策略使奖励的总和最大化；统计学中，决策规则使损失函数最小；经济学中，决策者追求效用或某种意义的社会福利最大化。
然而在复杂的环境中，完美理性（总是采取精确的最优动作）是不可行的，它的计算代价太高了，因此需要对标准模型做一些重要的改进。第5章和第17章会探讨有限理性（limited rationality）的问题，也就是在没有足够时间进行所有可能的计算的情况下，适当地采取行动。但是，完美理性仍然是理论分析的良好出发点。
[3] 根据beneficial insect的翻译“益虫”，将beneficial machine翻译成“益机”。——译者注
自标准模型被提出以来，其一直是人工智能研究的指南，但从长远来看，它可能不是一个正确的模型，原因是标准模型假设我们总是为机器提供完全指定的目标。
人为定义的任务，如国际象棋或最短路径计算之类的，都附带固有的目标，因此标准模型是适用的。然而，在真实世界中，我们越来越难以完全正确地指定目标。例如，在设计自动驾驶汽车时，我们可能会认为目标是安全到达目的地。但是，由于存在其他司机失误、设备故障等原因，在任何道路上行驶都有可能受伤，因此，严格的安全目标是要求待在车库里而不要上路驾驶。向目的地前进和承担受伤风险是需要权衡的，应该如何进行这种权衡？此外，我们能在多大程度上允许汽车采取会惹恼其他司机的行动？汽车应该在多大程度上调控其加速、转向和刹车动作，以避免摇晃乘客？这类问题很难预先回答。在人机交互的整个领域，这些问题尤其严重，自动驾驶只是其中一个例子。
在我们的真实需求和施加给机器的目标之间达成一致的问题称为价值对齐问题（value alignment problem），即施加给机器的价值或目标必须与人类的一致。如果我们在实验室或模拟器中开发人工智能系统（就像该领域的大多数历史案例一样），就可以轻松地解决目标指定不正确的问题：重置系统、修复目标然后重试。随着人工智能的发展，越来越强大的智能系统需要部署在真实世界中，这种方法不再可行。部署了错误目标的系统将会导致负面影响，而且，系统越智能，其负面影响就越严重。
回想看似没有问题的国际象棋案例，想象一下，如果机器足够智能，可以推断并采取超出棋盘限制的动作，会发生什么。例如，它可能试图通过催眠或勒索对手，或贿赂观众在对手思考时发出噪声等手段来增加获胜的机会。[4]它也可能会为自己劫持额外的计算能力。这些行为不是“愚蠢”或“疯狂”的，这些行为是将获胜定义为机器唯一目标的逻辑结果。
[4] 鲁伊·洛佩兹（Ruy Lopez）在最早的一本关于国际象棋的书（Lopez, 1561）中写道：“把棋盘放好，让阳光晃进对手的眼睛。”
一台实现固定目标的机器可能会出现很多不当行为，要预测所有不当行为是不可能的。因此，我们有足够理由认为标准模型是不充分的。我们不希望机器“聪明”地实现它们的目标，而是希望它们实现我们的目标。如果我们不能将这些目标完美地传达给机器，就需要一个新的表述，也就是机器正在实现我们的目标，但对于目标是什么则是不确定的。当一台机器意识到它不了解完整的目标时，它就会有谨慎行动的动机，会寻求许可，并通过观察来更多地了解我们的偏好，遵守人为控制。最终，我们想要的是对人类可证益的（provably beneficial）智能体。我们将在1.5节中讨论这个主题。
在本节中，我们将简要介绍为人工智能提供思想、观点和技术的学科的历史。像任何历史一样，本书只关注少数人物、事件和思想，而忽略其他同样重要的。我们围绕一系列问题来组织这段历史。我们不希望带给读者这样一种印象：这些问题是各个学科唯一要解决的问题，或者各个学科都将人工智能作为最终成果而努力。
● 可以使用形式化规则得出有效结论吗？
● 思维是如何从物质大脑中产生的？
● 知识从何而来？
● 知识如何导致行为？
亚里士多德（Aristotle，公元前384—公元前322）制定了一套精确的法则来统御思维的理性部分，他是历史上第一位这样做的哲学家。他发展了一套非正式的三段论系统进行适当的推理，该系统原则上允许人们在给定初始前提下机械地得出结论。
拉蒙·鲁尔（Ramon Llull，约1232—1315）设计了一种推理系统，发表为Ars Magna（The Great Art）（Llull, 1305）[5]。鲁尔试图使用实际的机械设备——一组可以旋转成不同排列的纸盘——实现他的系统。
[5] Ars Magna为拉丁文书名，翻译成英文的书名为The Great Art。——编者注
大约在1500年，列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）设计了一台机械计算器，虽然当时并未制造，但最近的重构表明该设计是可行的。第一台已知的计算器是在1623年前后由德国科学家威廉·席卡德（Wilhelm Schickard，1592—1635）制造的。布莱兹·帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662）于1642年建造了滚轮式加法器（Pascaline），并写道：“它产生的效用似乎比动物的所有行为更接近思维。”戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646—1716）制造了一台机械设备，旨在根据概念而非数值进行操作，但其应用范围相当有限。托马斯·霍布斯（Thomas Hobbes，1588—1679）在《利维坦》（Leviathan）一书中提出了会思考的机器的想法，用他的话说就是一种“人造动物”，设想“心脏无非就是发条，神经只是一些游丝，而关节不过是一些齿轮”。他还主张推理就像是数值计算，认为“推理就是一种计算，也就是相加减”。[6]
[6] 此处对《利维坦》一书中的引用采用了商务印书馆1985年9月出版的由黎思复、黎廷弼翻译的《利维坦》版本中的译文。——编者注
有观点认为，思维至少在某种程度上是根据逻辑或数值规则运作的，可以建立模仿其中的一些规则的物理系统。也有观点说，思维本身就是这样一个物理系统。勒内·笛卡儿（René Descartes，1596—1650）首次清晰地讨论了思维与物质之间的区别。他指出，思维的纯粹物理概念似乎没有给自由意志留下多少空间。如果思维完全受物理法则支配，那么它拥有的自由意志不会比一块“决定”往下掉的石头多。笛卡儿是二元论（dualism）的支持者。他认为，人类思维（灵魂或者精神）的一部分处于自然之外，不受物理定律的约束。但是，动物不具备这种二元特性，它们可以被视为机器。
唯物主义（materialism）是二元论的一种替代，它认为大脑根据物理定律的运作构成了思维。自由意志仅仅是实体对可选决策的感知。物理主义（physicalism）和自然主义（naturalism）这两个术语也被用于描述这类与超自然观点相反的观点。
如果给定可以操纵知识的实体思维，接下来的问题就是建立知识的来源。经验主义（empiricism）运动始于弗朗西斯·培根（Francis Bacon，1561—1626）的《新工具》（Novum Organum）[7]一书，并以约翰·洛克（John Locke，1632—1704）的名言“知识归根到底都来源于经验”为特征。
[7] 培根的《新工具》（Novum Organum）是亚里士多德的《工具论》（Organon）的更新。
大卫·休谟（David Hume，1711—1776）的《人性论》（A Treatise of Human Nature）（Hume, 1739）提出了现在称为归纳法（induction）的原则：通过暴露要素之间的重复联系获得一般规则。
以路德维希·维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein，1889—1951）和伯特兰·罗素（Bertrand Russell，1872—1970）的工作为基础，著名的维也纳学派（Sigmund, 2017）——一群在20世纪20年代及20世纪30年代聚集在维也纳的哲学家和数学家——发展了逻辑实证主义（logical positivism）学说。该学说认为，所有知识都可以通过逻辑理论来描述，逻辑理论最终与对应于感知输入的观察语句（observation sentence）相联系。因此，逻辑实证主义结合了理性主义和经验主义。
鲁道夫·卡纳普（Rudolf Carnap，1891—1970）和卡尔·亨佩尔（Carl Hempel，1905—1997）的确证理论（confirmation theory）试图通过量化应分配给逻辑语句的信念度来分析从经验中获取知识，信念度的取值基于逻辑语句与确证或否定它们的观察之间的联系。卡纳普的《世界的逻辑构造》（The Logical Structure of the World）（Carnap, 1928）也许是最先提出将思维视为计算过程这一理论的著作。
思维的哲学图景中最后一个要素是知识与动作之间的联系。这个问题对人工智能来说至关重要，因为智能不仅需要推理，还需要动作。而且，只有理解了怎样的行为是合理的，才能理解如何构建行为是合理的（或理性的）智能体。
亚里士多德在《论动物的运动》（De Motu Animalium）中指出，动作的合理性是通过目标和动作结果的知识之间的逻辑联系来证明的：
但是，思考有时伴随着行为，有时却没有，有时伴随着行动，有时却没有，这是如何发生的？这看起来和对不变的对象进行推理和推断时发生的情况几乎是一样的。但是在那种情况下，结局是一个推测性的命题……而在这里，由两个前提得出的结论是一个行为……我需要覆盖物；斗篷是一种覆盖物。我需要一件斗篷。我需要什么，我必须做什么；我需要一件斗篷。我必须做一件斗篷。结论是，“我必须做一件斗篷”，这是一个行为。
在《尼各马可伦理学》（Nicomachean Ethics）（第三卷第3章，1112b）中，亚里士多德进一步阐述了这个主题，并提出了一个算法：
我们考虑的不是目的，而是实现目的的手段。医生并不考虑是否要使一个人健康，演说家并不考虑是否要去说服听众……他们是先确定一个目的，然后考虑用什么手段和方式来达到目的。如果有几种手段，他们考虑的就是哪种手段最能实现目的。如果只有一种手段，他们考虑的就是怎样利用这一手段去达到目的，这一手段又需要通过哪种手段来获得。这样，他们就在所发现的东西中一直追溯到最初的东西……分析的终点也就是起点。如果恰巧遇到不可能的事情，例如需要钱却得不到钱，那么就放弃这种考虑。而所谓可能的事情，就是以我们自身能力可以做到的那些事情。[8]
[8] 此处对《尼各马可伦理学》一书中的引用采用了商务印书馆2017年8月出版的廖申白翻译的《尼各马可伦理学》版本中的译文。——编者注
2300年后，纽厄尔和西蒙在他们的通用问题求解器（General Problem Solver）程序中实现了亚里士多德的算法。我们现在将其称为贪婪回归规划系统（见第11章）。在人工智能理论研究的前几十年中，基于逻辑规划以实现确定目标的方法占据主导地位。
纯粹从行为的角度来思考实现目标通常是有用的，但在某些情况是不适用的。例如，如果有几种不同的方法可以实现目标，我们就需要某种方法来进行选择。更重要的是，确定性地实现一个目标可能是无法做到的，但某些行为仍然必须被实施。那该如何决策呢？安托万·阿尔诺（Antoine Arnauld）（Arnauld, 1662）分析了赌博中的理性决策概念，提出了一种量化公式，可以最大化期望收入的货币价值。后来，丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）（Bernoulli, 1738）引入了更普适的效用（utility）概念，可以体现结果的内在主观价值。如第16章所述，在不确定性下，理性决策的现代概念涉及最大化期望效用。
在道德和公共政策方面，决策者必须考虑多个个体的利益。杰里米·边沁（Jeremy Bentham）（Bentham, 1823）和约翰·斯图尔特·穆勒（John Stuart Mill）（Mill, 1863）提出了功利主义（utilitarianism）思想：基于效用最大化的理性决策应该适用于人类活动的所有领域，包括代表许多个体做出公共政策的决策。功利主义是一种特殊的结果主义（consequentialism），行为的预期结果决定了正确与否。
