计算与人工智能通识 第1章 信息与计算

第1章

信息与计算信息社会与计算工具01信息的表示02信息处理过程03科学思维04本讲提纲新一代信息处理技术05国产信创的发展06什么是信息对信息的理解信息（Information）：是对社会、自然界的各种事物本质及其运动规律的描述；通常指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象；泛指人类社会传播的一切内容。所有图片来源于网络，仅用于教学

信息是用来消除随机不定性的东西。------香农（C.E.Shannon）什么是计算对计算的理解计算：数据按照一定的规则进行运算、转换、

推演，从而得到结果的过程。所有图片来源于网络，仅用于教学

知识标题信息处理与计算思维思维方法:

借助计算机及其网络工具特性解决实际问题；按照“计算机的思维方式”进行问题分析和求解。符号化：用计算机能够理解的符号描述现实世界。

信息

数据规则化：用特定的符号清晰准确地描述事物的发生和发展规律。

规则

程序自动化：由程序指令控制计算机的操作。

取指令

执行指令我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也深刻影响着我们的思维能力。----艾兹格·迪科斯彻

信息技术与信息素养信息技术（InformationTechnology）用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。IT

ICT(InformationCommunicationsTechnology):

传感技术、计算机与智能技术、通信技术和控制技术信息素养(InformationLiteracy)是指人们能够适时获取信息，对信息进行评价和判断，并有效利用信息的能力.

计算思维应用计算机解决问题熟练操作计算机微电子通信计算机远古时代的计算工具远古人类群居分配劳动成果

小规模商品交易计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

古代的计算工具小规模商品交易作坊工艺和商贸需求计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

近代的计算工具天文演算航海工程制造经济、商贸计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

机械计算机工业化生产发明创造经济、国际贸易计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

电控计算机电气工业化生产科学计算军工、战争计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

电子计算机自动化生产航空、航天、海洋核武器、战争国家安全计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

今天的计算机信息社会各领域的计算需求计算科学国家发展战略计算需求与计算工具所有图片来源于网络，仅用于教学

小结与思考思维训练

计算工具和计算技术的发展历程给我们带来了什么启示？请从社会发展需要、计算工具的核心部件、实物抽象化、数据和运算符号化、运算规则化等方面展开讨论，并总结出计算工具的基本功能，计算的本质。1.2信息的表示信息的表示将各种信息进行编码，转化为计算机能接受和处理的数据。英文：China0100001101101000011010010110111001100001汉字：中国11010110110100001011100111111010数值：-37811111111111111111111111010000110音乐：11000001010010100110101101001010…………01100001图像：100101011100101001001001…………0110101001101000视频：01000101001010111110100101001110…………01001100编码1.2信息的表示

在计算机内部，数据的存储和处理都是采用二进制数，主要原因是：

（1）二进制数在物理上最容易实现。

（2）二进制数的运算规则简单，这将使计算机的硬件结构大大简化。

（3）二进制数的两个数字符号“1”和“0”正好与逻辑命题的两个值“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算提供了便利的条件。

计算机为何使用二进制?数制二进制数数码：0、1…、9、A、B、C、D、E、F；基数：16；位权：16i

例如：5B.2F(H)=5×161+11×160+2×16-1+15×16-2

≈91.18359(D)数码：0、1；基数：2；位权：2i位权：…168421.0.50.250.1250.0625…例如：1011.01(B)=23+21+20+2-2=11.25(D)十六进制数加法运算二进制数算术运算乘法运算[X-Y]补=[X]补+[-Y]补减法转化为加法运算

加法运算0＋0=0

1＋0=0＋1=1

1＋1=10

乘法运算0×0=01×0=0×1=01×1=1整数左移1位相当于乘2，右移1位相当于除以2乘除法可以转化为移位运算和加法运算基本逻辑运算0–“假”1–“真”与（乘法）、或（加法）、非（取反）二进制数逻辑运算复杂逻辑运算数字逻辑运算电子元件逻辑电路“或”运算∨

