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Christian Posthoff Computer und Künstliche Intelligenz Vergangenheit – Gegenwart – Zukunft Computer und Künstliche Intelligenz Christian Posthoff Computer und Künstliche Intelligenz Vergangenheit – Gegenwart – Zukunft Christian Posthoff Chemnitz, Deutschland ISBN 978-3-658-37767-0 ISBN 978-3-658-37768-7 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-37768-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2022 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Petra Steinmueller Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Danksagung Während der langen Tätigkeit an Universitäten und Hochschulen ist man natürlich vielen Leuten dankbar, mit denen man in unterschiedlicher Art und Weise zusammengearbeitet hat. Eine lange Liste von Namen würde aber die Gefahr in sich bergen, dass man jemand vergisst. Deshalb möchte ich an dieser Stelle nur die Zusammenarbeit mit Professor Bernd Steinbach (Abb. 1) betonen, mit dem ich über einen Zeitraum von 40 Jahren hinweg zusammengearbeitet habe. Mit ihm habe ich viele Probleme bis zum letzten Komma diskutiert. Er ist ein kreativer Diskussionspartner, er verfeinert jeden Algorith- mus und setzt ihn erfindungsreich um. Ohne ihn hätte es nur die Theorie gegeben, die praktischen Ergebnisse sind allein ihm zu verdanken. Abb. 1 Professor Dr. Bernd Steinbach V Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort ....................................................... 1 2 Einleitung ...................................................... 5 3 Wie definiert man Intelligenz? ..................................... 9 3.1 Unterschiedliche Konzepte für die Definition von Intelligenz ........ 9 3.2 Intelligenztests ............................................. 15 4 Die historische Entwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1 Die Anfänge ............................................... 17 4.2 Die Dartmouth-Konferenz .................................... 25 4.3 Algorithmen und Programmiersprachen ......................... 26 4.3.1 Die 1930er- und 1940er-Jahre: Logische Kalküle ............. 27 4.3.2 Die 1950er-Jahre: Erste moderne Programmiersprachen. . . . . . . . 28 4.3.3 Die 1960er- und 1970er-Jahre: Entwicklung neuer Paradigmen ...................................... 29 4.3.4 Objektorientierte Programmierung ........................ 30 4.3.5 Die 1980er-Jahre ...................................... 31 4.3.6 Die weitere Entwicklung ................................ 32 4.4 Die Turing-Maschine ........................................ 33 4.5 Die ersten Computer – der Turing-Test – die Einzelband- Turing-Maschine ........................................... 34 4.6 LaTeX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.7 Die Entwicklung der Computer ................................ 39 5 Mathematik auf dem Computer ................................... 43 5.1 Microsoft Mathematics ...................................... 44 5.2 Mathematica ............................................... 45 5.3 Maple .................................................... 46 VII VIII Inhaltsverzeichnis 6 Polynomiale und exponentielle Komplexität ......................... 51 6.1 Einführende Betrachtungen ................................... 51 6.2 Mathematische Beschreibungen der Komplexität .................. 54 6.3 Erfüllbarkeitsprobleme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.4 Das Auffinden von Widersprüchen – Inkonsistenzbeweise ........... 58 6.5 Probleme aus der Kombinatorik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.6 Färbungsprobleme .......................................... 62 7 Spieltheorie, Kybernetik und Informationstheorie .................... 67 7.1 Spieltheorie ............................................... 67 7.2 Kybernetik ................................................ 68 7.3 Informationstheorie ......................................... 71 8 Maschinelles Lernen und neuronale Netze ........................... 