相反，伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）在1785年提出了一种基于规则或义务伦理学（deontological ethics）的理论。在该理论中，“做正确的事”不是由结果决定的，而是由管理可行行为的普适社会法则所决定的，可行行为包括“不要撒谎”“不要杀人”等。因此，如果期望的好处大于坏处，那么功利主义者可以撒一个善意的谎言，但康德主义者则不能这样做，因为撒谎本质上就是错误的。穆勒承认规则的价值，但将其理解为基于第一性原理对结果进行推理的高效决策程序。许多现代人工智能系统正是采用了这种方法。
● 得出有效结论的形式化规则是什么？
● 什么可以被计算？
● 如何使用不确定的信息进行推理？
哲学家们提出了人工智能的一些基本理念，但人工智能要成为正规科学，需要逻辑和概率的数学化，并引入一个新的数学分支——计算。
形式化逻辑（formal logic）的思想可以追溯到古希腊、古印度和古代中国的哲学家，但它的数学发展真正始于乔治·布尔（George Boole，1815—1864）的工作。布尔提出了命题和布尔逻辑的细节（Boole, 1847）。1879年，戈特洛布·弗雷格（Gottlob Frege，1848—1925）将布尔逻辑扩展到包括对象和关系，创建了沿用至今的一阶逻辑[9]。一阶逻辑除了在人工智能研究的早期发挥核心作用外，还激发了哥德尔和图灵的工作，这些工作支撑了计算本身。
[9] 弗雷格提出的一阶逻辑符号（文本和几何特征的神秘组合）从未流行起来。
概率（probability）论可以视为信息不确定情况下的广义逻辑，这对人工智能来说是非常重要的考虑。吉罗拉莫·卡尔达诺（Gerolamo Cardano，1501—1576）首先提出了概率的概念，并根据赌博事件的可能结果对其进行了刻画。1654年，布莱兹·帕斯卡（Blaise Pascal，1623—1662）在给皮埃尔·费马（Pierre Fermat，1601—1665）的信中展示了如何预测一个未完成的赌博游戏的结局，并为赌徒分配平均收益。概率很快成为定量科学的重要组成部分，用于处理不确定的度量和不完备的理论。雅各布·伯努利（Jacob Bernoulli，1654—1705，丹尼尔·伯努利的叔叔）、皮埃尔·拉普拉斯（Pierre Laplace，1749—1827）等人发展了这一理论，并引入了新的统计方法。托马斯·贝叶斯（Thomas Bayes，1702—1761）提出了根据新证据更新概率的法则。贝叶斯法则是人工智能系统的重要工具。
概率的形式化结合数据的可用性，使统计学（statistics）成为了一个新研究领域。最早的应用之一是1662年约翰·格兰特（John Graunt）对伦敦人口普查数据的分析。罗纳德·费舍尔（Ronald Fisher）被认为是第一位现代统计学家，他汇总了概率、实验设计、数据分析和计算等思想（Fisher, 1922）。在1919年，他坚称，如果没有机械计算器“百万富翁”（Millionaire，第一个可以做乘法的计算器），他就无法进行工作，尽管这台计算器的成本远远超过了他的年薪（Ross, 2012）。
计算的历史与数字的历史一样古老，但用于计算最大公约数的欧几里得算法被认为是第一个非平凡的算法（algorithm）。“算法”一词源自一位9世纪的数学家穆罕默德·本·穆萨·阿尔·花剌子模（Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi），他的著作还将阿拉伯数字和代数引入了欧洲。布尔等人讨论了逻辑演绎的算法，到19世纪末，人们开始努力将一般的数学推理形式化为逻辑演绎。
库尔特·哥德尔（Kurt Gödel，1906—1978）表明，虽然存在一种有效方法能够证明弗雷格和罗素的一阶逻辑中的任何真实陈述，但是一阶逻辑无法满足表征自然数所需的数学归纳原理。1931年，哥德尔证明关于演绎的限制确实存在。哥德尔的不完全性定理（incompleteness theorem）表明，在任何像皮亚诺算术（Peano arithmetic，自然数的基本理论）这样强的形式化理论中，必然存在一些没有证明的真实陈述。
这个基本结果也可以解释为作用于整数上的某些函数无法用算法表示，即它们无法被计算。这促使艾伦·图灵（Alan Turing，1912—1954）试图准确地描述哪些函数是可计算的，即能够通过有效的过程进行计算。丘奇-图灵论题（Church-Turing thesis）提出将图灵机（Turing, 1936）可计算的函数作为可计算性的一般概念。图灵还表明，存在某些任何图灵机都无法计算的函数。例如，没有一台机器能够在广义上判断给定程序是会根据给定的输入返回答案，还是永远运行下去。
尽管可计算性（computability）对理解计算很重要，但易处理性（tractability）的概念对人工智能的影响更大。粗略地说，如果解决一个问题实例所需的时间随着问题规模呈指数增长，那么这个问题就是难处理的。在20世纪60年代中期，复杂性的多项式增长和指数增长之间的区别首次被强调（Cobham, 1964; Edmonds, 1965）。因为指数级增长意味着即使是中等规模的问题实例也无法在合理的时间内解决，所以易处理性很重要。
由斯蒂芬·库克（Stephen Cook）（Cook, 1971）和理查德·卡普（Richard Karp）（Karp, 1972）开创的NP完全性（NP-completeness）理论为分析问题的易处理性提供了基础：任何可以归约到NP完全的问题都可能是难处理的。（尽管尚未证明NP完全问题一定是难处理的，但大多数理论家都相信这一点。）这些结果与大众媒体对第一台计算机的乐观态度——“比爱因斯坦还快的电子超级大脑！”——形成了鲜明对比。尽管计算机的速度在不断提高，但对资源的谨慎使用和必要的缺陷将成为智能系统的特征。粗略地说，世界是一个极大的问题实例！
● 我们应该如何根据自己的偏好做出决定？
● 当其他人可能不支持时，我们应该怎么做？
● 当收益可能在很遥远的未来时，我们应该怎么做？
经济学起源于1776年，当时亚当·斯密（Adam Smith，1723—1790）发表了《国富论》（全名为《国民财富的性质和原因的研究》，An Inquiry into the Nature and Causes of the Weallth of Nations）。斯密建议将经济视为由许多关注自身利益的独立主体组成，但他并不主张将金融贪婪作为道德立场。他在较早的著作《道德情操论》（The Theory of Moral Sentiments）（Smith, 1759）开篇就指出，对他人福祉的关注是每个个体利益的重要组成部分。
大多数人认为经济学就是关于钱的，而实际上第一个对不确定性下的决策进行数学分析的是安托万·阿尔诺（Arnauld, 1662）的最大期望值公式，而这一分析也的确是与赌注的货币价值相关。丹尼尔·伯努利（Bernoulli, 1738）注意到，这个公式似乎不适用于更大规模的金钱，例如对海上贸易远征的投资。于是，他提出了基于期望效用最大化的原则，并指出额外货币的边际效用会随着一个人获得更多货币而减少，从而解释了大众的投资选择。
里昂·瓦尔拉斯（Léon Walras，1834—1910）为效用理论提供了一个更为普适的基础，即对任何结果（不仅仅是货币结果）的投机偏好。弗兰克·拉姆齐（Frank Ramsey）（Ramsey, 1931）以及后来约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）和奥斯卡·摩根斯特恩（Oskar Morgenstern）在他们的著作《博弈论与经济行为》（The Theory of Games and Economic Behavior）（Neumann and Morgenstern, 1944）中对这一理论进一步改进。经济学不再是研究金钱的学科，而是对欲望和偏好的研究。
决策论（decision theory）结合了概率论和效用理论，为在不确定性下做出个体决策（经济的或其他的）提供了一个形式化完整的框架，也就是说，概率适当地描述了决策者所处的环境。这适用于“大型”经济体，在这种经济体中，每个主体都无须关注其他独立主体的行为。对“小型”经济体而言更像是一场博弈（game）：一个参与者的行为可以显著影响另一个参与者的效用（积极或消极的）。冯·诺依曼和摩根斯特恩对博弈论（game theory）的发展［也可以参考（Luce and Raiffa, 1957）］得出了令人惊讶的结果，即对于某些博弈，理性智能体应该采用随机（或至少看起来是随机）的策略。与决策论不同，博弈论并没有为行为的选择提供明确的指示。人工智能中涉及多个智能体的决策将在多智能体系统（multiagent system）的主题下探讨（第18章）。
经济学家（除了一些例外）没有解决上面列出的第三个问题：当行为的收益不是立即产生的，而是在几个连续的行为后产生时，应该如何做出理性的决策。这个课题在运筹学（operations research）的领域探讨，运筹学出现在第二次世界大战期间英国对雷达安装的优化工作中，后来发展出了无数民用应用。理查德·贝尔曼（Richard Bellman）（Bellman, 1957）的工作将一类序贯决策问题进行了形式化，称为马尔可夫决策过程（Markov decision process），我们将在第17章研究该问题，并在第22章以强化学习（reinforcement learning）的主题研究该问题。
经济学和运筹学的工作对理性智能体的概念做出了很大贡献，但是多年来的人工智能研究是沿着完全独立的道路发展的。原因之一是做出理性决策显然是复杂的。人工智能的先驱赫伯特·西蒙（Herbert Simon, 1916—2001）凭借其早期工作在1978年获得了诺贝尔经济学奖，他指出基于满意度（satisficing）的决策模型（做出“够好”的决策，而不是费力地计算最优决策）可以更好地描述实际的人类行为（Simon, 1947）。自20世纪90年代以来，人工智能的决策理论技术重新引起了人们的兴趣。
● 大脑如何处理信息？
神经科学（neuroscience）是对神经系统（尤其是对大脑）的研究。尽管大脑进行思考的确切方式是科学的奥秘之一，但大脑确实是能思考的现实已经被人们接受了数千年，因为有证据表明，对头部的强烈打击会导致精神丧失。人们也早就知道人的大脑在某种程度上是不同的，大约在公元前335年，亚里士多德写道：“在所有动物中，人类的大脑与身体大小的比例最大。”[10]然而，直到18世纪中叶，大脑才被广泛认为是意识的所在地。在此之前，意识所在地的候选位置包括心脏和脾脏。
[10] 后来人们发现树鼩和一些鸟类的脑体比超过了人类的脑体比。
1861年，保罗·布罗卡（Paul Broca，1824—1880）对脑损伤患者中的失语症（语言缺陷）进行了调查研究，他在大脑左半球发现一个局部区域（现在被称为布罗卡氏区域）负责语音的产生，从而开始了对大脑功能组织的研究。[11]那时，人们已经知道大脑主要由神经细胞或神经元（neuron）组成，但直到1873年，卡米洛·高尔基（Camillo Golgi，1843—1926）才发明了一种可以观察单个神经元的染色技术（见图1-1）。圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔（Santiago Ramon y Cajal，1852—1934）在神经组织的开创性研究中使用了该技术。[12]现在人们普遍认为认知功能是由这些结构的电化学反应产生的。也就是说，一组简单的细胞就可以产生思维、行为和意识。如约翰·希尔勒（John Searle）（Searle, 1992）的精辟名言所说：大脑产生思想。
[11] 许多人引用亚历山大·胡德（Alexander Hood）（Hood, 1824）的论文作为可能的先验资料。
[12] 卡哈尔提出了“神经元学说”，高尔基则坚持他的信念，认为大脑的功能主要是在神经元嵌入的连续介质中发挥的。虽然两人共同获得1906年的诺贝尔奖，但发表的获奖感言却是相互对立的。
