Inteligência Artificial. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 1

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1 Inteligência Artificial Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 1

2 Objetivos Apresentar os conceitos básicos e fundamentais da AI; Estudar e compreender seus métodos, técnicas e aplicações; Pesquisar e utilizar software, ferramentas e outros recursos da IA; Capacitar para a realização de futuros estudos em maior profundidade em áreas específicas da IA Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 2

3 Ementa N Estudo dos conceitos, modelos, métodos, técnicas e aplicações da Inteligência Artificial. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 3

4 Programa Introdução e Conceitos Básicos. Agentes Inteligentes e Sistemas Multiagentes. Estratégias de Pesquisa em Espaços de Estados. Representação e Raciocínio. Elaboração de Planos. Modelos Conexionistas. Sistemas Subsimbólicos. Complexidade, Caos e Auto-organização. Aprendizado de Máquina. Comunicação, Percepção e Ação. Aplicações Avançadas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 4

5 BITTENCOURT, Guilherme: Inteligência Artificial Ferramentas e Teorias. Editora da UFSC. 2ª. Edição. Florianópolis, p. RICH, Elaine; KNIGHT, Kevin: Inteligência Artificial. Makron Books. 2ª. Edição. São Paulo, p. RUSSELL, Stuart; NORVIG, Peter: Articial Intelligence. Prentice-Hall. New Jersey, (2a. edição) 1080p. RUSSEL, Stuart; NORVIG, Peter: Inteligência Artificial. Campus, São Paulo, p. WINSTON, Patrick Henry: Artificial Intelligence. 3rd. Edition. Addison-Wesley. Reading, p. Articial Intelligence - A Modern Approach, P. Norvig, S. Russell, 2Ed., Inteligência Artificial Bibliografia Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 5

6 A disciplina está organizada em 12 módulos, cada um abordando um aspecto da IA, com seus próprios objetivos, conteúdos, recursos, metas de pesquisa, exercícios e tarefas para entregar em datas pré-definidas ; Além disso há um Trabalho Final, que deve ser desenvolvido e implementado ao longo de todo semestre. O Trabalho Final será avaliado em três momentos: O projeto, o protótipo e o relatório final ou artigo Como qualquer cadeira ministrada neste curso, a disciplina exige elevado grau de autonomia e iniciativa por parte dos alunos, que controlam em grande parte a própria aprendizagem. A avaliação é formativa e a abordagem pedagógica é construtivista, centrada no aluno. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 6

7 Módulo 1 Introdução e Conceitos Básicos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 7

8 1. Introdução e Conceitos Básicos Módulo 1 Inteligência Artificial Objetivos do Módulo Leituras Recomendadas Estudo Complementar Exercícios e Tarefas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 8

9 Objetivos do Módulo Situar a Inteligência Artificial (IA) como ciência em função de seus conceitos e objetivos essenciais. Estudar as diferentes abordagens adotadas na IA e o seu relacionamento com outras ciências, como filosofia, psicologia, linguística, etc. Relatar aspectos do desenvolvimento da IA ao longo do tempo e estabelecer o estado da arte vigente no momento atual. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 9

10 O que é a IA? Perspectiva histórica Estado da arte 4 perspectivas diferentes sobre o que é a IA: Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 10

11 O que é a IA? Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 11

12 Definição Nossa espécie é denominada como Homo sapiens homem sábio isso porque nossa capacidade mental é muito importante para nós. Há milhares de anos procura-se entender como pensamos. A IA vai mais além: ela tenta não apenas compreender, mas também construir entidades inteligentes. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 12

13 Inteligência Artificial Inteligência Artificial (IA) é um ramo da Ciência da Computação que reúne uma extensa gama de disciplinas relacionadas com a reprodução, em sistemas artificiais, do pensamento e das características normalmente associadas à inteligência humana. O escopo da IA é portanto muito amplo e abrange desde estudos epistemológicos e filosóficos até a robótica e sistemas adaptativos, passando por modelos formais de raciocínio, redes neurais artificiais, teoria do caos, algoritmos genéticos e assim por diante. No presente módulo aborda-se o estudo da IA em abrangência, visando oferecer ao estudante uma visão panorâmica da área, suas aplicações e potencialidades. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 13

