Grundkurs Künstliche Intelligenz: Eine praxisorientierte Einführung

396 Pages·2016·7.05 MB·German

by  Wolfgang Ertel (auth.)

Computational Intelligence
Wolfgang Ertel
Grundkurs Künstliche
Intelligenz
Eine praxisorientierte Einführung
4. Auflage
Computational Intelligence
Herausgegebenvon
Prof.Dr.WolfgangBibel,TechnischeUniversitätDarmstadt
Prof.Dr.RudolfKruse,Otto-von-Guericke-UniversitätMagdeburg
Prof.Dr.BernhardNebel,Albert-Ludwigs-UniversitätFreiburg
DieReihe„ComputationalIntelligence“wirdherausgegebenvonProf.Dr.WolfgangBi-
bel,Prof.Dr.RudolfKruseundProf.Dr.BernhardNebel.
AusdenKinderschuhender„KünstlichenIntelligenz“entwachsenbietetdieReihebreit-
gefächertesWissenvondenGrundlagenbisindieAnwendung,herausgegebenvonnam-
haftenVertreternihresFaches.
ComputationalIntelligencehatdasweitgesteckteZiel,dasVerständnisunddieRealisie-
rung intelligenten Verhaltens voranzutreiben. Die Bücher der Reihe behandeln Themen
aus den Gebieten wie z.B. Künstliche Intelligenz, Softcomputing, Robotik, Neuro- und
Kognitionswissenschaften.EsgehtsowohlumdieGrundlagen(inVerbindungmitMathe-
matik,Informatik,Ingenieurs-undWirtschaftswissenschaften,BiologieundPsychologie)
wieauchumAnwendungen(z.B.Hardware,Software,Webtechnologie,Marketing,Ver-
trieb,Entscheidungsfindung).HierzubietetdieReiheLehrbücher,Handbücherundsolche
Werke,diemaßgeblicheThemengebietekompetent,umfassendundaktuellrepräsentieren.
WeitereBändedieserReihefindenSieunterhttp://www.springer.com/series/12572
Wolfgang Ertel
Grundkurs Künstliche
Intelligenz
Eine praxisorientierte Einführung
4., überarbeitete Auflage
WolfgangErtel
InstitutfürKünstlicheIntelligenz,
HochschuleRavensburg-Weingarten
Weingarten,Deutschland
ComputationalIntelligence
ISBN978-3-658-13548-5 ISBN978-3-658-13549-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-13549-2
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Vorwort zur vierten Auflage
Nach60JahrenistdieKünstlicheIntelligenz(KI)nuninderIndustrieundimBewusstsein
der Bevölkerung angekommen. Die beeindruckenden Erfolge und die dabei verwende-
ten neuen Methoden der KI sind so relevant, dass sie auch in einem Grundkurs kurz
beschrieben werden sollten. Auf etwa dreißig neuen Seiten berichte ich vor allem über
Deep Learning, eine konsequenteWeiterentwicklung von neuronalenNetzen, die es der
Bildverarbeitungnun erstmals ermöglicht,auf Pixelbildern fast beliebige Objektezu er-
kennen.DavonprofitiertunteranderemaucheinComputerprogramm,daserstmalseinen
derweltbestenSpielerimGoschlagenkonnte.
IndemneuenAbschnittüberDeepLearningdarfaucheinkurzerBerichtüberdasfas-
zinierendeneueTeilgebietderKreativitätnichtfehlen.ErstmalskönnenneuronaleNetze
kreativ Texte, Musikstücke und Gemälde, zum Beispiel im Stil von alten Meistern, ge-
nerieren.Diese Erfolgebasieren auf vielenJahren Forschungan neuronalenNetzen und
maschinellemLernen.DiepraktischeKIhatsichzueinerIngenieursdisziplinentwickelt,
inderdieProgrammeteilweiseingroßenindustriellenTeamsmitExpertenderverschie-
denenSpezialthemenentwickeltwerden.
Selbstfahrende Autos, Serviceroboter und Smart Homes – alles KI-Anwendungen –
werden unser Leben stark verändern. Neben großen Lichtblicken wird es auch Schat-
tenseiten geben. In einer Zeit des rasanten technologischen Fortschritts haben wir die
GrenzendesWachstumslängstüberschritten.Wirmüssen unsdaherbeijederErfindung
GedankenüberdieNachhaltigkeitihrerAnwendungmachen.InKap.1möchteichdazu
einigeDenkanstößegeben.
NeuimBuchsindauchzweipraktischeBeispielezurErklärungderwichtigenBayes-
FormelundihrerRelevanzimAlltagsowieeinAbschnittüberdieMessungderQualität
von Clustering-Ergebnissen. Schließlich wird bei den Suchverfahren der Zyklencheck
analysiert, die Routenplanung für Auto-Navigationssysteme als Anwendung dargestellt
undMonteCarloTreeSearchkurzeingeführt.
AllebekanntenFehlerwurdenkorrigiertundanvielenStellenAktualisierungenvorge-
nommen.
VonHerzenbedankenmöchteichmichbeidenLesern,diemirFeedbackgegebenha-
ben und bei allen, die durch Korrekturlesen und Anregungen mit zu dieser Neuauflage
beigetragenhaben.BesondershervorhebenmöchteichAdrianBatzillfürdieMessungen
V
VI VorwortzurviertenAuflage
undGraphenzurRoutenplanungsowiebeiNicoleDathe,MarkusSchneider,RobinLeh-