图1-1 神经细胞或神经元的部分。每个神经元都由一个包含神经核的细胞体或体细胞组成。许多从细胞体中分支出来的纤维状被称为树突，其中的长纤维被称为轴突。轴突伸展的距离很长，比这张图上显示的要长得多。轴突一般长1厘米（是细胞体直径的100倍），但也可以达到1米。一个神经元在称为突触的连接处与其他10～100 000个神经元建立连接。信号通过复杂的电化学反应从一个神经元传递到其他神经元。这些信号可以在短期内控制大脑活动，还可以长期改变神经元的连通性。这些机制被认为是大脑学习的基础。大多数信息都在大脑皮质（大脑的外层）中处理的。基本的组织单元似乎是直径约0.5毫米的柱状组织，包含约20 000个神经元，并延伸到整个皮质（人类皮质深度约4毫米）
现在，我们有了一些关于大脑区域和身体部位之间映射关系的数据，这些部位是受大脑控制或者是接收感官输入的。这样的映射可以在几周内发生根本性的变化，而有些动物似乎具有多个映射。此外，我们还没有完全理解当一个区域受损时其他区域是如何接管其功能的。而且，关于个人记忆是如何存储的，或者更高层次的认知功能是如何运作的，目前几乎没有任何相关理论。
1929年，汉斯·伯杰（Hans Berger）发明脑电图仪（EEG），开启了对完整大脑活动的测量。功能磁共振成像（fMRI）的发展（Ogawa et al., 1990; Cabeza and Nyberg, 2001）为神经科学家提供了前所未有的大脑活动的详细图像，从而使测量能够以有趣的方式与正在进行的认知过程相对应。神经元活动的单细胞电记录技术和光遗传学（optogenetics）方法的进展（Crick, 1999; Zemelman et al., 2002; Han and Boyden, 2007）增强了这些功能，从而可以测量和控制被修改为对光敏感的单个神经元。
用于传感和运动控制的脑机接口（brain-machine interface）的发展（Lebedev and Nicolelis, 2006）不仅有望恢复残疾人的功能，还揭示了神经系统许多方面的奥秘。这项工作的一项重要发现是，大脑能够自我调整，使自己成功与外部设备进行交互，就像对待另一个感觉器官或肢体一样。
大脑和数字计算机有不同的特性。如图1-2所示，计算机的周期时间比大脑快一百万倍。虽然与高端个人计算机相比，大脑拥有更多的存储和互连，但最大的超级计算机在某些指标上已经与大脑相当。未来主义者充分利用这些数字，指出了一个即将到来的奇点（singularity），在这个奇点上计算机达到了超越人类的性能水平（Vinge, 1993; Kurzweil, 2005; Doctorow and Stross, 2012），然后会进一步迅速提高。但是比较原始数字并不是特别有用。即使计算机的容量到达无限也无济于事，在理解智能方面仍然需要进一步的概念突破（见第28章）。粗略地说，如果没有正确的理论，更快的机器只会更快地给出错误的答案。
图1-2 领先的超级计算机Summit（Feldman, 2017）、2019年的典型个人计算机和人类大脑的粗略对比。数千年来，人类大脑的能力并没有发生太大变化，而超级计算机的计算能力已经从20世纪60年代的百万次浮点运算（MFLOP）提高到了20世纪80年代的十亿次浮点运算（GFLOP）、20世纪90年代的万亿次浮点运算（TFLOP）、2008年的千万亿次浮点运算（PFLOP）以及2018年的百亿亿次浮点运算（exaFLOP，1 exaFLOP = 1018次浮点运算/秒）
● 人类和动物是如何思考和行为的？
科学心理学的起源通常可以追溯到德国物理学家赫尔曼·冯·赫尔姆霍茨（Hermann von Helmholtz，1821—1894）和他的学生威廉·温特（Wilhelm Wundt，1832—1920）的工作。赫尔姆霍茨将科学方法应用于人类视觉的研究，他的Handbook of Physiological Optics被描述为“关于人类视觉的物理学和生理学的最重要的专著”（Nalwa, 1993, p.15）。1879年，温特在莱比锡大学开设了第一个实验心理学实验室。温特坚持严格控制的实验，他实验室的工作人员在进行感知或联想任务的同时，内省他们的思维过程。严格的控制在很大程度上帮助心理学成为了一门科学，但是数据的主观性质使得实验者不太可能会推翻自己的理论。
另外，研究动物行为的生物学家缺乏内省的数据，于是发展了一种客观的方法，赫伯特·詹宁斯（Herbert S. Jennings）（Jennings, 1906）在他有影响力的著作Behavior of the Lower Organisms中对此进行了描述。约翰·沃森（John Watson，1878—1958）领导的行为主义（behaviorism）运动将这一观点应用于人类，以内省无法提供可靠证据为由，拒绝任何涉及心理过程的理论。行为主义者坚持只研究施加动物的感知（或刺激）及其产生的行为（或反应）的客观度量。行为主义发现了很多关于老鼠和鸽子的知识，但是在理解人类方面却不太成功。
认知心理学（cognitive psychology）认为大脑是一个信息处理设备，这至少可以追溯到威廉·詹姆斯（William James，1842—1910）的著作。赫尔姆霍茨也坚持认为感知涉及一种无意识的逻辑推断形式。在美国，认知观点在很大程度上被行为主义所掩盖，但在弗雷德里克·巴特利特（Frederic Bartlett，1886—1969）所领导的剑桥大学应用心理学系，认知模型得以蓬勃发展。巴特利特的学生和继任者肯尼斯·克雷克（Kenneth Craik）（Craik, 1943）所著的The Nature of Explanation强有力地重新确立了诸如信念和目标之类的“精神”术语的合法性，认为它们就像用压力和温度来讨论气体一样科学，尽管气体是由既不具有压力又不具有温度的分子组成。
克雷克指出了知识型智能体的3个关键步骤：（1）刺激必须转化为一种内在表示；（2）认知过程处理表示，从而产生新的内部表示；（3）这些过程反过来又被重新转化为行为。他清晰地解释了为什么这是一个良好的智能体设计：
如果有机体拥有一个“小规模的模型”，建模了外部现实及其在脑海中可能采取的行为，那么它就能够尝试各种选择，得出哪个是最好的，并在未来出现情况之前加以应对。有机体可以利用过去的知识处理现在和未来的情况，并在各方面以更全面、更安全、更有力的方式应对紧急情况。（Craik, 1943）
继1945年克雷克死于自行车事故之后，唐纳德·布劳德本特（Donald Broadbent）继续从事这一工作。布劳德本特的Perception and Communication（Broadbent, 1958）是最早将心理现象建模为信息处理的著作之一。与此同时的美国，计算机建模的发展导致了认知科学（cognitive science）领域的诞生。这个领域可以说是开始于1956年9月麻省理工学院的一次研讨会上，并且仅仅两个月后，人工智能本身就“诞生”了。
在研讨会上，乔治·米勒（George Miller）发表了“The Magic Number Seven”，诺姆·乔姆斯基（Noam Chomsky）发表了“Three Models of Language”，艾伦·纽厄尔和赫伯特·西蒙发表了“The Logic Theory Machine”。这3篇影响广泛的论文分别展示了如何使用计算机模型处理记忆、语言和逻辑思维的心理学问题。现在心理学家普遍认为“认知理论应该就像一个计算机程序”（Anderson, 1980），也就是说，认知理论应该从信息处理的角度来描述认知功能的运作。
为了综述目的，我们将人机交互（human-computer interaction，HCI）领域归于心理学下。人机交互的先驱之一道格·恩格巴特（Doug Engelbart）倡导智能增强（intelligence augmentation）的理念（IA而非AI）。他认为，计算机应该增强人类的能力，而不是完全自动化人类的任务。1968年，在恩格巴特的“所有演示之母”（mother of all demos）上首次展示了计算机鼠标、窗口系统、超文本和视频会议，所有这些都是为了展示人类知识工作者可以通过某些智能增强来共同完成工作。
今天，我们更倾向于将IA和AI视为同一枚硬币的两面，前者强调人类控制，而后者强调机器的智能行为，都是机器有利于人类所必需的。
● 如何构建高效的计算机？
现代数字电子计算机是由陷入第二次世界大战中的3个国家的科学家们独立且几乎同时发明的。第一台可操作的计算机是由艾伦·图灵的团队于1943年建造的机电希思·罗宾逊（Heath Robinson[13]），它的唯一目的是破译德国的情报。1943年，同一小组开发了Colossus，这是一款基于真空管的强大通用机器。[14]第一台可操作的可编程计算机是Z-3，是德国工程师康拉德·楚泽（Konrad Zuse）在1941年发明的。楚泽还发明了浮点数和第一个高级编程语言Plankalkül。第一台电子计算机ABC是约翰·阿塔纳索夫（John Atanasoff）和他的学生克利福德·贝里（Clifford Berry）在1940年至1942年间在爱荷华州立大学组装的。阿塔纳索夫的研究很少得到支持或认可，而ENIAC作为宾夕法尼亚大学秘密军事项目的一部分被证明是现代计算机最有影响力的先驱。ENIAC的开发团队包括了约翰·莫奇利（John Mauchly）和约翰·普雷斯伯·埃克特（J. Presper Eckert）等工程师。
[13] 以一位英国漫画家的名字命名的复杂机器。这位漫画家描绘了一些古怪而又荒唐的复杂装置来完成日常任务，如给面包涂黄油。
[14] 在第二次世界大战后，图灵想把这些计算机用于人工智能研究，例如，他创建了第一个国际象棋程序的框架（Turing et al., 1953），但英国政府阻止了这项研究。
从那时起，每一代计算机硬件更新都带来了速度和容量的提升以及价格的下降，这是摩尔定律（Moore’s law）所描述的趋势。直到2005年之前，大约每18个月CPU的性能就会翻一番，但功耗问题导致制造商开始增加CPU的核数而不是提高CPU的时钟频率。目前的预期是，未来性能的增加将来自于大量的并行性，这体现了与大脑特性奇妙的一致性。在应对不确定的世界时，基于这一理念设计硬件：不需要64位的数字精度，只需16位（如bfloat16格式）甚至8位就足够了，这可以使处理速度更快。
已经出现了一些针对人工智能应用进行调整的硬件，如图形处理单元（GPU）、张量处理单元（TPU）和晶圆级引擎（WSE）。从20世纪60年代到大约2012年，用于训练顶级机器学习应用的计算能力遵循了摩尔定律。从2012年开始，情况发生了变化：从2012年到2018年，这一数字增长了30万倍，大约每100天翻一番（Amodei and Hernandez, 2018）。在2014年花一整天训练的机器学习模型在2018年只需两分钟就可以训练完成（Ying et al., 2018）。尽管量子计算（quantum computing）还不实用，但它有望为人工智能算法的一些重要子方向提供更显著的加速。
毋庸置疑，在电子计算机出现之前计算设备就已经存在了。最早的自动化机器可追溯到17世纪（见1.2.1节的讨论）。第一台可编程机器是由约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard，1752—1834）于1805年发明的提花织布机，它使用打孔卡片来存储编织图案的指令。
19世纪中期，查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage，1792—1871）设计了两台计算机，但都没有完成。差分机的目的是为工程和科学项目计算数学表。它最终于1991年建成并投入使用（Swade, 2000）。巴贝奇的分析机更有雄心：它包括可寻址内存、基于雅卡尔打孔卡的存储程序以及有条件的跳转。这是第一台能够进行通用计算的机器。
巴贝奇的同事埃达·洛芙莱斯（Ada Lovelace，诗人拜伦勋爵的女儿）理解了计算机的潜力，将其描述为“一种能思考或者……能推理的机器”，能够对“宇宙中所有事物”进行推理（Lovelace, 1843）。她还预测到了人工智能的技术成熟度曲线，并提出：“我们最好防范可能夸大分析机能力的想法。”遗憾的是，巴贝奇的机器和洛芙莱斯的思想已基本被遗忘了。