73 8.1 Neuronale Netze ............................................ 73 8.2 AlphaZero gewinnt bei Schach, Go und Shogi .................... 81 8.3 Übersetzung zwischen verschiedenen Sprachen ................... 82 9 Weitere Anwendungen ........................................... 87 9.1 Datenbanken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.2 Handel über das Internet ..................................... 90 9.3 Big Data .................................................. 95 9.4 Die Rolle der Simulation ..................................... 111 10 Digitalisierung .................................................. 121 10.1 Die Grundlagen der Digitalisierung ............................. 122 10.2 Einige Anwendungen ........................................ 124 11 Bildverarbeitung ................................................ 131 11.1 Die Vorhersage von Erdbeben ................................. 131 11.2 Tumore, Alzheimer, Herzkrankheiten ........................... 133 11.3 Erkennung von Viren ........................................ 136 11.4 Medizinische Anwendungen .................................. 137 11.5 Weitere Anwendungen ....................................... 140 11.6 Die Grundlagen der Bildverarbeitung ........................... 141 11.7 Die Bearbeitung von Bildern .................................. 144 12 Robotik ........................................................ 157 12.1 Roboter in der Chirurgie ..................................... 171 12.2 Roboter helfen in der Pflege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 12.3 Weitere interessante Anwendungen ............................. 174 13 Künstliche Intelligenz in der Finanzwirtschaft ....................... 181 Inhaltsverzeichnis IX 14 Künstliche Intelligenz und Ausbildung .............................. 191 14.1 Die Ausbildung von KI-Fachleuten ............................. 191 14.2 Die Anwendung der Künstlichen Intelligenz in der Ausbildung ....... 193 15 Künstliche Intelligenz in der Kunst ................................. 197 15.1 Künstliche Intelligenz und Musik .............................. 197 15.2 Künstliche Intelligenz und Architektur .......................... 199 16 Künstliche Intelligenz im Rechtswesen .............................. 203 17 Zukünftige Entwicklungen ........................................ 213 Literatur ........................................................... 221 Stichwortverzeichnis ................................................. 225 Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1 Der Zeiss-Rechenautomat ZRA 1 ............................ 2 Abb. 2.1 Die Leistungsfähigkeit der Computer nimmt ständig zu ........... 6 Abb. 2.2 Es wird eine Analogie zwischen Computer und Gehirn dargestellt ... 6 Abb. 3.1 Die Masse von Tieren sichert das Überleben der meisten .......... 12 Abb. 3.2 Schwarmverhalten ........................................ 12 Abb. 3.3 Intelligenztest – wie viel Tiere kann man sehen? ................ 15 Abb. 4.1 Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) ....................... 18 Abb. 4.2 Der Brief, in dem das Dualsystem beschrieben wird .............. 19 Abb. 4.3 George Boole (1815–1864) ................................. 20 Abb. 4.4 Eine Additionsschaltung für vier Bits ......................... 22 Abb. 4.5 Claude Shannon (1916–2001) ............................... 23 Abb. 4.6 Eine Parallelschaltung realisiert die Disjunktion y=a∨b ........ 23 Abb. 4.7 Eine Reihenschaltung realisiert die Konjunktion y=a∧b ........ 24 Abb. 4.8 Die Dartmouth-Konferenz 1955 ............................. 25 Abb. 4.9 Ein Jacquard-Webstuhl, der mit Lochkarten gesteuert wird ........ 27 Abb. 4.10 Konrad Zuse (1910–1995) .................................. 28 Abb. 4.11 Eine japanische Tastatur .................................... 29 Abb. 4.12 Niklaus Wirth (* 1934) .................................... 31 Abb. 4.13 ENIGMA – das zur Code-Entschlüsselung benutzte Gerät ......... 