14 Russell & Norvig (1995) Sistemas que pensam como humanos Sistemas que agem como humanos Sistemas que pensam racionalmente Sistemas que agem racionalmente Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 14

15 Inteligência Artificial Inteligência Artificial (IA) é a área da ciência da computação orientada ao entendimento, construção e validação de sistemas inteligentes, isto é, que exibem, de alguma forma, características associadas ao que chamamos inteligência. (Rich & Knight, 1994) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 15

16 Actuar como os humanos: o teste de Turing Turing (1950) "Computing machinery and intelligence": As máquinas podem pensar?" As máquinas podem ter um comportamento inteligente? Previsão de que no ano 2030 uma máquina teria 80% de hipóteses de simular comportamento humano Dominou desenvolvimento da IA nos 50 anos seguintes Introdução das componentes principais da IA: conhecimento, raciocínio, comunicação, aprendizagem Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 16

17 Fundamentos da IA Filosofia (428 a.c.) Matemática (800) Economia (1776) Neurociência (1861) Psicologia (1879) Engenharia da Computação (1940) Linguística (1957) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 17

18 Filosofia Como a mente (intelecto) se desenvolve a partir de um cérebro físico? De onde vem o conhecimento? Como o conhecimento conduz a ação? Aristóteles ( a.c.) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 18

19 Matemática Quais são as regras formais para obter conclusões válidas? O que pode ser computado? Como raciocinamos com informações incorretas? George Boole ( ) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 19

20 Economia Adam Smith trata a economia como ciência. A economia estuda como pessoas fazem escolhas que levam a resultados preferenciais. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 20

21 Neurociência Inteligência Artificial Estudo do sistema nervoso em particular o cérebro. O cérebro está envolvido com o pensamento. Ainda uma batalha para cientistas da área. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 21

22 Psicologia Visão do cérebro como um dispositivo de processamento de informações, que envolve uma certa forma de inferência lógica inconsciente. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 22

23 Engenharia de computadores Como podemos construir um computador eficiente? O software da ciência da computação contribuiu e contribui com SO, linguagens de programação e ferramentas. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 23

24 Linguística Como a linguagem se relaciona com o pensamento? Representação do conhecimento. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 24

25 Filosofia --> Lógica, raciocínio, mente como sistema físico, fundamentos de aprendizagem, linguagem, racionalidade Matemática - -> Representação formal e algoritmos, provas, computação, probabilidade Economia --> utilidade, investigação operacional Neurologia --> componente física da actividade mental Psicologia --> fenómeno da percepção e do controlo motor, técnicas experimentais Engenharia de computadores --> computadores eficientes Linguística --> representação, gramática Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 25

26 História da IA 1943 McCulloch & Pitts: modelo do cérebro usando um circuito Booleano 1950 Artigo Turing "Computing Machinery and Intelligence" 1956 Encontro de Dartmouth: nome Inteligência Artificial" 1950s Primeiros sistemas da IA, incluindo jogo de xadrez de Samuel, Demonstrador de Teoremas Lógicos, de Newell & Simon, Engenho de Geometria de Gelernter 1965 Algoritmo completo para raciocínio lógico de Robinson IA descobre complexidade computacional Início do desenvolvimento de sistemas baseados em conhecimento IA como indústria IA como ciência Agentes inteligentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 26

27 Estado da arte Deep Blue venceu campeão mundial de xadrez Garry Kasparov em 1997 Prova de uma conjectura matemática (conjectura de Robbins) que ficou por resolver durante décadas Piloto automático em 98% do tempo entre Pittsburgh e San Diego (4000km) Durante a guerra do golfo de 1991, as forças americanas desenvolveram um programa de planeamento e escalonamento envolvendo 50,000 veículos, carga e pessoas Planeador autónomo a bordo de uma nave espacial da NASA controla o escalonamento das operações Proverb resolve palavras cruzadas melhor do que a maioria dos humanos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 27