人工智能还得益于计算机科学软件方面的发展，后者提供了编写现代程序所需的操作系统、编程语言和工具（以及有关它们的论文）。而这也是人工智能对其有回馈的领域：人工智能工作开创的许多想法正重归主流计算机科学，包括分时、交互式解释器、使用窗口和鼠标的个人计算机、快速开发环境、链表数据类型、自动存储管理，以及符号式编程、函数式编程、说明性编程和面向对象编程的关键概念。
● 人造物如何在它们自己的控制下运行？
居住在亚历山大城的古希腊工程师克特西比乌斯（Ktesibios，约公元前250年）建造了第一个自我控制的机器：一台水钟，其特点是拥有一个可以保持恒定水流速度的调节器。这一发明改变了人造物可以做什么的定义。在此之前，只有生物才能根据环境的变化来改变自己的行为。其他自调节反馈控制系统的示例工作包括由詹姆斯·瓦特（James Watt，1736—1918）创建的蒸汽机调节器以及科内利斯·德雷贝尔（Cornelis Drebbel，1572—1633，潜艇发明者）发明的恒温器。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）（Maxwell, 1868）开创了控制系统的数学理论。
第二次世界大战后，控制理论（control theory）发展的核心人物是诺伯特·维纳（Norbert Wiener，1894—1964）。维纳是一位杰出的数学家，在对生物和机械控制系统及其与认知的联系产生兴趣之前，曾与伯特兰·罗素等人合作。像克雷克（把控制系统作为心理模型）一样，维纳和他的同事阿图罗·罗森布鲁斯（Arturo Rosenblueth）以及朱利安·毕格罗（Julian Bigelow）挑战了行为主义正统派（Rosenblueth et al., 1943）。他们认为具有目的的行为源于试图最小化“错误”的调节机制，即当前状态和目标状态之间的差异。20世纪40年代后期，维纳与沃伦·麦卡洛克（Warren McCulloch）、沃尔特·皮茨（Walter Pitts）和约翰·冯·诺伊曼一起组织了一系列有影响力的会议，探索关于认知的新数学和计算模型。维纳的《控制论》（Cybernetics）（Wiener, 1948）成为畅销书，使大众意识到了人工智能机器的可能性。
与此同时，英国控制论专家罗斯·艾什比（W. Ross Ashby）开创了类似的思想（Ashby, 1940）。艾什比、图灵、沃尔特和其他一些学者为“那些在维纳的书出现之前就有维纳想法的人”组织了推理俱乐部[15]。艾什比在《大脑设计》（Design for a Brain）（Ashby, 1948, 1952）一书中详细阐述了他的想法，即可以通过自我平衡（homeostatic）设备来实现智能，该设备使用恰当的反馈回路来实现稳定的自适应行为。
[15] 推理俱乐部（Ratio Club）。Ratio取自推理演算器（calculus ratiocinator），因此此处翻译为“推理俱乐部”。——编者注
现代控制理论，特别是被称为随机最优控制的分支，其目标是设计随时间最小化代价函数（cost function）的系统。这与人工智能的标准模型——设计性能最优的系统大致相符。尽管人工智能和控制理论的创始人之间有着密切的联系，为什么它们却是两个不同的领域呢？答案在于参与者所熟悉的数学技术与每种世界观所包含的对应问题是紧密结合的。微积分和矩阵代数是控制理论的工具，它们适用于固定的连续变量集描述的系统，而人工智能的建立在一定程度上是为了避开这些可感知的局限性。逻辑推理和计算工具使人工智能研究人员能够考虑语言、视觉和符号规划等问题，而这些问题完全超出了控制理论家的研究范围。
● 语言是如何与思维联系的？
1957年，斯金纳（B. F. Skinner）发表了Verbal Behavior，包含该领域最著名的专家对语言学习的行为主义方法的全面详细的描述。但奇怪的是，一篇对这本书的评述也像这本书一样广为人知，几乎扼杀了大众对行为主义的兴趣。评述的作者是语言学家诺姆·乔姆斯基，彼时他刚刚出版了一本关于他自己理论的书《句法结构》（Syntactic Structure）。乔姆斯基指出，行为主义理论并没有解决语言创造力的概念，它没有解释孩子们如何理解并造出他们从未听过的句子。乔姆斯基以句法模型为基础的理论可以追溯到古印度语言学家波你尼（Panini，约公元前350年）。该理论可以解释语言创造力，而且与以前的理论不同，它足够形式化，原则上可以被程序化。
现代语言学和人工智能几乎同时“诞生”，并一起成长，交叉于一个称为计算语言学（computational linguistics）或自然语言处理（natural language processing）的混合领域。相比1957年，理解语言复杂了许多。理解语言需要理解主题和上下文，而不仅仅是理解句子结构。这似乎是显而易见的，但直到20世纪60年代才得到广泛认可。知识表示（knowledge representation）（关于如何将知识转化为计算机可以推理的形式的研究）的大部分早期工作与语言相关联，并受到语言学研究的启发，而语言学研究反过来又与数十年的语言哲学分析工作有关联。
总结人工智能历史里程碑的快速方法是列出图灵奖得主：马文·明斯基（Marvin Minsky）（1969年图灵奖得主）和约翰·麦卡锡（John McCarthy）（1971年图灵奖得主）定义了基于表示和推理的领域基础；艾伦·纽厄尔（Allen Newell）和赫伯特·西蒙（Herbert Simon）（1975年图灵奖得主）提出了关于问题求解和人类认知的符号模型；爱德华·费根鲍姆（Ed Feigenbaum）和劳伊·雷迪（Raj Reddy）（1994年图灵奖得主）开发了通过对人类知识编码来解决真实世界问题的专家系统；朱迪亚·珀尔（Judea Pearl）（2011年图灵奖得主）提出了通过原则性的方式处理不确定性的概率因果推理技术；最近的是约书亚·本吉奥（Yoshua Bengio）、杰弗里·辛顿（Geoffrey Hinton）和杨立昆（Yann LeCun）（2018年图灵奖得主）[16]，他们将“深度学习”（多层神经网络）作为现代计算的关键部分。本节的其余部分将更详细地介绍人工智能历史的每个阶段。
[16] 此书英文原著将约书亚·本吉奥、杰弗里·辛顿和杨立昆记录为获得了2019年图灵奖，他们实则获得的是2018年图灵奖。——编者注
现在普遍认为由沃伦·麦卡洛克和沃尔特·皮茨（McCulloch and Pitts, 1943）完成的工作是人工智能的第一项研究工作。他们受到皮茨的顾问尼古拉斯·拉舍夫斯基（Nicolas Rashevsky）（1936, 1938）对数学建模工作的启发，选择了3方面的资源构建模型：基础生理学知识和大脑神经元的功能，罗素和怀特海（Whitehead）对命题逻辑的形式化分析，以及图灵的计算理论。他们提出了一种人工神经元模型，其中每个神经元的特征是“开”或“关”，并且会因足够数量的相邻神经元受到刺激而切换为“开”。神经元的状态被认为是“事实上等同于提出其充分激活的命题”。例如，他们证明任何可计算的函数都可以通过一些神经元互相连接的网络来计算，以及所有的逻辑联结词（AND、OR、NOT等）都可以通过简单的网络结构来实现。麦卡洛克和皮茨还表明适当定义的网络可以学习。唐纳德·赫布（Donald Hebb）（Hebb, 1949）示范了用于修改神经元之间连接强度的简单更新规则。他的规则，现在称为赫布型学习（Hebbian learning），至今仍是一种有影响力的模式。
哈佛大学的两名本科生马文·明斯基（Marvin Minsky，1927—2016）和迪安·埃德蒙兹（Dean Edmonds）在1950年建造了第一台神经网络计算机——SNARC。SNARC使用了3000个真空管和B-24轰炸机上一个多余的自动驾驶装置来模拟由40个神经元组成的网络。后来，明斯基在普林斯顿大学研究了神经网络中的通用计算。他的博士学位委员会对这类工作是否应该被视为数学持怀疑态度，但据说冯·诺伊曼评价：“如果现在还不能被视为数学，总有一天会的。”
还有许多早期工作可以被描述为人工智能，包括1952年由曼彻斯特大学的克里斯托弗·斯特雷奇（Christopher Strachey）和IBM公司的亚瑟·塞缪尔（Arthur Samuel）分别独立开发的西洋跳棋程序。然而，还是图灵的观点最有影响力。早在1947年，他就在伦敦数学协会（London Mathematical Society）就这一主题发表了演讲，并在其1950年的文章“Computing Machinery and Intelligence”中阐明了有说服力的议程。在论文中，他介绍了图灵测试、机器学习、遗传算法和强化学习。如第27章所述，也回答了许多针对人工智能的质疑。他还认为，通过开发学习算法然后教会机器，而不是手工编写智能程序，将更容易创造出人类水平的人工智能。他在随后的演讲中警告说，实现这一目标对人类来说可能不是最好的事情。
1955年，达特茅斯学院的约翰·麦卡锡说服明斯基、克劳德·香农（Claude Shannon）和纳撒尼尔·罗切斯特（Nathaniel Rochester）帮助他召集对自动机理论、神经网络和智能研究感兴趣的美国研究人员。他们于1956年夏天在达特茅斯组织了为期两个月的研讨会。这场研讨会共有10位与会者，其中包括来自卡内基理工学院[17]的艾伦·纽厄尔和赫伯特·西蒙、普林斯顿大学的特伦查德·摩尔（Trenchard More）、IBM的亚瑟・塞缪尔以及来自麻省理工学院的雷·所罗门诺夫（Ray Solomonoff）和奥利弗·赛弗里奇（Oliver Selfridge）。该提案指出：[18]
[17] 现在是卡内基梅隆大学（CMU）。
[18] 这是麦卡锡的术语“人工智能”被第一次正式使用。也许“计算理性”会更精确、威胁更小，但“人工智能”一直存在。在达特茅斯会议50周年纪念会上，麦卡锡表示，他反对使用“计算机”或“可计算”等术语，以表达对诺伯特·维纳的敬意，因为维纳倡导模拟控制设备，而不是数字计算机。
1956年夏天，我们提议在新罕布什尔州汉诺威的达特茅斯学院进行为期两个月共10人参与的人工智能研讨。这次研讨是基于这样的假设：理论上可以精确描述学习的每个方面或智能的任何特征，从而可以制造机器来对其进行模拟。我们将试图寻找让机器使用语言，形成抽象和概念，解决人类特有的各种问题并改进自身的方法。我们认为，如果一个精心挑选的科学家团队在一整个夏天里共同研究这些问题，则可以在一个或多个方面取得重大进展。
尽管有这种乐观的预测，但达特茅斯的研讨会并没有带来任何突破。纽厄尔和西蒙提出了也许是最成熟的工作——一个称为“逻辑理论家”（Logic Theorist，LT）的数学定理证明系统。西蒙声称：“我们已经发明了一种能够进行非数值思维的计算机程序，从而解决了神圣的身心问题。”[19]研讨会结束后不久，这个程序就已经能证明罗素和怀特海的Principia Mathematica第2章中的大多数定理。据报道，当罗素被告知LT提出了一个比Principia Mathematica书中更精巧的证明时，罗素感到很高兴。但《符号逻辑杂志》（The Journal of Symbolic Logic）的编辑们没被打动，他们拒绝了由纽厄尔、西蒙和逻辑理论家合著的论文。
[19] 纽厄尔和西蒙还发明了一种链表处理语言IPL来编写LT。他们没有编译器，只能手动将其翻译为机器代码。为了避免错误，他们并行工作，在编写每条指令时相互大声喊出二进制数，以确保他们是一致的。
20世纪50年代的知识界总体上倾向于相信“机器永远不能做X”。（见第27章中图灵收集的X的详细列表。）人工智能研究人员自然而然地一个接一个地演示X以回应。他们特别关注那些被认为能够显示人类智能的任务，包括游戏、谜题、数学和智商测试。约翰·麦卡锡将这段时期称为“瞧，妈，不需要人动手操控！”（Look，Ma，no hands!）时代。