mann,AnkitaAgrawal,WenzelMassag,LarsBerge,JonasLangundRichardCubek.
Ravensburg,April2016 WolfgangErtel
Vorwort zur dritten Auflage
InKap.8gibtesnunzweineueAbschnitte.DaswichtigeThemaKreuzvalidierungerhält
in Abschn. 8.5 endlich den verdienten Raum. In Abschn. 8.8 über One-Class-Learning
werden Verfahren zum Lernen von Klassifikatoren beschrieben, wenn nur Daten einer
Klasseverfügbarsind.
Neben der Fehlerkorrektur wurden an vielen Stellen Aktualisierungen vorgenommen
sowie die Literaturliste ergänztum wichtige neue Standardwerkewie etwa [Bis06]. Die
Geschichte der KI wurde ergänzt um die ganz wichtige aktuelle Strömung hin zu auto-
nomen Maschinen und Robotern. Kap. 6 wurde ergänzt durch neue Trends bei Schach-
computern.Interessantist,dassdieneuestenEntwicklungenbeimSchachnichtmehrauf
Hardwareleistung,sondernauflernfähigeKIsetzen.DieNearestNeighbour-Methodenin
Kap.8wurdenergänztdurcheinanschaulichesBeispiel.
Ravensburg,März2013 WolfgangErtel
VII
Vorwort zur zweiten Auflage
Ich bedanke mich bei allen Lesern des Buches und ganz besonders bei Richard Cu-
bek für Kommentare, Kritik und die Meldung von Fehlern. Neben der Fehlerkorrek-
turwarenaneinigenStellenErgänzungenundÄnderungenangebracht.Soüberarbeitete
ichzumBeispieldieBeschreibungderNormalformtransformationfürprädikatenlogische
Formeln und fügte beim Perzeptron ergänzendeErklärungen ein. Die Beschreibung des
Backpropagation-AlgorithmuswurdedurchPseudocodeverbessertunddieEinführungin
dasClusteringergänzteichzurVeranschaulichungdurcheinBild.DasKapitelzehnzum
Lernen durch Verstärkung wurde erweitert um einige wichtige Strömungen in der aktu-
ellen Forschung und zusätzliche Anwendungen. Ich hoffe, dadurch die Faszination der
künstlichenIntelligenznocheinwenigbesservermittelnzukönnen.
Ravensburg,Mai2009 WolfgangErtel
IX
Vorwort zur ersten Auflage
MitdemVerstehenvonIntelligenzunddemBauintelligenterSystemegibtsichdieKünst-
liche Intelligenz (KI) ein Ziel vor. Die auf dem Weg zu diesem Ziel zu verwendenden
Methoden und Formalismen sind aber nicht festgelegt, was dazu geführt hat, dass die
KIheuteauseinerVielzahlvonTeildisziplinenbesteht.DieSchwierigkeitbeieinemKI-
Grundkursliegtdarin,einenÜberblickübermöglichstalleTeilgebietezuvermitteln,ohne
allzuvielVerlustanTiefeundExaktheit.
DasBuchvonRussellundNorvig[RN03]definiertheutequasidenStandardzurEin-
führung in die KI. Da dieses Buch aber mit 1327 Seiten in der deutschen Ausgabe für
diemeistenStudierendenzuumfangreichundzuteuerist,warendieVorgabenfürdaszu
schreibende Buch klar: Es sollte eine für Studierende erschwingliche Einführung in die
moderneKI zum Selbststudium oder als Grundlagefür eine vierstündige Vorlesung mit
maximal300Seitenwerden.DasErgebnisliegtnunhiervor.
Beieinem Umfang von ca. 300 Seiten kann ein dermaßen umfangreichesGebiet wie
dieKInichtvollständigbehandeltwerden.DamitdasBuchnichtzueinerInhaltsangabe
wird, habe ich versucht, in jedem der Teilgebiete Agenten, Logik,Suche, Schließen mit
Unsicherheit, maschinelles Lernen und NeuronaleNetze an einigen Stellen etwas in die
TiefezugehenundkonkreteAlgorithmenundAnwendungenvorzustellen.
NichtimDetailbehandeltwerdendieGebieteBildverarbeitung,Fuzzy-Logik,unddie
Verarbeitung natürlicher Sprache. Das für die gesamte Informatik wichtige Gebiet der
BildverarbeitungstellteineeigenständigeDisziplinmitsehrgutenLehrbüchern,zumBei-
spiel[Jäh05]dar.EinenähnlichenStatushatdieVerarbeitungnatürlicherSprache.Beim
Erkennen und auch beim Erzeugen von Texten und gesprochener Sprache kommen un-
ter anderem Methoden aus der Logik, dem probabilistischen Schließen sowie neuronale
Netze zur Anwendung. Insofern gehört dieses Gebiet zur KI. Andererseits ist auch die
Computerlinguistik ein eigenes umfangreiches Teilgebiet der Informatik mit vielen Ge-
meinsamkeiten zu formalen Sprachen. Wir werden in diesem Buch an einigen Stellen
aufentsprechendeSystemehinweisen,aberkeinesystematischeEinführungbereitstellen.
Für eine erste Einführung in dieses Gebiet verweisen wir auf die Kapitel 22 und 23 in
[RN03].DieFuzzy-Logik,beziehungsweisedieFuzzy-Mengentheoriehatsichaufgrund
ihrerprimärenAnwendungeninderAutomatisierungstechnikzueinemTeilgebietderRe-
XI