“与”运算∧“非”运算～0∨0=00∧

0=0～0=10∨1=10∧

1=0～1=01∨0=11∧

0=01∨1=11∧

1=1二进制运算的物理实现计算机使用二进制数两种稳定状态的元件计算机基本元件由逻辑电路构成二进制数的位权常用二进制位权24=1628=256210=1024216=65536左移一位乘以2右移一位除以2十进制数转换为二进制数乘除法转换整数部分除2取余数倒着写，小数部分乘2取整数顺着写；75.453(D)≈1001011.0111001(B)十进制数转换为二进制数减权法转换75.453(D)≈1001011.0111001(B)从最高权位开始逐位减权，够减的位为1，不够减的位为075.453-64=11.453……111.453–32……011.453–16……011.453–8=3.453……13.453-4……03.453-2=1.453……11.453-1=0.453……10.453-0.5……00.453-0.25=0.203……1………………26=642-2=0.2528=2562-4=0.0625210=1024216=65536二进制变十进制将值为1的位权相加即得到十进制值。二进制数转换为十进制数10110101.101（B）

181.625（D）=27+25+24+22+20+2-1+2-3=128+32+16+4+1+0.5+0.125=181.625（D）二进制数转换为十六进制数75.453(D)≈1001011.011100111(B)=4B.73(H)

=0X4B.37=113.347(O)=0113.347从小数点位置开始向两端分组，4位数一组，位数不够补0，写出对应数码。十六进制----4位1组八进制----3位1组二进制数转换为十六进制数75.453(D)≈1001011.011100111(B)=4B.73(H)

=0X4B.37=113.347(O)=0113.347从小数点位置开始向两端分组，4位数一组，位数不够补0，写出对应数码。十六进制----4位1组八进制----3位1组计算器的程序员模式打开计算器

设置程序员模式（查看菜单选择“程序员”）

选择编码长度（字节、字、双字）设置数制输入数值选择转换后的数制使用计算器机器数与编码机器数最高位（左端）为符号位：0--正数，1--负数；其他位为数值部分，保存该数绝对值的二进制数特点：符号数字化；数值范围受系统的限制原码：最高位为符号位，数值部分的绝对值保持与其实际二进制值相同。正数的反码、补码都与原码相同反码：负数的反码数值部分是将其原码数值部分按位取反（0变1，1变0）补码：负数的补码是将其对应的反码加1-20:1

0010100(1字节)

1

000000000010100(2字节)数值编码-168(D)=-10101000(B)1000000010101000（原码）1111111101010111（反码）1111111101011000（补码）0000000010101000（移码）整数的补码补码的特性：整数通常采用补码编码补码的零是唯一的（各位全部是0）；减法可以转化为补码的加法实现：[X+Y]补＝[X]补+[Y]补；[X-Y]补＝[X]补+[-Y]补加法器：＋、－乘法器，或移位、加法器：×、÷运算：示例：（1字节补码）

15+98

=113

00001111+01100010

01110001数据范围与溢出机器数的编码长度：以约定的编码长度（二进制位数）来保存整数16位系统：2字节保存1个整数；32位系统：4字节保存1个整数数据范围：n位长度无符号整数：[0，2n-1]。2字节无符号整数：[0，65535]有符号整数：[-2n-1

，2n-1-1]。2字节有符号整数：[-32768，32767]数据溢出：

运算结果超出数据范围会导致溢出，系统需要作相应处理。如1字节有符号整数-25-118

-25-118

=-143（溢出）

11100111+10001010

1

01110001（+113）二进制数：（用计算器完成转换）-0.00153

233=-1.56672223

≈-13142599

=-1.10010001000101001000111223-0.00153≈

-1.10010001000101001000111

2-10科学计数法科学计数法：绝对值大于10的实数记为±M×10±n符号：正数------0；负数------1尾数：M------绝对值[1,2)阶符：正数------右移小数点；负数------左移小数点阶：小数点移动位数例如：-1.53