纽厄尔和西蒙继LT成功之后又推出了通用问题求解器，即GPS。与LT不同，GPS从一开始就被设计为模仿人类求解问题的协议。结果表明，在它可以处理的有限类型的难题中，该程序考虑的子目标和可能采取的行为的顺序与人类处理相同问题的顺序类似。因此，GPS可能是第一个体现“人类思维”方式的程序。作为认知模型，GPS和后续程序的成功使得纽厄尔和西蒙（1976）提出了著名的物理符号系统（physical symbol system）假说，该假说认为“物理符号系统具有进行一般智能动作的必要和充分方法”。意思是，任何显示出智能的系统（人类或机器）必须通过操作由符号组成的数据结构来运行。之后我们会看到这个假说已经受到了多方面的挑战。
在IBM，纳撒尼尔·罗切斯特和他的同事开发了首批人工智能程序。赫伯特·盖伦特（Herbert Gelernter）（Gelernter, 1959）构造了几何定理证明程序（Geometry Theorem Prover），它能够证明许多数学学生认为相当棘手的定理。这项工作是现代数学定理证明程序的先驱。
从长远来看，这一时期所有探索性工作中，最有影响力的可能是亚瑟·萨缪尔对西洋跳棋的研究。通过使用现在称之为强化学习的方法（见第22章），萨缪尔的程序可以以业余高手的水平进行对抗。因此，他驳斥了计算机只能执行被告知的事情的观点：他的程序很快学会了玩游戏，甚至比其创造者玩得更好。该程序于1956年在电视上演示，给人留下了深刻的印象。和图灵一样，萨缪尔也很难找到使用计算机的机会，他只能晚上工作，使用仍在IBM制造工厂测试场地上还未出厂的计算机。萨缪尔的程序是许多后继系统的前身，如TD-Gammon（Tesauro, 1992）和AlphaGo（Silver et al., 2016）。TD-Gammon是世界上最好的西洋双陆棋棋手之一，而AlphaGo因击败人类世界围棋冠军而震惊世界（见第5章）。
1958年，约翰·麦卡锡为人工智能做出了两项重要贡献。在麻省理工学院人工智能实验室备忘录1号中，他定义了高级语言Lisp，Lisp在接下来的30年中成为了最重要的人工智能编程语言。在一篇题为“Programs with Common Sense”的论文中，麦卡锡为基于知识和推理的人工智能系统提出了概念性议案。这篇论文描述了“建议接受者”（Advice Taker），这是一个假想程序，它包含了世界的一般知识，并可以利用它得出行动规划。这个概念可以用简单的逻辑公理来说明，这些逻辑公理足以生成一个开车去机场的规划。该程序还被设计为能在正常运行过程中接受新的公理，从而实现无须重新编程就能够在新领域中运行。因此，“建议接受者”体现了知识表示和推理的核心原则：对世界及其运作进行形式化、明确的表示，并且通过演绎来操作这种表示是很有用的。这篇论文影响了人工智能的发展历程，至今仍有意义。
1958年也是马文·明斯基转到麻省理工学院的一年。然而，他与麦卡锡的最初合作并没有持续。麦卡锡强调形式逻辑中的表示和推理，而明斯基则对程序工作并最终形成反逻辑的观点更感兴趣。1963年，麦卡锡在斯坦福大学建立了人工智能实验室。1965年亚伯拉罕·鲁滨逊（J. A. Robinson）归结原理（一阶逻辑的完备定理证明算法；见第9章）的发现推进了麦卡锡使用逻辑来构建最终“建议接受者”的计划。麦卡锡在斯坦福大学的工作中强调了逻辑推理的通用方法。逻辑的应用包括柯德尔·格林（Cordell Green）的问答和规划系统（Green, 1969b）以及斯坦福研究所（SRI）的Shakey机器人项目，后者（将在第26章中进一步讨论）是第一个展示逻辑推理和物理活动完全集成的项目。
在麻省理工学院，明斯基指导了一批学生，他们选择了一些似乎需要智能才能求解的有限问题。这些有限的领域被称为微世界（microworld）。詹姆斯·斯莱格尔（James Slagle）的Saint程序（Slagle, 1963）能够求解大学一年级课程中典型封闭形式的微积分问题。托马斯·埃文斯（Thomas Evans）的Analogy程序（Evans, 1968）能够解决智商测试中常见的几何类比问题。丹尼尔·博布罗（Daniel Bobrow）的Student项目（Bobrow, 1967）能够求解代数故事问题，例如：
如果汤姆获得的客户数量是他投放的广告数量的20%的平方的两倍，已知他投放的广告数量是45，那么汤姆获得的客户数量是多少？
最著名的微世界是积木世界（blocks world），由一组放置在桌面上的实心积木组成（或者更常见的是模拟桌面），如图1-3所示。在这个世界中，一个典型的任务是用机械手以某种方式重新排列积木，这个机械手一次可以拿起一块积木。积木世界孕育了戴维·哈夫曼（David Huffman）（Huffman, 1971）的视觉项目、戴维·沃尔茨（David Waltz）（Waltz, 1975）的视觉和约束传播工作、帕特里克·温斯顿（Patrick Winston）（Winston, 1970）的学习理论、特里·温诺格拉德（Terry Winograd）（Winograd, 1972）的自然语言理解程序以及斯科特·法尔曼（Scott Fahlman）（Fahlman, 1974）的规划器。
图1-3 积木世界的场景。Shrdlu（Winograd, 1972）刚刚完成了一个命令——“找到一块比你所持有的积木块更高的积木块，并把它放进盒子里”
建立在麦卡洛克和皮茨提出的神经网络上的早期工作也蓬勃发展。什穆埃尔·温诺格拉德（Shmuel Winograd）和杰克·考恩（Jack Cowan）的研究（Winograd and Cowan, 1963）展示了大量元素如何共同代表一个独立的概念，同时提升稳健性和并行性。赫布的学习方法分别得到了伯尼·维德罗（Bernie Widrow）（Widrow and Hoff, 1960; Widrow, 1962）和弗兰克·罗森布拉特（Frank Rosenblatt）（Rosenblatt, 1962）的改进，他们的网络分别被称为线性自适应神经网络（adaline）和感知机（perceptron）。感知机收敛定理（perceptron convergence theorem）（Block et al., 1962）指出，学习算法可以调整感知机的连接强度来拟合任何输入数据（前提是存在这样的拟合）。
从一开始，人工智能研究人员对未来成功的预测毫不避讳。下面这句1957年赫伯特·西蒙的名言经常被引用：
我的目的不是使大家感到惊讶或震惊，我可以总结出的最简单的说法是，现在世界上存在着能够思考、学习和创造的机器。此外，它们的这些能力将迅速提高，在可见的未来内，它们能够处理的问题范围将与人类思维的应用范围一样广泛。
虽然“可见的未来”这个词是模糊的，但西蒙也做出了更具体的预测：10年内，计算机将成为国际象棋冠军以及机器将能证明重要的数学定理。实际上，这些预测的实现（或近似实现）用了40年时间，远远超过10年。当初西蒙的过度自信来自于早期人工智能系统在简单示例任务上的出色表现。但是，在几乎所有情况下，这些早期系统在更困难的问题上都失败了。
失败有两个主要原因。第一个主要原因是许多早期人工智能系统主要基于人类如何执行任务的“知情内省型”，而不是基于对任务、解的含义以及算法需要做什么才能可靠地产生解的仔细分析。
第二个主要原因是对人工智能要求解的问题的复杂性缺乏认识。大多数早期的问题求解系统都会尝试组合不同的步骤，直到找到解为止。这一策略最初奏效是因为微世界所包含的对象非常少，因此可能的动作非常少，解的动作序列也非常短。在计算复杂性理论发展完备之前，人们普遍认为“扩展”到更大的问题仅仅是需要更快的硬件和更大的内存。但是当研究人员无法证明涉及几十个事实的定理时，伴随着归结定理证明发展而来的乐观情绪很快就受到了打击。一般而言，程序可以找到解的事实并不意味着该程序具备任何在实践中找到解所需的机制。
无限计算能力的幻想并不局限于求解问题的程序。早期的机器进化（machine evolution）［现在称为遗传编程（genetic programming）］实验（Friedberg, 1958; Friedberg et al., 1959）基于绝对正确的信念，即通过对机器代码程序进行一系列适当的小变异，就可以为任何特定任务生成表现良好的程序。这个想法就是通过选择过程来尝试随机突变，并保留似乎有用的突变。尽管使用了长达数千小时的CPU时间，但几乎没有任何进展。
未能处理“组合爆炸”是莱特希尔报告（Lighthill, 1973）中对人工智能的主要批评之一，基于这份报告，英国政府决定在除两所大学外的所有大学中停止支持人工智能研究。（口述传说描绘了一幅稍有不同、更加丰富多彩的画面，但带有政治野心和个人好恶的描述都不是本书的话题。）
此外，产生智能行为的基础结构存在一些根本限制也是导致失败的原因。例如，明斯基和派珀特的著作Perceptrons（Minsky and Papert, 1969）证明，尽管感知机（一种简单的神经网络形式）被证明可以学习它们能够表示的任何事物，但它们能表示的事物很少。举例来说，我们无法训练双输入感知机来判断它的两个输入是否相同。尽管他们的研究结果并不适用于更复杂的多层网络，但用于神经网络研究的经费很快就减少到几乎为零。讽刺的是，在20世纪80年代和21世纪10年代再次引起神经网络研究巨大复兴的新反向传播学习算法，早在20世纪60年代初已经在其他情景下得到了发展（Kelley, 1960; Bryson, 1962）。
在人工智能研究的前十年提出的问题求解是一种通用搜索机制，试图将基本的推理步骤串在一起，找到完整的解。这种方法被称为弱方法（weak method），这种方法虽然很普适，但它不能扩展到大型或困难的问题实例上。弱方法的替代方案是使用更强大的领域特定的知识，这些知识允许更大规模的推理步骤，并且可以更轻松地处理特定专业领域中发生的典型案例。有人可能会说，必须已经差不多知道答案才能解决一个难题。
Dendral程序（Buchanan et al., 1969）是这种方法的早期例子。它是在斯坦福大学开发的，爱德华·费根鲍姆（曾是赫伯特·西蒙的学生）、布鲁斯·布坎南（Bruce Buchanan，从哲学家转行的计算机科学家）和乔舒亚·莱德伯格（Joshua Lederberg，诺贝尔生理学或医学奖得主，遗传学家）联手解决了从质谱仪提供的信息推断分子结构的问题。该程序的输入包括分子的基本分子式（如C6H13NO2）和质谱，其中质谱给出了分子被电子束轰击时产生的各种碎片的质量。例如，质谱可能在m = 15处有一个峰，这对应于甲基（CH3）碎片的质量。
朴素版本的程序生成所有可能的符合分子式的结构，然后预测每个结构在质谱仪中的观测结果，并将其与实际质谱进行比较。正如人们所预期的，这对中等规模的分子来说也是难以处理的。Dendral的研究人员咨询了分析化学家，并发现他们通过寻找质谱中已知的峰模式来工作，这些峰表明分子中的常见子结构。例如，以下规则用于识别酮（C=O）结构（分子量28）：
如果M是整个分子的质量，且在x1和x2处有两个峰，并且
（a）x1 + x2 = M + 28；（b）x1 − 28 是一个高峰；（c）x2 − 28 是一个高峰；（d）x1和 x2中至
少有一处是高峰，
则该分子含有酮基。
认识到分子包含特定的子结构，可以极大地减少可能候选项的量级。据作者称，Dendral之所以强大，是因为它不是以第一性原理的形式，而是以高效“食谱”的形式体现了质谱的相关知识（Feigenbaum et al., 1971）。Dendral的意义在于它是第一个成功的知识密集型系统：它的专业知识来源于大量专用规则。1971年，费根鲍姆和斯坦福大学的其他研究人员开启了启发式编程项目（heuristic programming project，HPP），以此来研究专家系统（expert system）的新方法可以在多大程度上应用到其他领域。
接下来的一个主要工作是用于诊断血液感染的Mycin系统。Mycin有大约450条规则，它能够表现得和一些专家一样好，甚至比初级医生要好得多。Mycin与Dendral有两个主要区别。首先，不像Dendral规则，不存在可以推导出Mycin规则的一般理论模型，Mycin规则不得不从大量的专家访谈中获得。其次，规则必须反映与医学知识相关的不确定性。Mycin引入了一种称为确定性因子（certainty factor）的不确定性计算（见第13章），这在当时似乎与医生评估证据对诊断影响的方式非常吻合。