28 Pensar racionalmente: leis do pensamento Aristóteles: quais são os argumentos correctos / processos do pensamento? Escolas Gregas desenvolveram várias formas de lógica: notação e regras de derivação para o pensamento; Relação entre matemática e filosofia e a IA moderna Problemas: 1. Nem todo o comportamento inteligente resulta de uma deliberação lógica 2. Qual é o objectivo do pensamento? Que pensamentos devo ter? Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 28

29 Pensar Racionalmente Inteligência Artificial A abordagem das Leis do Pensamento. Origem: os silogismos de Aristóteles. Conexão direta da matemática e da filosofia com a IA moderna. Obstáculos: não é fácil representar o conhecimento informal Há uma grande diferença entre resolver um problema em princípio e resolvê-lo na prática. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 29

30 Pensar como os humanos: modelação do conhecimento Revolução do conhecimento em 1960 com a Psicologia e a Neurologia Necessidade de uma formulação científica sobre a actividade do cérebro Processo de validação? 1) Estimativa e teste do comportamento humano (abordagem topo-base/top-down) ou 2) Identificação directa de dados neurológicos (abordagem base-topo/bottom-up) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 30

31 Pensar como Humano A abordagem da Modelagem Cognitiva Como os seres humanos pensam? A Ciência Cognitiva é hoje uma área paralela, que inspira a IA e é inspirada por ela. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 31

32 Pensar como Humano Como podemos dizer que um programa pensa como um ser humano? A ciência cognitiva se baseia na investigação experimental de seres humanos ou animais. O caso é que temos acesso apenas a computadores para realizar experimentação. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 32

33 Agir como Humano A abordagem do Teste de Turing O computador passará no teste se um interrogador humano, depois de propor algumas perguntas por escrito, não conseguir descobrir se as respostas escritas vêm de uma pessoa ou não. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 33

34 Agir como Humano Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 34

35 Agir como Humano Antecipou todas as grandes questões da IA: Processamento da Linguagem Natural: para permitir que ele se comunique com sucesso em um idioma natural. Representação de Conhecimento: para armazenar o que sabe e ouve. Automação do Raciocínio: armazenar respostas e perguntas e tirar novas conclusões. Aprendizado de Máquina: adaptação. Dessa forma o computador precisaria ter todas as capacidades acima. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 35

36 Pensar como os humanos Actuar como os humanos Pensar racionalmente Actuar racionalmente A nossa perspectiva é actuar racionalmente Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 36

37 Tarefa 1: Faça um resumo de no máximo DUAS páginas das leituras realizadas, destacando os pontos que você considerou de maior importância e interesse para o seu aprendizado e as dúvidas ou questões que possam ter surgido dessas leituras. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 37

38 Modulo 2 Agentes Inteligentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 38

39 Agentes Inteligentes Objetivos do Módulo Estudo Complementar Exercícios e Tarefas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 39

40 Modulo 2 Agentes Inteligentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 40

41 Objectivos do Módulo 2 Levar o aluno a entender com clareza o conceito de agente inteligente, sua estrutura e atributos essenciais; Introduzir as principais taxonomias empregadas na classificação dos agentes inteligentes; Pesquisar as principais ferramentas empregadas na programação de agentes inteligentes e seus ambientes, ilustrando-as com aplicações específicas. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 41

42 Agentes Inteligentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 42

43 Agentes Inteligentes Agentes inteligentes são artefatos de software que apresentam uma série de atributos, tais como autonomia, orientação a objectivos e mobilidade, aliados à capacidade de raciocinar sobre a própria acção, planeiando e controlando seus actos para atingir seus objectivos da forma mais eficaz possível. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 43

44 Agentes Um agente é tudo o que é capaz de captar/perceber o ambiente onde se encontra, através de sensores e actua nesse ambiente através de actuadores Agente Humano Sensores: olhos, orelhas e outros órgãos Actuadores: mãos, pernas, boca e outras partes do corpo Agente Robótico Sensores: câmaras e infravermelhos Actuadores: partes motoras Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 44