10-3-----

-0.00153

(D)

-1.010110

24------10101.10(B)浮点数编码标准IEEE754浮点数格式：IEEE754给出了单精度（32位）和双精度（64位）浮点数的定义，由符号S、阶码E、尾数M三个部分组成。

符号S：0为正1为负；阶码E：非标准移码；尾数M：原码（规格化）。S

E

M1

8

23

31302322

0单精度浮点数（4字节）：符号S占1位，正数为0，负数为1阶码E占8位，>127为正，<127为负尾数M占23位，精度达到223示例：-0.35671-0.35671225

≈-11969201

=

-1.01101101010001010110001

223-0.35671≈-1.01101101010001010110001

2-2S=1,E=127-2=01111101,M=

01101101010001010110001

10111110101101101010001010110001=BEB6A2B1字符集与编码：规定的文字符号集合及编码方案国标GB2312-80：由6763个常用简体汉字和682个全角的非汉字字符（字母、数字、标点符号、图形）组成，通用于中国大陆和新加坡等地区。（1981）大五码Big-5：收入13060个繁体汉字，808个符号，用于港台等地区。汉字内码扩展规范GBK：收入21003个汉字，882个符号。囊括中日韩（CJK）统一汉字20902个、扩展A集（CJKExt-A）

中的汉字52个。兼容GB2312-80标准，包含Big-5的繁体字，但是不兼容Big-5字符集编码。（1995）Unicode字符集和UTF-8：UTF-8是针对Unicode字符集的可变长度字符编码，使用1~4个字节表示一个符号。ASCII字符一个字节的编码，中文字符占3个字节。ASCII码：西文1字节编码128个字符，含32个控制字符和96个可打印字符。（1963）字符集与编码小数范围和精度数值范围：阶码E长度确定小数范围单精度（32位）：8位E

，M*2-127-----M*21273.4

10-38～3.4

1038双精度（64位）：11位E，M*2-1023-----M*21023数值精度：尾数M长度确定小数精度单精度（32位）：23位M，223

≈8.3

107,7位有效数字双精度（64位）：52位M，252

≈4.5

1015,15位有效数字ASCII码ASCII码:（美国信息交换标准代码国际标准ISO/IEC646）1字节编码，占低7位（27=128），最高位平时不用（一般为0），仅在数据通信时用作奇偶校验位。ASCII码值范围：0～127。ASCII码构成:（关键字符）33个控制字符：第0～31号以及第127号

通讯专用字符：

控制符：回车13、换行10、空格32、删除12795个可打印字符：

数字0～9：48～57

大写英文字母：65～90；小写英文字母：

97～122

标点符号、运算符号：ASCII码控制字符设备状态控制：ASCII码值1---31之间询问：055应答：066响铃：077不应答：1521常用控制字符：退格：08

8水平制表：099换行：0A

10换页：0C

12回车：0D

13空格：20

32删除：7F

127

010000010x41,41HASCII码英文字母字母A—Z：大写字母：

（ASCII值为65—90）规律：顺序排列；’D’+3=‘G’，‘Y’-5=‘T’小写字符：

（ASCII值为97—122）规律：顺序排列；’b’+3=‘e’，‘w’-5=‘r’大小写字母转换：相差32

’b’-32=‘B’，

’F’+32=‘F’加密解密：与密钥做加减运算’F’+39=‘m’1.自动识别文章中的字母、单词、语句、段落2.自动将语句中首字母变为大写3.自动收集文章中的手机号、邮箱等ASCII码数字字符数字0—9

：（ASCII值为48—57）规律：顺序排列，’2’+5=‘7’，‘9’-4=‘5’字符与数值转换：’6’-48=6，’8’-’0’=8身份证号A的性别、年龄、生肖、星座？“6”6，偶数，美女“1997”1997,2016-1997=19岁