第一个成功的商用专家系统R1在数字设备公司（Digital Equipment Corporation，DEC）投入使用（McDermott, 1982），该程序帮助公司配置新计算机系统的订单。截至1986年，它每年为公司节省约4000万美元。到1988年，DEC的人工智能小组已经部署了40个专家系统，而且还有更多的专家系统在开发中。同时期，杜邦公司有100个专家系统在使用，500个在开发。当时几乎每家美国大公司都有自己的人工智能团队，不是在使用专家系统，就是在研究专家系统。
领域知识的重要性在自然语言理解领域也很突出。尽管特里·温诺格拉德的Shrdlu系统取得了成功，但它的方法并没有扩展到更一般的任务：对于歧义消解之类的问题，它使用了依赖于积木世界中微小范围的简单规则。
包括麻省理工学院的尤金·查尔尼克（Eugene Charniak）和耶鲁大学的罗杰·尚克（Roger Schank）在内的几位研究人员一致认为，强大的语言理解需要关于世界的一般知识以及使用这些知识的一般方法。（尚克进一步声称，“根本就没有语法这回事”，这让很多语言学家感到不安，但确实引发了一场有益的讨论。）尚克和他的学生们建立了一系列的程序（Schank and Abelson, 1977; Wilensky, 1978; Schank and Riesbeck, 1981），这些程序都用于理解自然语言。但是，重点不在于语言本身，而在于用语言理解所需的知识来表示和推理问题。
在真实世界中的广泛应用引发了表示和推理工具的广泛发展。有些是基于逻辑的，例如，Prolog语言在欧洲和日本流行，而Planner家族在美国流行。其他人则遵循明斯基的框架（frame）思想（Minsky, 1975），采用了一种更结构化的方法，将有关特定对象和事件类型的事实组合起来，并将这些类型组织成类似于生物分类法的大型分类层次结构。
1981年，日本政府宣布了“第五代计算机”计划，这是一个十年计划，旨在建造运行Prolog的大规模并行智能计算机。按现在的货币系统衡量，预算将超过13亿美元。作为回应，美国成立了微电子与计算机技术公司（Microelectronics and Computer Technology Corporation，MCC），这是一个旨在确保国家竞争力的联盟。在这两个项目中，人工智能都是广泛努力的一部分，包括芯片设计和人机界面研究。在英国，阿尔维（Alvey）报告恢复了被莱特希尔报告取消的资助资金。然而，这些项目都没有在新型的人工智能能力或经济影响方面下实现其宏伟目标。
总的来说，人工智能行业从1980年的几百万美元增长到1988年的数十亿美元，还产生了数百家构建专家系统、视觉系统、机器人以及专门服务于这些目的的软硬件的公司。
但此后不久，经历了一段被称为“人工智能冬天”的时期，许多公司因未能兑现夸张的承诺而停滞。事实证明，为复杂领域构建和维护专家系统是困难的，一部分原因是系统使用的推理方法在面临不确定性时会崩溃，另一部分原因是系统无法从经验中学习。
在20世纪80年代中期，至少有4个不同的团队重新发明了最早在20世纪60年代初期发展起来的反向传播（back-propagation）学习算法。该算法被应用于计算机科学和心理学中的许多学习问题，Parallel Distributed Processing合集（Rumelhart and McClelland, 1986）中的结果的广泛传播引起了极大的轰动。
这些所谓的联结主义（connectionist）模型被一些人视为纽厄尔和西蒙的符号模型以及麦卡锡和其他人的逻辑主义方法的直接竞争对手。人类在某种程度上操纵符号似乎是显而易见的——事实上，人类学家特伦斯·迪肯（Terrence Deacon）在其著作《符号化动物》（The Symbolic Species）（Deacon, 1997）中指出，这是人类的决定性特征。与此相反，20世纪80年代和21世纪10年代神经网络复兴的领军人物杰弗里·辛顿将符号描述为“人工智能的光以太”（19世纪许多物理学家认为电磁波传播的介质是光以太，但其实这种介质不存在）。事实上，我们在语言中命名的许多概念，经过仔细检查后，都未能获得早期人工智能研究人员希望以公理形式描述逻辑定义的充要条件。联结主义模型可能以一种更流畅和不精确的方式形成内部概念，更适配真实世界的混乱。它们还具备从样本中学习的能力，它们可以将它们的预测输出值与问题的真实值进行比较，并修改参数以减少差异，使它们在未来的样本中更有可能表现良好。
专家系统的脆弱性导致了一种新的、更科学的方法，结合了概率而不是布尔逻辑，基于机器学习而不是手工编码，重视实验结果而不是哲学主张。[20]现在更普遍的是，基于现有理论而不是提出全新的理论，基于严格的定理或可靠的实验方法（Cohen, 1995）而不是基于直觉的主张，以及展示与真实世界应用的相关性而不是虚拟的示例。
[20] 一些人将这种变化描述为整洁派（neat，认为人工智能理论应该以数学的严谨性为基础的人）战胜了邋遢派（scruffy，那些宁愿尝试大量的想法，编写一些程序，然后评估哪些似乎可行的人）。这两种方法都很重要。向整洁派的转变意味着该领域已经达到了稳定和成熟的水平。目前对深度学习的重视可能代表着邋遢派的复兴。
共享的基准问题集成为了展示进度的标准，包括加利福尼亚大学欧文分校的机器学习数据集库、用于规划算法的国际规划竞赛、用于语音识别的LibriSpeech语料库、用于手写数字识别的MNIST数据集、用于图像物体识别的ImageNet和COCO、用于自然语言问答的SQuAD、机器翻译的WMT竞赛以及布尔可满足性求解器国际SAT竞赛。
人工智能的创立在一定程度上是对控制理论和统计等现有领域局限性的反抗，但在这一时期，它吸纳了这些领域的积极成果。正如戴维·麦卡莱斯特（David McAllester）（McAllester, 1998）所说：
在人工智能早期，符号计算的新形式（例如框架和语义网络）使大部分经典理论过时，这似乎是合理的。这导致了一种孤立主义，即人工智能在很大程度上与计算机科学的其他领域分离。这种孤立主义目前正在被摒弃。人们认识到，机器学习不应该独立于信息论，不确定推理不应该独立于随机建模，搜索不应该独立于经典优化和控制，自动推理不应该独立于形式化方法和静态分析。
语音识别领域对这种模式进行了说明。20世纪70年代，研究人员尝试了各种不同的架构和方法，许多是相当暂时和脆弱的，并且只能处理几个精心挑选的例子。在20世纪80年代，使用隐马尔可夫模型（hidden Markov model，HMM）的方法开始主导这一领域。HMM有两个相关的方面。首先，它们基于严格的数学理论。这使得语音研究人员能够在其他领域数十年数学成果的基础上进行开发。其次，它们是在大量真实语音数据的语料库上训练而产生的。这确保了健壮性，并且在严格的盲测中，HMM的分数稳步提高。因此，语音技术和手写体字符识别的相关领域向广泛的工业和消费级应用过渡。注意，并没有科学证据表明人类使用HMM识别语音，HMM只是为理解和求解问题提供了一个数学框架。然而，在1.3.8节中我们将看到，深度学习已经破坏了这种舒适的叙述。
1988年是人工智能与统计学、运筹学、决策论和控制理论等其他领域相联系的重要一年。朱迪亚·珀尔的Probabilistic Reasoning in Intelligent Systems（Pearl, 1988）使概率和决策论在人工智能中得到了新的认可。珀尔对贝叶斯网络的发展产生了一种用于表示不确定的知识的严格而有效的形式体系，以及用于概率推理的实用算法。第12～16章涵盖了这个领域，此外最近的发展大大提升了概率形式体系的表达能力，第20章描述了从数据中学习贝叶斯网络（Bayesian network）和相关模型的方法。
1988年的第二个主要贡献是理查德·萨顿（Rich Sutton）的工作，他将强化学习（20世纪50年代被用于亚瑟·塞缪尔的西洋跳棋程序中）与运筹学领域开发的马尔可夫决策过程（Markov decision processe，MDP）联系起来。随后，大量工作将人工智能规划研究与MDP联系起来，强化学习领域在机器人和过程控制方面找到了应用，并获得了深厚的理论基础。
人工智能对数据、统计建模、优化和机器学习的新认识带来的结果是，计算机视觉、机器人技术、语音识别、多智能体系统和自然语言处理等子领域逐渐统一，此前这些子领域在某种程度上已经脱离了核心人工智能。重新统一的过程在应用方面（例如，在此期间实用机器人的部署大大扩展）和关于人工智能核心问题更好的理论理解方面都产生了显著的效用。
计算能力的显著进步和互联网的创建促进了巨大数据集的创建，这种现象有时被称为大数据（big data）。这些数据集包括数万亿字的文本、数十亿的图像、数十亿小时的语音和视频，以及海量的基因组数据、车辆跟踪数据、点击流数据、社交网络数据等。
这导致了专为利用非常大的数据集而设计的学习算法的开发。通常，这类数据集中的绝大多数例子都没有标签。例如，在雅让斯基关于词义消歧的著作（Yarowsky, 1995）中，出现的一个词（如“plant”），并没有在数据集中标明这是指植物还是工厂。然而，如果有足够大的数据集，合适的学习算法在识别句意的任务上可以达到超过96%的准确率。此外，班科和布里尔认为，将数据集的规模增加两到三个数量级所获得的性能提升会超过调整算法带来的性能提升（Banko and Brill, 2001）。
类似的现象似乎也发生在计算机视觉任务中，例如填补照片中的破洞（要么是由损坏造成的，要么是挖除前朋友造成的）。海斯和埃弗罗斯（Hays and Efros, 2007）开发了一种巧妙的方法，从类似的图像中混合像素。他们发现，该技术在仅包含数千幅图像的数据库中效果不佳，但在拥有数百万幅图像的数据库中，该技术超过了质量阈值。不久之后，ImageNet数据库（Deng et al., 2009）中可用的数千万幅图像引发了计算机视觉领域的一场革命。
大数据的可用性和向机器学习的转变帮助人工智能恢复了商业吸引力（Havenstein, 2005; Halevy et al., 2009）。大数据是2011年IBM的Watson系统在《危险边缘》（Jeopardy!）问答游戏中战胜人类冠军的关键因素，这一事件深深影响了公众对人工智能的看法。
深度学习（deep learning）是指使用多层简单的、可调整的计算单元的机器学习。早在20世纪70年代，研究人员就对这类网络进行了实验，并在20世纪90年代以卷积神经网络（convolutional neural network）（LeCun et al., 1995）的形式在手写数字识别方面取得了一定的成功。然而，直到2011年，深度学习方法才真正开始流行起来，首先是在语音识别领域，然后是在视觉物体识别领域。
在2012年的ImageNet竞赛中，需要将图像分类为1000个类别之一（犰狳、书架、开瓶器等）。多伦多大学杰弗里·辛顿团队开发的深度学习系统（Krizhevsky et al., 2013）比以前基于手工特征的系统有了显著改进。从那时起，深度学习系统在某些视觉任务上的表现超过了人类，但在其他一些任务上还显落后。在语音识别、机器翻译、医疗诊断和博弈方面也有类似的进展。AlphaGo（Silver et al., 2016, 2017, 2018）之所以能够战胜人类顶尖的围棋棋手，是因为它使用了深度网络来表示评价函数。
这些非凡的成功使学生、公司、投资者、政府、媒体和公众对人工智能的兴趣重新高涨。似乎每周都有新的人工智能应用接近或超过人类表现的消息，通常伴随着加速成功或人工智能新寒冬的猜测。
深度学习在很大程度上依赖于强大的硬件，一个标准的计算机CPU每秒可以进行109或1010次运算。运行在特定硬件（例如GPU、TPU或FPGA）上的深度学习算法，每秒可能进行1014～1017次运算，主要是高度并行化的矩阵和向量运算。当然，深度学习还依赖于大量训练数据的可用性，以及一些算法技巧（见第21章）。
斯坦福大学的人工智能百年研究（也称为AI100）召集了专家小组来提供人工智能最先进技术的报告。2016年的报告（Stone et al., 2016; Grosz and Stone, 2018）总结：“未来人工智能的应用将大幅增加，包括更多的自动驾驶汽车、医疗诊断和针对性的治疗，以及对老年人护理的物理援助”，并且“社会现在正处于关键时刻，将决定如何以促进而不是阻碍自由、平等和透明等民主价值观的方式部署基于人工智能的技术”。AI100还在其网站上创建了一个人工智能指数（AI Index），以帮助跟踪人工智能的进展。以下列举了与2000年基线相比（除非另有说明），2018年和2019年报告的一些亮点。