45 Agentes e ambientes A função agente mapeia uma sequência de percepções em acções: [f: P* A] O programa agente é executado numa plataforma para produzir f agente = plataforma + programa\ Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 45

46 Mundo do aspirador Percepções [localização, conteúdo] Localização: A, B Conteúdo: Limpo, Sujo Acções: Esquerda, Direita, Aspirar Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 46

47 Agente aspirador Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 47

48 Agente aspirador Função AgenteAspirador ([posição, estado]) devolve acção Se estado = Sujo então devolve Aspirar Senão se posição = A então devolve Direita Senão se posição = B então devolve Esquerda Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 48

49 Agentes racionais Agente Racional: Por cada sequência de percepções possível, um agente racional deve seleccionar uma acção que é suposto maximizar a sua medida de desempenho, dada a informação disponibilizada pela sequência de percepções e eventualmente pelo conhecimento que o agente possui. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 49

50 Agentes racionais Um agente deve procurar fazer o que está certo", baseado nas suas percepções e nas acções que pode tomar A acção certa é aquela que dá maior expectativa de sucesso ao agente Medida de desempenho: critério objectivo que mede o sucesso do comportamento do agente Por exº, medida de desempenho do agente aspirador pode ser a sujidade aspirada, tempo utilizado, electricidade consumida, ruído gerado, etc. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 50

51 Agentes racionais Racionalidade omnisciência Percepções podem não disponibilizar conhecimento que é importante Racionalidade clarividência Resultado de uma acção pode não estar de acordo com o esperado Logo, racionalidade sucesso Racionalidade exploração, aprendizagem, autonomia Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 51

52 Agente autónomo Um agente é autónomo se o seu conhecimento for determinado apenas pela sua experiência (com capacidade de aprender e adaptar-se) Agentes podem tomar acções para obter informações úteis (recolha de informação, exploração) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 52

53 PEAS Caracterização de um agente Performance (medida de desempenho) Environment (ambiente) Actuators (actuadores) Sensors (sensores) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 53

54 PEAS: agente prof. de Inglês Desempenho Notas dos alunos no teste Ambiente Conjunto de alunos Actuadores Monitor: exercícios, sugestões, correcções Sensores Teclado: respostas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 54

55 PEAS: agente médico Desempenho Saúde do paciente, custos Ambiente Paciente, hospital, funcionários Actuadores Monitor: questões, testes, diagnósticos, tratamentos Sensores Teclado: sintomas, respostas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 55

56 PEAS: agente taxista Desempenho Segurança, destino, lucros, legalidade, conforto Ambiente Clientes, estradas, trânsito, transeuntes, tempo Actuadores Volante, acelerador, travão, buzina, pisca Sensores GPS, conta km, velocímetro, nível do depósito, temperatura do óleo Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 56

57 Tipos de Ambientes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 57

58 Tipos de Ambientes Completamente observável (vs. parcialmente observável): Os sensores do agente dão acesso ao estado completo do ambiente em cada instante de tempo. Determinístico (vs. estocástico): O estado seguinte do ambiente é determinado somente em função do estado actual e da acção executada pelo agente. (Se o ambiente é sempre determinístico excepto para as acções de outros agentes, então o ambiente é estratégico) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 58

59 Tipos de Ambientes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 59

60 Tipos de Ambientes Episódico (vs. sequencial): A experiência do agente está dividida em episódios atómicos (em que cada episódio consiste em percepção+acção do agente) e a escolha de cada acção em cada episódio depende apenas do próprio episódio. Estático (vs. dinâmico): o ambiente não é alterado enquanto o agente decide que acção vai tomar. (O ambiente é semi-dinâmico se o ambiente permanece inalterado com a passagem do tempo mas o desempenho do agente (pontuação) é alterado) Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 60