1997

属相牛

“0619”6月19日，双子座汉字编码区位码与国标码：将GB2312字符集布置在94×96矩阵，行（区）列（位）号为01～94，每个字符的位置通过区号+位号可以唯一确定，这组4位十进制数称为该汉字的区位码ASCII中0

～31号编码为控制字符，为避免冲突，将区号和位号分别转换成二进制数+20H，得到的编码称为国标码，用于汉字交换。

位号区号0102…07(00000111)…9401

02

…

49(00110001)

学

…

94

机内码：为避免将一个汉字的2字节编码当做2个ASCII字符，需要将国标码各字节最高位置1，即分别加80H。“学”区位码：4907，→3107H国标码：5127(31H+20H=51，07H+20H=27H)

机内码：D1A7(51H+80H=D1，27H+80H=A7H)区位0011000100000111+20

100000

100000国标0101000100100111+801000000010000000机内1101000110100111字符‘1’控制符“响铃”？字符‘Q’字符‘？外码和字形码输入码：输入汉字方便汉字的输入而制定的编码。常见的输入法有流水码（区位码）、拼音码（简拼、双拼）、字形码（五笔、郑码）、音形码（自然码、智能ABC）。点阵（.fon）：把汉字按图形符号设计成点阵图16×16点阵、24×24点阵、48×48点阵矢量（.ttf，.otf）：用贝塞尔曲线描述字型的轮廓特征,绘图指令和数学公式进行绘制

PostScriptType1、TrueType、OpenType字库：全部汉字字形码的集合。硬字库、软字库字型码和字库：字模，点阵和矢量全角和半角字符半角字符：全角字符：英文键盘输入的字符，保存的是1个字节的ASCII码，即ASCII符集中的字母、数字、标点符号、运算符等，显示在屏幕上占半个汉字位置。系统命令及参数程序中的语句、命令汉字库中包含的字母、数字、标点符号、运算符等可打印字符，保存的是汉字机内码，显示在屏幕上占1个汉字位置。仅作为文字符号看待，不可用作系统命令、参数以及程序语句命令。半角：AC1,2"全角：ＡＣ１，２”4143312C3222A3C1A3C3A3B1A3ACA3B2A1B1显示对比编码对比（16制）数值与字符数值：（数值数据）字符：（非数值数据）整数：固定长度的补码，如126（00

7D）、

-3（FF

FD

）实数：单精度浮点数（32位），如-1.3（6666A6BF）

双精度浮点数（64位），如8.12（40203D70A3D70A3D）

当作符号看待，包括了各种控制符号、字母、数字符号、标点符号、运算符、图形符号、汉字等。数字字符：如

126（31

32

36）、-3（2D

33）、8.12（382E3132）电话号码3133383838363836383339）车牌号：云A188QE（D4C6413138385145）多媒体信息表现形式多媒体信息：通常包括文本、声音、图形、图像、动画、视频等多种媒体形式。声音（sound）：图形（Graphic）：图像（Image）：动画（Animation）：视频（Video）：多媒体信息数字化：通过采样、量化、编码等方法将连续的信号转换成离散的数字序列。声音的表示声音数据：通过时间上的离散化（采样）和振幅上的离散化（量化），就可以将连续的声音用二进制的位序编码表示出来图形图像的表示图形数据：由点、线、多边形、圆和弧线等元素构成的矢量图(Vector)可通过数学公式来描述图像数据：彩色照片一般使用位图（Bitmap）来表示，按行列顺序将各像素的颜色值RGB用二进制编码小结与思考思维训练在信息的表示这一部分，我们学习了数制与编码、数值数据的表示、字符数据的表示以及多媒体信息的表示。现在，让我们进一步思考这些概念如何应用在实际问题中：