● 出版物：人工智能论文数量在2010年至2019年间增长了20倍，达到每年约2万篇。最受欢迎的类别是机器学习（2009年至2017年，arXiv.org上的机器学习论文数量每年都会翻一番）。其次是计算机视觉和自然语言处理。
● 情绪：大约70%的人工智能新闻文章是中性的，但正面基调的文章从2016年的12%上升到2018年的30%。最常见的问题是道德问题——数据隐私和算法偏见。
● 学生：与2010年基线相比，课程注册人数在美国增加了5倍，全球增加了16倍。人工智能是计算机科学中最受欢迎的专业。
● 多样性：全球人工智能领域的教授中，大约80%是男性，20%是女性。博士生和行业招聘也有类似的数字。
● 会议：NeurIPS的参会人数比2012年增加了8倍，达到13 500人。其他会议的参会人数年增长率约为30%。
● 行业：美国的人工智能初创公司数量增长了20倍，达到800多家。
● 国际化：中国每年发表的论文多于美国，与整个欧洲一样多。但是，在引用加权影响方面，美国作者领先中国作者50%。从人工智能招聘人数看，新加坡、巴西、澳大利亚、加拿大和印度是增长最快的国家。
● 视觉：物体检测的错误率（大规模视觉识别挑战，LSVRC）从2010年的28%下降到2017年的2%，超过了人类的表现。自2015年以来，开放式视觉问答（VQA）的准确率从55%提高到68%，但仍远落后于人类83%的表现。
● 速度：在过去两年中，图像识别任务的训练时间减少了100倍。顶级人工智能应用使用的计算能力每3.4个月就会翻一番。
● 语言：以斯坦福问答数据集（SQuAD）的F1分数衡量的问答准确率，自2015年到 2019年从60分提升到95分，在SQuAD2版本上进展更快，仅在一年内从62分提升到90分。这两个分数都超过了人类表现。
● 人类基准：截至2019年，人工智能系统在多个领域达到或超越人类表现，包括国际象棋、围棋、扑克、《吃豆人》（Pac-Man）、《危险边缘》（Jeopardy!）、ImageNet物体检测、有限域中的语音识别、约束域中的英文翻译、《雷神之锤3》（Quake III）、《刀塔2》（Dota 2）、《星际争霸II》（StarCraft II）、Atari的各种游戏、皮肤癌检测、前列腺癌检测、蛋白质折叠、糖尿病视网膜病变诊断等。
人工智能系统何时（如果可以的话）能够在各种任务中达到人类水平的表现？马丁·福特（Martin Ford）（Ford, 2018）通过对人工智能专家的访谈发现这一目标时间的范围很广，从2029年到2200年，均值为2099年。在一项类似的调查中（Grace et al., 2017），50%的受访者认为这可能在2066年发生，有10%的人认为这最早可能在2025年发生，少数人则认为“不可能”。对于我们是需要根本性的新突破，还是仅仅对现有方法进行改进，专家们也存在分歧。但是不要过于严肃对待他们的预测，正如菲利普·泰洛克（Philip Tetlock）（Tetlock, 2017）在预测世界事件领域所证明的那样，专家并不比业余爱好者预测得更准。
未来的人工智能系统将如何运作？我们还不能确定。正如本节所详述的，这个领域采用了几个关于它本身的故事：首先是一个大胆的想法，即机器的智能是可能的，然后是它可以通过将专家知识编码成逻辑来实现，接着是建模世界的概率模型将成为主要工具，以及最近的机器学习将产生可能根本不基于任何易于理解的理论的模型。未来将揭示接下来会出现什么模式。
人工智能现在能做什么？也许不像一些更乐观的媒体文章让人相信的那样多，但仍然很多，以下是一些例子。
自动驾驶：自动驾驶的历史可以追溯到20世纪20年代的无线电遥控汽车，而在20世纪80年代首次展示了没有特殊向导的自动道路驾驶（Kanade et al., 1986; Dickmanns and Zapp, 1987）。在2005年的212公里沙漠赛道DARPA挑战赛（Thrun, 2006）和 2007 年繁忙城市道路的城市挑战赛上，自动驾驶汽车成功展示之后，自动驾驶汽车的开发竞赛正式开始。2018年，Waymo的测试车辆在公共道路上行驶超过1600万公里，没有发生严重事故，其中人类司机每9650公里才介入一次接管控制。不久之后，该公司开始提供商业机器人出租车服务。
自2016年以来，自动固定翼无人机一直在为卢旺达提供跨境血液输送服务。四轴飞行器可以进行出色的特技飞行，可以在构建三维地图的同时探索建筑，并进行自主编队。
腿足式机器人：雷伯特等人制作的四足机器人BigDog（Raibert et al., 2008），颠覆了我们对机器人如何行动的概念——不再是好莱坞电影中机器人缓慢、僵硬、左右摇摆的步态，而是类似于动物，并且能够在被推倒或在结冰的水坑上滑倒时恢复站立。类人机器人Atlas不仅能在崎岖不平的路况中行走，还可以跳到箱子上，做后空翻后可以稳定落地（Ackerman and Guizzo, 2016）。
自动规划和调度：在距离地球1.6亿公里的太空，美国国家航空航天局（NASA）的“远程智能体”程序成为第一个控制航天器操作调度的机载自动规划程序（Jonsson et al., 2000）。远程智能体根据地面指定的高级目标生成规划，并监控这些规划的执行（在出现问题时检测、诊断和恢复）。现在，Europa规划工具包（Barreiro et al., 2012）被用于NASA火星探测器的日常操作，而Sextant系统（Winternitz, 2017）允许航天器在全球GPS系统之外进行深空自主导航。
在1991年海湾危机期间，美国军队部署了动态分析和重新规划工具Dart（Cross and Walker, 1994），为运输进行自动化的后勤规划和调度。规划涉及的交通工具、货物和人员达5万之多，并且必须考虑起点、目的地、路线、运输能力、港口和机场能力以及解决所有参数之间的矛盾。美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）表示，这一应用取得的效果足以回报DARPA过去30年在人工智能领域的投资。
每天，优步（Uber）等网约车公司和谷歌地图等地图服务为数亿用户提供行车向导，在考虑当前和预测未来交通状况的基础上快速规划最佳路线。
机器翻译：在线机器翻译系统现在可以阅读超过100种语言的文档，涵盖99%的人类使用的母语，每天为数亿用户翻译数千亿词语。虽然翻译结果还不完美，但通常足以理解。对于具有大量训练数据的密切相关的语言（如法语和英语），在特定领域内的翻译效果已经接近于人类的水平（Wu et al., 2016b）。
语音识别：2017年，微软表示其会话语音识别系统的单词错误率已降至5.1%，与人类在Switchboard任务（转录电话对话）中的表现相当（Xiong et al., 2017）。现在全世界大约三分之一的计算机交互是通过语音而不是键盘完成的，另外Skype提供了10种语言的实时语音翻译。Alexa、Siri、Cortana和谷歌都提供了可以回答用户问题和执行任务的助手。例如，谷歌Duplex服务使用语音识别和语音合成为用户预订餐厅，它能够代表用户进行流畅的对话。
推荐：Amazon、Facebook、Netflix、Spotify、YouTube、Walmart等公司利用机器学习技术，根据用户过去的经历和其他类似的人群为用户推荐可能喜欢的内容。推荐系统领域有着悠久的历史（Resnick and Varian, 1997），但由于分析内容（文本、音乐、视频）以及历史和元数据的新深度学习方法的出现，推荐系统正在迅速发生变化（van den Oord et al., 2014; Zhang et al., 2017）。垃圾邮件过滤也可以被认为是推荐（或不推荐）的一种形式。目前的人工智能技术可以过滤掉99.9%以上的垃圾邮件，电子邮件服务还可以推荐潜在收件人以及可能回复的文本。
博弈：1997年，当“深蓝”（Deep Blue）击败国际象棋世界冠军加里·卡斯帕罗夫（Garry Kasparov）后，人类霸权的捍卫者把希望寄托在了围棋上。当时，天体物理学家、围棋爱好者皮特·赫特（Piet Hut）预测称：“计算机在围棋上击败人类需要一百年的时间（甚至可能更久）。”但仅仅20年后，AlphaGo就超过了所有人类棋手（Silver et al., 2017）。世界冠军柯洁说：“去年的AlphaGo还比较接近于人，现在它越来越像围棋之神。”AlphaGo得益于对人类棋手过去数十万场棋局的研究以及对团队中围棋专家的知识提炼。
后继项目AlphaZero不再借助人类输入，只通过游戏规则就能够自我学习并击败所有对手，在围棋、国际象棋和日本将棋领域击败了包括人类和机器在内的对手（Silver et al., 2018）。与此同时，人类冠军在各种游戏中被人工智能系统击败，包括《危险边缘》（Ferrucci et al., 2010）、扑克（Bowling et al., 2015; Moravčík et al., 2017; Brown and Sandholm, 2019），以及电子游戏《刀塔2》（Fernandez and Mahlmann, 2018）、《星际争霸II》（Vinyals et al., 2019）、《雷神之锤3》（Jaderberg et al., 2019）。
图像理解：计算机视觉研究人员不再满足于在具有挑战性的ImageNet物体识别任务上超越人类的准确性，他们开始研究更困难的图像描述问题。一些令人印象深刻的例子包括“一个人在土路上骑摩托车”“两个比萨饼放在炉顶的烤箱上”和“一群年轻人在玩飞盘”（Vinyals et al., 2017b）。然而，目前的系统还远远不够完善，一个“装满大量食物和饮料的冰箱”原来是一个被许多小贴纸遮挡住部分的禁止停车的标志。
医学：现在，人工智能算法在多种疾病的诊断方面（尤其是基于图像的诊断）已经达到或超过了专家医生的水平。例如，对阿尔茨海默病（Ding et al., 2018）、转移性癌症（Liu et al., 2017; Esteva et al., 2017）、眼科疾病（Gulshan et al., 2016）和皮肤病（Liu et al., 2019c)的诊断。一项系统回顾和汇总分析（Liu et al., 2019a）发现，人工智能程序的平均表现与医疗保健专业人员相当。目前医疗人工智能的重点之一是促进人机合作。例如，Lyna系统在诊断转移性乳腺癌方面达到了99.6%的总体准确性，优于独立的人类专家，但两者联合的效果仍然会更好（Liu et al., 2018; Steiner et al., 2018）。
目前，限制这些技术推广的不是诊断准确性，而是需要证明临床结果的改善，并确保透明度、无偏见和数据隐私（Topol, 2019）。2017年，只有两项医疗人工智能应用获得FDA批准，但这一数字在2018年增至12项，并在持续上升。
气候科学：一个科学家团队凭借深度学习模型获得了2018年戈登·贝尔奖，该模型发现了之前隐藏在气候数据中的极端天气事件的详细信息。他们使用了一台具有专用GPU硬件，运算性能超过exaop级别（每秒1018次运算）的超级计算机，这是第一个实现这一目标的机器学习程序（Kurth et al., 2018）。Rolnick等人（Rolnick et al., 2019）提供了一个60页的目录，其中列举了机器学习可用于应对气候变化的方式。
这些只是几个目前存在的人工智能系统的例子。这不是魔法或科幻小说，而是科学、工程和数学，本书将对此进行介绍。
弗朗西斯·培根是一位被誉为创造科学方法的哲学家，他在《论古人的智慧》（The Wisdom of the Ancients）（1609）一书中指出：“机械艺术的用途是模糊的，它既可用于治疗，也可用于伤害。”随着人工智能在经济、社会、科学、医疗、金融和军事领域发挥越来越重要的作用，我们应该考虑一下它可能带来的伤害和补救措施——用现代的说法，就是风险和收益。这里总结的话题在第27章和第28章中有更深入的讨论。