61 Tipos de Ambientes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 61

62 Tipos de Ambientes Discreto (vs. contínuo): O agente tem um número limitado de percepções e acções distintas que estão claramente definidas. Agente único (vs. multi-agente): Só existe um agente no ambiente. Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 62

63 O tipo de ambiente determina o tipo de agente O mundo real é: Parcialmente observável Estocástico Sequencial Dinâmico Contínuo Multi-agente Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 63

64 Tipos de Agentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 64

65 Tipos de Agentes Agentes de reflexos simples Agentes de reflexos com estado interno Agentes guiados por objectivos Agentes baseados em utilidade Agentes com aprendizagem Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 65

66 Agentes de reflexos simples Motivação: ignorar a história de percepções para tornar as regras condição-acção mais simples Representação gráfica Forma rectangular para estado interno Forma oval para informação adicional Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 66

67 Agentes de reflexos simples Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 67

68 Função AgenteReflexosSimples (percepção) devolve acção Estático: regras (conjº de regras condição-acção) estado InterpretaInput (percepção) regra EmparelhaRegra (estado,regras) acção RegraAcção [regra] devolve acção Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 68

69 Agentes de reflexos simples Só funciona correctamente se o ambiente for completamente observável Agente aspirador entraria em ciclo Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 69

70 Agentes de reflexos simples Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 70

71 Agentes de reflexos simples com estado interno Motivação: necessidade de lidar com ambientes parcialmente observáveis Solução: manter um estado interno que depende do historial de percepções Necessidade de informação adicional Evolução do mundo independentemente do agente Evolução do mundo em função das acções do agente Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 71

72 Agentes de reflexos simples com estado interno Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 72

73 Função AgenteReflexosComEstado (percepção) devolve acção Estático: estado (descrição do estado do mundo) regras (conjº de regras condição-acção) acção (a acção mais recente) estado ActualizaEstado(estado,acção,percepção) regra EmparelhaRegra(estado,regras) acção RegraAcção[regra] devolve acção Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 73

74 Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 74

75 Agentes guiados por objectivos Para além de ter um conjunto de regras condição-acção, tem também um (ou mais) objectivo(s) Por ex, considere-se um agente taxista que cujo objectivo é chegar a um destino Chegando a um cruzamento, o agente decide avançar, virar à direita ou virar à esquerda em função do objectivo Acrescenta a um agente de reflexos simples considerações sobre o futuro, a fim de alcançar os objectivos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 75

76 Agentes guiados por objectivos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 76

77 Agentes guiados por objectivos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 77

78 Agentes baseados em utilidade Para além de ter um conjunto de regras condição-acção, tem também uma função de utilidade Por exº, considere-se um agente taxista que pretende chegar a um destino A função de utilidade permite distinguir as diferentes formas de chegar ao estino, em função do tempo, da despesa, da segurança, Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 78

79 Agentes baseados em utilidade A função de utilidade permite estabelecer preferências entre sequências de estados que permitem atingir os mesmos objectivos Deve ser especificado o que fazer no caso de existirem objectivos que entram em conflito Se nenhum dos objectivos puder ser alcançado com segurança deve ser feita uma pesagem em função da importância dos objectivos Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 79

80 Agentes baseados em utilidade Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 80

81 Agentes baseados em utilidade Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 81

82 Agentes com aprendizagem Motivação: o agente começa por actuar num ambiente desconhecido e vai ficando mais eficiente face à sua actuação anterior 4 componentes principais Aprendizagem Desempenho Crítica Gerador de problemas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 82

83 Agentes com aprendizagem Aprendizagem: usa feedback da crítica sobre actuação do agente e determina modificações ao desempenho para actuar melhor no futuro Desempenho: o que anteriormente considerávamos como o agente recebe percepções e devolve acções Crítica: comunica ao elemento de aprendizagem como está a ser a actuação do agente face a uma medida de desempenho Gerador de problemas: sugere acções que podem levar a experiências novas e informativas Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 83

84 Agentes com aprendizagem Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 84

85 Exemplos de Agentes Inteligência Artificial Faculdade de Ciencias 4º ano 85