信息安全与编码：在信息的表示和传输过程中，信息安全是一个重要议题。思考一下，如何通过加密技术保护字符数据和多媒体数据的安全性？加密技术在不同数据类型上的应用有何不同？

信息表示的未来趋势：随着技术的发展，信息的表示方式也在不断进步。例如，随着虚拟现实和增强现实技术的发展，我们可能需要新的信息表示方法来支持这些新技术。思考一下，未来的信息表示可能会有哪些新的趋势？这些趋势将如何影响我们处理和理解信息的方式？用计算机解决各领域问题计算机解决的实际问题罗伯特·威尔逊----计算模型“四色猜想”证明1976年，美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上，用了1200个小时，作了100亿次判断，终于完成了四色定理的证明。科学方法：理论研究、系统实验、计算和模拟所有图片来源于网络，仅用于教学

什么是科学计算

科学计算是指利用计算机模拟、预测和发现客观世界运动规律和演化特征的全过程。

用数值计算的方法解决社会、科学和工程中的问题。科学计算所有图片来源于网络，仅用于教学

科学计算的优势1.无损伤：不会对环境等产生大的影响。

能够承担真实实验不能完成的事科学计算所有图片来源于网络，仅用于教学

科学计算的优势2.全过程、全时空模拟：获得的系统发展和演化的全部信息

科学计算所有图片来源于网络，仅用于教学

科学计算的优势3.低成本、短周期地反复实验：相对低的成本和较短的周期多次重复实验，获得各种条件下研究对象的全面、系统的信息。

科学计算所有图片来源于网络，仅用于教学

计算机、计算与学科领域融合计算物理计算化学计算生物学计算工程学计算经济学计算社会学……….所有图片来源于网络，仅用于教学

计算科学与其他学科融合周以真的定义

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等一系列思维活动。

计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器或人）所能有效执行的方式表述出来。计算思维概念所有图片来源于网络，仅用于教学

英国皇家科学院的定义

计算思维是识别我们周围世界中有哪些方面具有可计算性，并运用计算机科学领域的工具和技术来理解和解释自然系统、人工系统进程的过程。

计算思维概念所有图片来源于网络，仅用于教学

本质特征：抽象计算思维的本质是抽象不同层次的抽象计算思维的本质特征具体问题子问题集分解、简化对象集、算法对象抽象属性、方法算法抽象调试、执行所有图片来源于网络，仅用于教学

计算思维的作用加深人们对计算本质以及计算机求解问题的理解培养跨学科、综合应用学科知识解决问题的能力提高创新能力计算思维教育学习计算机基础课程将计算思维融合到其他专业课程的学习中长期坚持用计算思维方式解决问题计算思维能力培养图片来源于网络，仅用于教学

1.5新一代信息处理技术信息处理过程及应用层面的技术融合物联网、云计算、大数据、人工智能是新一代信息处理技术的代表。它们相对独立各成系统，又能相互支撑和融合，构成一个完整的系统物联网----感知云计算----承载大数据----挖掘人工智能----学习小结与思考思维训练随着计算思维在各个学科领域的融合和应用，我们应该如何利用这一思维方式来促进自己的学习和研究工作？首先，应该认识到计算思维不仅仅是编写代码或运行程序，而是一种解决问题的策略，它涉及到问题的抽象化、数据的组织、算法的设计和结果的验证。小结与思考学习和研究中，我们可以通过以下几个步骤来应用计算思维：识别问题：明确你需要解决的问题，并确定它是否可以利用计算方法来解决。数据驱动：收集和整理与问题相关的数据，学会使用数据库和数据可视化工具来分析数据。模型构建：根据问题的特点，构建数学模型或计算模型，将现实世界的复杂情况简化为可计算的形式。算法应用：设计或选择适当的算法来处理数据和模型，实现问题的自动化解决。结果分析：对计算结果进行分析和验证，确保解决方案的有效性和准确性。跨学科应用：将计算思维与其他学科知识相结合，探索新的研究领域