首先从收益说起。简而言之，我们的整个文明是人类智慧的产物。如果我们有机会获得更强大的机器智能，我们的理想上限就会大大提高。人工智能和机器人技术可以将人类从繁重的重复性工作中解放出来，并大幅增加商品和服务的生产，这可能预示着一个和平富足的时代的到来。加速科学研究的能力可以治愈疾病，并解决气候变化和资源短缺问题。正如谷歌DeepMind首席执行官德米斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）所建议的那样：“首先解决人工智能问题，然后再用人工智能解决其他所有问题。”
然而，早在我们有机会“解决人工智能”之前，我们就会因误用人工智能而招致风险，无论这是无意的还是其他原因。其中一些风险已经很明显，而另一些似乎基于当前趋势。
● 致命性自主武器：联合国将其定义为无须人工干预即可定位、选择并击杀人类目标的武器。这种武器的一个主要问题在于它们的可扩展性——不需要人类监督意味着一小群人就可以部署任意数量的武器，并且这些武器的打击目标可以是通过任何可行的识别准则来定义的人类。自主武器所需的技术类似于自动驾驶汽车所需的技术。关于致命性自主武器潜在风险的非正式专家讨论始于2014年的联合国会议，并于2017年进入正式的官方专家组的条约审议阶段。
● 监视和劝诱：安全人员监视电话线路、视频摄像头、电子邮件和其他消息渠道的代价昂贵、乏味且存在法律问题，但可以以一种可扩展的方式使用人工智能（语音识别、计算机视觉、自然语言理解）对个人进行大规模监视并检测感兴趣的活动。基于机器学习技术，通过社交媒体为个人量身定制信息流，可以在一定程度上修改和控制政治行为，这一问题在2016年开始的美国总统选举中变得显而易见。
● 有偏决策：在评估假释和贷款申请等任务中，粗心或故意滥用机器学习算法可能会导致因种族、性别或其他受保护类别而产生有偏见的决策。通常，数据本身反映了社会中普遍存在的偏见。
● 就业影响：关于机器会减少工作岗位的担忧由来已久。故事从来都不是简单的。机器能够完成一些人类可能会做的工作，但它们也让人类更有生产力，因此更适合被雇佣；让公司更具盈利能力，因此能够支付更高的工资。它们可能使一些本来不切实际的活动在经济上可行。它们的使用通常会导致财富增加，但往往会将财富从劳动力向资本转移，从而进一步加剧不平等。之前的技术进步（如机械织布机的发明），对就业造成了严重的影响，但最终人们还是找到了新的工作。另外，人工智能也有可能从事这些新的工作。这个话题正迅速成为世界各地经济学家和政府关注的焦点。
● 安全关键的应用：随着人工智能技术的进步，它们越来越多地应用于高风险、安全关键的应用，如驾驶汽车和管理城市供水。已经发生过致命事故，这凸显了对使用机器学习技术开发的系统进行正式验证和统计风险分析的困难。人工智能领域需要制定技术和道德标准，至少要与其他工程和医疗领域中普遍存在的标准相当，而这些标准关乎人们的生命。
● 网络安全：人工智能技术可用于防御网络攻击，如检测异常的行为模式，但这些技术也能用于增强恶意软件的威力、生存能力和扩散能力。例如，强化学习方法已被用于创建高效的工具，这些工具可以进行自动化、个性化的勒索和钓鱼攻击。
我们将在27.3节更深入地讨论这些主题。随着人工智能系统变得越来越强大，它们将更多承担以前由人类扮演的社会角色。正如人类过去曾利用这些角色作恶一样，可以预见，人类可能会在这些角色中滥用人工智能系统而作恶更多。上面给出的所有例子都指出了治理的重要性，以及最终监管的重要性。目前，研究团体和参与人工智能研究的主要公司已经为人工智能相关活动制定了自愿自治原则（见27.3节）。各国政府和国际组织正在设立咨询机构，为每个具体的用例制定适当的条例，准备应对经济和社会影响，并利用人工智能的能力来解决重大的社会问题。
长期来看呢？我们能否实现长期以来的目标：创造出与人类智力相当或更强大的智能？如果我们做到了，然后呢？
在人工智能的大部分历史上，这些问题都被日常工作所掩盖——让人工智能系统做任何事情，哪怕是远程智能。与任何广泛的学科一样，绝大多数人工智能研究人员专注于特定的子领域，例如博弈、知识表示、视觉或自然语言理解，通常假设这些子领域的进展将有助于实现更广泛的人工智能目标。尼尔斯·约翰·尼尔森（Nils John Nilsson）（Nilsson, 1995）作为SRI的Shakey项目的最初负责人之一，提醒了该领域那些更广泛的目标，并警告说这些子领域本身有成为目标的风险。后来，一些有影响力的人工智能创始人，包括约翰·麦卡锡（McCarthy, 2007）、马文·明斯基（Minsky, 2007）和帕特里克·温斯顿（Beal and Winston, 2009），都认同尼尔森的警告，认为人工智能应该回归其本源，而不是专注于具体应用中可衡量的性能，用赫伯特·西蒙的话来说就是“会思考、会学习、会创造的机器”。他们将这种努力方向称为人类级别的人工智能（human-level AI，HLAI）——机器应该能够学会做人类可以做到的任何事情。他们在2004年召开了第一次研讨会（Minsky et al., 2004）。另一个有着类似目标的工作是通用人工智能（artificial general Intelligence，AGI）运动（Goertzel and Pennachin, 2007），在2008年举行了第一次会议并组织出版了The Journal of Artificial General Intelligence。
大约在同一时间，人们担心创造远远超过人类能力的超级人工智能（artificial superintelligence，ASI）可能是个坏主意（Yudkowsky, 2008; Omohundro, 2008）。图灵（Turing, 1996）在1951年曼彻斯特的一场演讲中也提出了同样的观点，他借鉴了塞缪尔·巴特勒（Samuel Butler）（Butler, 1863）的早期观点：[21]
[21] 甚至在更早的1847年，《原始解释者》（Primitive Expounder）的编辑理查德·桑顿（Richard Thornton）就对机械计算器大加抨击：“思想……超越自身，并通过发明机器进行自我思考来消除自身存在的必要性……但是谁知道，当这种机器变得更加完美的时候，它会不会想出一个规划来弥补自己的所有缺陷，然后想出超出常人所能理解的思想！”
似乎很可能，机器思维方法一旦开始，用不了多久它就会超越我们微弱的力量……因此，在某个阶段，我们应该猜到机器会获得控制权，就像塞缪尔·巴特勒在Erewhon中所提到的那样。
随着深度学习方面的最新进展，尼克·波斯特洛姆（Nick Bostrom）的《超级智能》（Superintelligence）（2014）等图书的出版，以及斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、比尔·盖茨（Bill Gates）、马丁·里斯（Martin Rees）和埃隆·马斯克（Elon Musk）的公开声明，这些担忧只会变得更加普遍。
对创造超级智能机器的想法产生普遍的不安感是自然的。我们可以称之为大猩猩问题（gorilla problem）：大约700万年前，一种现已灭绝的灵长类进化了，一个分支进化为大猩猩，另一个分支进化为人类。今天，大猩猩对人类分支不太满意，大猩猩根本无法控制自己的未来。如果这是成功创造出超级人工智能的结果（人类放弃对未来的控制），那么我们也许应该停止人工智能的研究，并且作为一个必然的结果，放弃人工智能可能带来的好处。这就是图灵警告的本质：我们可能无法控制比我们更聪明的机器。
如果超级人工智能是一个来自外太空的黑匣子，那么谨慎地打开这个黑匣子确实是明智之举。但事实并非如此：我们设计了人工智能系统，所以如果它们最终“掌控了自己”，那将是设计失败的结果（正如图灵所说）。
为了避免这种结果，我们需要了解潜在失败的根源。诺伯特·维纳（Wiener, 1960）在看到亚瑟·塞缪尔的西洋跳棋程序学会下棋并打败其创造者后，开始考虑人工智能的长远未来，他说：
如果我们为了达到目的而使用一个我们无法有效干预其运作方式的机械智能体……那么我们最好能完全确定设定给机器的目标是我们真正想要实现的。
许多文化都有关于人类向神灵、精灵、魔术师或魔鬼索取东西的神话。在这些故事中，他们总是得到了他们真正想要的东西并最终后悔。如果还有第三个愿望的话，那就是撤销前两个。我们将其称为迈达斯国王问题（King Midas problem）：迈达斯是希腊神话中的传奇国王，他要求他所接触的一切都变成黄金，但他在接触了他的食物、饮料和家人后，就后悔了。[22]1.1.5节中我们已经提到过这个问题，将固定目标设定给机器的标准模型需要进行重大修改。解决维纳困境的方法根本不是“给机器设定一个明确的目的”。相反，我们希望机器努力实现人类的目标，但知道它们并不确切地知道这些目标是什么。
[22] 如果迈达斯遵循基本的安全原则，并在他的愿望中包括“撤消”按钮和“暂停”按钮，他会过得更好。
遗憾的是，迄今为止，几乎所有的人工智能研究都是在标准模型下进行的，这意味着这版书中几乎所有的技术材料都反映了这一知识框架。然而，在新框架内已经有一些初步成果。在第16章中，我们指出，当且仅当机器对人类的目标不确定时，机器才有积极的动机允许自己关闭。在第18章中，我们设计并研究辅助博弈（assistance game），它在数学上描述了一种情况，即人类有一个目标而机器试图实现它，但最初不确定目标是什么。在第22章中，我们解释逆向强化学习（inverse reinforcement learning）的方法，它允许机器通过观察人类的选择来更多地了解人类的偏好。在第27章中，我们探讨两个主要的困难：首先，我们的选择取决于我们的偏好，这是通过一个非常复杂、难以逆向的认知结构来实现的；其次，我们人类可能在一开始就没有一致的偏好（无论是作为个人还是作为一个群体），所以人工智能系统可能并不清楚应该为我们做什么。
本章定义了人工智能并阐述了其发展的文化背景。本章要点如下。
● 不同的人对人工智能的期望不同。首先要问的两个重要问题是：你关心的是思想还是行为？你想模拟人类，还是试图达到最佳结果？
● 根据我们所说的标准模型，人工智能主要关注理性行为。理想的智能体会在某种情况下采取可能的最佳行为，在这个意义下，我们研究了智能体的构建问题。
● 这个简单的想法需要两个改进：首先，任何智能体（无论是人还是其他物体）选择理性行为的能力都受到决策计算难度的限制；其次，机器的概念需要从追求明确目标转变到追求目标以造福人类，虽然不确定这些目标是什么。
● 哲学家们（追溯到公元前400年）暗示大脑在某些方面就像一台机器，操作用某种内部语言编码的知识，并且这种思维可以用来选择要采取的行动，从而认为人工智能是有可能实现的。
● 数学家提供了运算逻辑的确定性陈述以及不确定的概率陈述的工具，也为理解计算和算法推理奠定了基础。
● 经济学家将决策问题形式化，使决策者的期望效用最大化。
● 神经科学家发现了一些关于大脑如何工作的事实，以及大脑与计算机的相似和不同之处。
● 心理学家采纳了人类和动物可以被视为信息处理机器的观点。语言学家指出，语言的使用符合这一模式。
● 计算机工程师提供了更加强大的机器，使人工智能应用成为可能，而软件工程师使它们更加易用。
● 控制理论涉及在环境反馈的基础上设计最优行为的设备。最初，控制理论的数学工具与人工智能中使用的大不相同，但这两个领域越来越接近。
● 人工智能的历史经历了成功、盲目乐观以及由此导致的热情丧失和资金削减的循环，也存在引入全新创造性的方法和系统地改进最佳方法的循环。
● 与最初的几十年相比，人工智能在理论和方法上都已经相当成熟。随着人工智能面对的问题变得越来越复杂，该领域从布尔逻辑转向概率推理，从手工编码知识转向基于数据的机器学习。这推动了真实系统功能的改进以及与其他学科更大程度的集成。
● 随着人工智能系统在真实世界中的应用，必须考虑各种风险和道德后果。
● 从长远来看，我们面临着控制超级智能的人工智能系统的难题，它们可能以不可预测的方式进化。解决这个问题似乎需要改变我们对人工智能的设想。
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