人工智能通识教程 课件 第02讲 第2章 人类智能与人工智能的物理基础【2.1-2.3】

第2章

人类智能与人工智能的物理基础

【2.1-2.3】第02讲人工智能通识教程人工智能通识教程

本章导读：为了更好地应用人工智能这个工具服务于我们的学习与生活，也为了在大学的初始阶段对人工智能有个基本理解，达到了解其所以然的目的，作为通识课程，需要单辟一章阐述人类智能与人工智能的物理基础，为理解人工智能的基本提供支撑。第2页共26页人工智能通识教程（1）了解人类智能与人工智能的物理基础；（2）了解电子计算机出现的历史背景、与常规仪器的区别、软件的重要性；（3）了解由0和1构成的世界；（4）通过运行Python实例，了解人工智能软件基础，并在实践中培养严谨工程思维。本章学习目标第3页共26页人工智能通识教程本章思维导图第4页共26页2.1人类智能的物理基础2.2人工智能的物理基础2.3由0和1构成的世界2.4计算机语言举例：Python（第03讲）人工智能通识教程目录人工智能通识教程人类智能的核心在于大脑，而大脑思考的基础是神经元。这些微小的单元通过电信号彼此交流，形成复杂的网络，支持我们的记忆、学习和思考。大脑的不同区域负责从外部获取信息：视觉皮层处理图像，听觉皮层解读声音，体感皮层感知触觉。这些信息被初步处理后，传递到特定区域进行整合与分析。额叶皮质是推理和决策的关键区域，它调动记忆、结合情境，帮助我们解决问题。2.1人类智能的物理基础大脑获取信息整合分析信息情感与记忆参与思考大脑形成思考并作用于现实正是这种精密的协作，让大脑能够从外界获取信息、进行推理与决策，最终形成思考。这种灵活性和适应性，成就了人类智能的独特魅力，也推动了我们对世界的理解与创造。第6页共26页人工智能通识教程人类的大脑由多个部分组成，每个部分各司其职，却又紧密协作，共同支撑我们的感知、思考和行动。2.1.1人脑的基本结构图2-1人脑的基本结构这些部分分工明确，却彼此配合。例如，当我们接住一个飞来的球时，枕叶处理视觉，顶叶感知身体姿态，额叶做出决策，小脑协调动作，脑干则保障基础机能正常运行。正是这种精密协作，让人类能够高效应对复杂世界，展现出非凡的智能与适应力。而支撑起人脑这些功能的，就是构成这些器官最基本的组织——神经元。第7页共26页人工智能通识教程2.1.2神经元与神经网络神经元网络的概念源自生物学，指的是大脑中由大量神经细胞（即神经元）通过复杂的连接方式组成的网络。每个神经元都是信息处理单元，能够接收、处理并通过轴突传递电信号给其他神经元或效应器细胞。神经元之间的连接点叫做突触，它们在学习和记忆等过程中起到关键作用。神经元网络树突细胞核轴突突触人类大脑神经网络第8页共26页人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork,ANN）的提出受到了生物神经元网络的启发。1943年，沃伦·麦卡洛克（WarrenMcCulloch）和沃尔特·皮茨（WalterPitts）提出了第一个计算模型来模仿神经系统的基本功能，这是人工神经网络的雏形。

他们定义了一个简单的神经元模型，该模型可以执行逻辑运算，并且可以通过不同的权重连接形成更复杂的网络结构。神经元的数学模型

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在20世纪中后期，随着计算机技术的发展，研究者们开始尝试构建更加复杂的人工神经网络模型，以模拟人类大脑处理信息的方式。这些模型通常包含输入层、隐藏层和输出层，每一层都由多个神经元节点组成。通过调整各层之间连接的权重，人工神经网络可以“学习”如何将输入映射到正确的输出，这在模式识别、数据分类等领域有着广泛应用。2.1.3人脑的思考机理启发人工神经网络输入层隐藏层输出层输入层隐藏层输出层深度神经网络感知器第10页共26页人工智能通识教程