34 Abb. 4.14 Alan Turing (1912–1954) ................................... 35 Abb. 4.15 Eine Einzelband-Turing-Maschine ........................... 36 Abb. 4.16 Ein kurzer LaTeX-Text .................................... 39 Abb. 4.17 Das Moore'sche Gesetz für Supercomputer ..................... 40 Abb. 4.18 Ein Supercomputer mit vielen parallel arbeitenden Prozessoren. . . . . 40 Abb. 5.1 Ein mechanischer Rechner aus den 1960er-Jahren ............... 43 Abb. 5.2 Der Arbeitsbildschirm von Microsoft Mathematics ............... 44 Abb. 5.3 In diesem Bild wird der Goldene Schnitt verwendet .............. 45 Abb. 5.4 Mathematica ............................................. 46 Abb. 5.5 Maple .................................................. 47 Abb. 6.1 Der Schmetterlingseffekt ................................... 52 XI XII Abbildungsverzeichnis Abb. 6.2 Der Lorenz-Attraktor ...................................... 53 Abb. 6.3 Lineare, exponentielle und logarithmische Komplexität ........... 55 Abb. 6.4 Miniaturisierung der Schaltkreise ............................ 57 Abb. 6.5 Exponentielle Komplexität eines Stammbaums .................. 57 Abb. 6.6 David Hilbert (1862–1943) ................................. 59 Abb. 6.7 Vier Damen auf einem kleinen Schachbrett, die sich nicht gegenseitig bedrohen ........................... 60 Abb. 6.8 Acht Damen auf einem Schachbrett 8 × 8 ...................... 61 Abb. 6.9 Neun Damen und ein Bauer – zehn Damen und zwei Bauern ....... 62 Abb. 6.10 Zu untersuchen ist die Folge 1 – 2 – 3 – 4 – 1 ................... 63 Abb. 6.11 Eine Lösung für die Matrix 18×18. .......................... 64 Abb. 6.12 Es gibt viele verschiedene Rundreisen durch die gleichen Städte .... 65 Abb. 6.13 Das Königsberger Brückenproblem ........................... 65 Abb. 7.1 John von Neumann (1903–1957) ............................. 68 Abb. 7.2 Norbert Wiener (1894–1964) ................................ 69 Abb. 7.3 Eine hoher Wert von p ergibt eine geringe Information. . . . . . . . . . . . 71 Abb. 8.1 Warren McCulloch (1898–1969) ............................. 74 Abb. 8.2 Walter Pitts (1923–1969) ................................... 74 Abb. 8.3 Eine mögliche Struktur eines Perzeptrons ...................... 76 Abb. 8.4 Frank Rosenblatt (1928–1971). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Abb. 8.5 Ein Perzeptronennetz ...................................... 77 Abb. 8.6 Ein Ausschnitt aus einem Neuronennetz ....................... 78 Abb. 8.7 Korrektur der Gewichte von rechts nach links ................... 79 Abb. 8.8 Die Architektur eines tiefen CNN ............................ 80 Abb. 8.9 Computer contra Go-Weltmeister ............................ 81 Abb. 8.10 Eine Übersetzung ins Japanische ............................. 84 Abb. 8.11 Eine Übersetzung ins Chinesische ............................ 84 Abb. 9.1 Die erste Briefmarke von Britisch-Guyana ..................... 89 Abb. 9.2 Alle erreichbaren Daten werden gespeichert .................... 96 Abb. 9.3 Eine Welle von Erwärmung und Abkühlung .................... 115 Abb. 10.1 Eine Digitalkamera der Firma Sony ........................... 121 Abb. 10.2 Ein Museum für digitale Kunst in Tokio ....................... 126 Abb. 10.3 Gravitationswellen ........................................ 126 Abb. 10.4 Auch in der Landwirtschaft ändert sich das Berufsbild ............ 128 Abb. 10.5 Das Bildungswesen der Zukunft?! ............................ 129 Abb. 11.1 Erdbeben der Stärke 3,6 in der Schweiz ....................... 133 Abb. 11.2 Magnetresonanztomographie ................................ 134 Abb. 11.3 Innere Organe des Menschen ................................ 138 Abb. 11.4 Steuerung des Straßenverkehrs .............................. 141 Abb. 11.5 Ein typisches Pixelbild ..................................... 142 Abb. 11.6 Eine Schwarz-Weiß-Darstellung ............................. 143 Abb. 11.7 Die Verwendung von Farben mit dem Wert 30 .................. 144