Grundkurs Künstliche Intelligenz: Eine praxisorientierte Einführung PDF
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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 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©SpringerFachmedienWiesbaden2008,2009,2013,2016 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Das giltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEin- speicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesemWerk be- rechtigtauch ohnebesondere Kennzeichnung nicht zuderAnnahme, dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebung alsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenin diesemWerkzumZeitpunkt derVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnoch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit,Gewähr für den Inhalt des Werkes,etwaigeFehleroderÄußerungen. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. SpringerViewegistTeilvonSpringerNature DieeingetrageneGesellschaftistSpringerFachmedienWiesbadenGmbH 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
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