人脑思考的机理：人脑中的每个神经元都是一个基本的信息处理单元，能够接收来自其他神经元或外界的电信号，并在内部进行整合。当接收到的信号总和超过某个阈值时，神经元会触发并发送自己的信号给其它神经元，这个过程是通过突触传递完成的。图2-3人脑反射机制人脑反射机制的优点:（1）支持了快速的反应（2）促进了记忆的形成与存储（3）大脑具有高度的可塑性，可以根据经验调整神经元之间的连接强度，从而实现学习和适应环境变化的能力。第11页共26页人工智能通识教程

基于对人脑思考机理的理解，人工神经网络借鉴了其中的几个关键概念：（1）人工神经网络模仿了生物神经元的激活特性，使用非线性的激活函数来决定是否传递信号以及信号的强度。（2）类似于神经元之间通过调整突触连接强度来进行学习，人工神经网络通过优化层间连接权重来改进性能。这种方法被称为反向传播算法，它依赖于梯度下降等数学方法来最小化预测误差。（3）人工神经网络也采用了分布式表示的概念，即信息不是孤立地储存在单个节点中，而是分布在整个网络里，这反映了大脑的并行处理能力。总结：人工神经网络是基于对生物神经元网络的理解与抽象而提出的，但它们并不是直接复制了生物神经元的所有特征，而是借鉴了其基本原理，如并行处理能力、自适应学习机制等，同时结合数学和统计学方法，为解决工程和科学问题提供了强有力的工具。

展望：随着时间的推移，人工神经网络不断发展进化，形成了包括深度学习在内的多种变体，这些技术不仅推动了人工智能领域的革命，也让我们更深入地理解了人脑思考的机理。通过这种方式，我们不仅能够开发出更智能的机器，而且还能探索人类心智的奥秘。第12页共26页人工智能通识教程人工智能，它就像人类大脑的外延，帮助我们完成复杂的推理与决策，人工智能的物理基础是电子计算机。人工智能其本质是电子计算机中一种算法软件，没有电子计算机就没有人工智能，没有软件就没有人工智能。2.2人工智能的物理基础人类大脑虽然强大，但在面对海量数据和复杂计算时显得力不从心。于是，电子计算机应运而生。它由无数个高度集成在一起的晶体管等元器件组成，通过简单的“开”（1）和“关”（0）两种状态，构建起二进制逻辑系统。基于这种逻辑，计算机能够模拟神经网络，学习、识别模式并解决问题，从而扩展了人类的能力。第13页共26页人工智能通识教程在实际应用中，人工智能依托电子计算机展现出了巨大的价值。例如，在医疗领域，AI可以分析病历数据辅助诊断；在交通管理中，智能系统优化信号灯设置缓解拥堵；在金融行业，算法交易帮助预测市场趋势。这些技术不仅提高了效率，还为许多领域带来了创新。超声医生：准确率75%智能家居与个人助理餐饮机器人总结：电子计算机不仅是硬件设备，因为有了软件，使得其延伸了人类的智慧。第14页共26页人工智能通识教程早在19世纪，英国数学家查尔斯·巴贝奇（CharlesBabbage）就提出了制造通用计算机器的概念，他设计了差分机和分析机两种机械装置，这些概念为后来的计算机发展奠定了理论基础。2.2.1电子计算机出现的历史背景

1．数学理论的发展

2．工程技术进步进入20世纪，随着电子学的发展，特别是真空管技术的成熟，使得快速电子开关成为可能，从而大大提高了计算速度。

3．社会需求二战期间，军事计算需求激增，尤其是弹道计算、密码破译等方面，迫切需要更高效的计算工具。在这种背景下，世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC完成了。

4．后续发展随后的几十年里，计算机经历了从大型主机到个人电脑，再到如今的移动设备和个人穿戴式装置的演变过程。第15页共26页如果说传统工具是为特定任务而生的“专才”，那么计算机则更像是无所不能的“通才”。它通过软件可以完成从文字处理到数据分析、从图像编辑到游戏娱乐的多种任务，灵活且强大。它不仅能自动执行复杂的工作，还能存储和处理海量信息，这使得效率大幅提升。人工智能通识教程图2-4计算机与传统工具2.2.2电子计算机与常规仪器的区别第16页共26页人工智能通识教程可以说，计算机不仅是工具，更是推动社会进步的核心力量。在这个数字化时代，它早已融入每个人的生活，成为不可或缺的一部分。嵌入到各个具体产品之中的微型计算机，被称为嵌入式微型计算机，大致可分为微控制器（micro-controller，MCU）及多媒体应用处理器（MultimediaApplicationProcessor，MAP）两大类。微控制器多媒体应用处理器第17页共26页软件作为现代高级工具，已经深深植根于我们生活的每一个角落，从日常的娱乐活动到复杂的商业运作，它的多样性不仅极大地丰富了我们的生活方式，也显著提高了生产效率，解决了生活中遇到的大部分问题，并减少了重复性任务的时间消耗。人工智能通识教程图2-5软件控制硬件协同工作2.2.3软件的重要性

1．提高生活质量

2．提升工作效率

3．促进行业创新与发展

4．减少重复性劳动第18页共26页软件包括程序与文档，程序为何会自动运行？1936年，阿兰·图灵（图2-6）提出了一种抽象的计算模型—图灵机（TuringMachine），可以用来简单了解计算机程序为何会自动运行。人工智能通识教程2.2.4程序为何会自动运行图2-6阿兰·图灵图灵机是由一条两端可无限延长的带子，一个读写头和一组控制读写头工作的命令（控制器）组成。读写头可以沿带子方向左右移动并在带子上读写。指令集如下：1912年6月23日－1954年6月7日英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父，人工智能之父。q101Rq1——当前状态为q1，符号为0，则变为1，右移1格后，新的状态为q1q110Rq1——当前状态为q1，符号为1，则变为0，右移1格后，新的状态为q1q1bbRq2——同样理解q2bbLq3——同样理解q200Hq1——同样理解q211Hq1——同样理解若此时M的输入是1100b0011，读写头对准第一个1，状态为q1，计算过程如下：第19页共26页人工智能通识教程（1）初始状态：状态为q1，符号1（2）状态为q1，符号1，指令集中找到对应的指令为：q110Rq1——当前状态为q1，符号为1，则变为0，右移1格后，新的状态为q1，所以成为：新的状态为q1（3）下一步：由于状态为q1，符号1，指令集中找到对应的指令为：q110Rq1——当前状态为q1，符号为1，则变为0，右移1格后，新的状态为q1，成为：第20页共26页人工智能通识教程新的状态为q1，后面类似分析。（4）由命令q101Rq1知，写入1，读写头右移一格，新状态为q1（5）由命令q101Rq1知，写入1，读写头右移一格，新状态为q1（6）由命令q1bbRq2知，写入b，读写头右移一格，新状态为q2（7）由命令q200Hq1知，写入0，读写头保持不动，新状态为q1第21页共26页人工智能通识教程（8）由命令q101Rq1知，写入1，读写头右移一格，新状态为q1（9）由命令q101Rq1知，写入1，读写头右移一格，新状态为q1（10）由命令q110Rq1知，写入0，读写头右移一格，新状态为q1（11）在带子末尾添加b，由命令q110Rq1知，写入0，读写头右移一格，新状态为q1第22页共26页人工智能通识教程（12）在带子末尾添加b，由命令q1bbRq2知，写入b，读写头右移一格，新状态为q2（13）由命令q2bbLq3知，写入b，读写头左移一格，新状态为q3，终止所以，计算结果M=0011b1100，该图灵机的功能是将每一位取反。这就是计算机自动运行程序的最基本原理，阿兰·图灵成为了计算机的始祖。后来，图灵奖成为计算机届的一个崇高荣誉。第23页共26页人工智能通识教程

信息发展的历史是一段跨越了数千年，从古代简单的通信方式到现代复杂的信息技术系统的演变过程。这一历程不仅反映了人类社会在技术和文化上的进步，也展示了人们对信息的需求和利用能力的不断提升。计算机的世界看似复杂，但归根结底只由两个数字构成：0和1。这简单的二进制系统，却是今天庞大互联网世界的基石。2.3由0和1构成的世界2.3.1信息的简明史

1．古代的信息传播

2．印刷术革命

3．电报与电话时代

4．广播与电视的兴起

5．计算机与互联网时代信息发展映射出人类社会的进步

6．现代信息社会第24页共26页故事始于计算机发展的早期阶段，当时人们发现了电子电路能够识别高低电平两种状态的特性。这一发现促进了二进制系统的形成和发展，其中0和1不仅作为数字符号存在，还构成了信息的基本单位——比特（bit）。人