计算与人工智能概论-问题求解、科学计算与AI应用方法 课件 第1章 计算与人工智能概述

计算与人工智能概论问题求解、科学计算与AI应用方法第1章计算与人工智能概述信息科学与工程学院

课程简介0PART2授课内容计算与人工智能概述23程序设计进阶4算法思维5科学计算6机器学习7计算机视觉与大模型2345671程序设计基础1275436虚拟仿真计算环境+教学应用运行环境+实践平台管理环境虚拟仿真实验开发管理平台虚拟仿真实践教学应用平台前端后端编程语言人工智能计算框架操作系统与数据库开发部署工具资源库课程实训项目案例项目代码在线题库在线视频数据集……/paths/2003智能在线考试竞赛支撑平台游戏闯关

场景融合

实验平台游戏闯关

应用融合

场景融合

实验课内容序号内容模块具体实验内容实验学时1计算思维工具计算机语言训练掌握计算机语言基础语法，为后续算法、系统、网络、数据和人工智能打下基础162计算思维训练之单人综合小训练算法思维掌握典型算法实现8科学计算掌握科学计算方法机器学习掌握机器学习的基本步骤计算机视觉了解计算机视觉的基本概念与方法3计算与人工智能团队综合训练2-4人团队实训8总学时

32团队协作个人能力

阅读写作沟通交流教学方式46学时课堂教学+32学时上机训练湖南大学人工智能慕课（16课时）计算与人工智能概论、人工智能等湖南大学-EduCoder平台线下课程线上课程实训平台资源平台湖南大学课程中心课程网站：/超星学习通网上教学平台：/portal战德臣老师的慕课大学计算机—计算思维导论嵩天老师的python慕课：Python语言程序设计线上线下混合教学支持过程性考核的多样化教学评价手段成绩构成考核名称考核内容考核方式支撑手段成绩一20%平时表现课堂表现+慕课学习老师或助教检查EduCoder大作业2-3人团队，多选一代码检测+设计文档+PPT答辩EduCoder成绩二30%实验实训课后和实验课完成各类实训机器阅卷+老师查阅EduCoder成绩三10%期中考试上机测试机器测试+人工阅卷EduCoder成绩四40%期末考试上机测试机器测试+人工阅卷EduCoder多样化题型、规模化题库智能批卷、自动分析智能监考、防止抄袭灵活组卷、管理试卷一体化手段、智能化评测

计算的概念1PART81.1.1什么是计算什么是计算？在计算机科学领域，计算是根据设定的规则将一串编码转换成另一串编码的过程。例如：加法问题，输入一对数值，输出是该对数值的和。排序问题，排序计算对每个输入表都赋予一个输出表，而输出表的数据项与输入表一样，只是输出表的数据项是按照升序或降序排列的。在数学领域，计算是抽象数学思想在具体数据上的应用，例如用数字进行加、减、乘、除的运算。91.1.1什么是计算什么是计算？在计算机科学领域，计算是根据设定的规则将一串编码转换成另一串编码的过程。例如：加法问题，输入一对数值，输出是该对数值的和。排序问题，排序计算对每个输入表都赋予一个输出表，而输出表的数据项与输入表一样，只是输出表的数据项是按照升序或降序排列的。在数学领域，计算是抽象数学思想在具体数据上的应用，例如用数字进行加、减、乘、除的运算。101.1.1什么是计算计算的历史111.1.1什么是计算可计算问题计算模型之一：图灵机（Turingmachine）阿兰·麦席森·图灵于1936年在其发表的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》中，针对可计算边界问题提出了一种抽象的计算模型——图灵机图灵将逻辑中的任意命题用图灵机来表示和计算，并按照规则推导出结论，其结果是——可计算函数等价子图灵机能计算的函数图灵机的提出证明了通用计算理论，肯定了计算机实现的可能性，同时它给出了计算机应有的主要架构，这为计算机的诞生和发展提供了理论基础可计算边界问题：哪些问题是可计算的，哪些问题是不可计算的？求解思路：为计算建立一个数学模型，称之为计算模型，然后证明，凡是这个计算模型能够解决的问题，就是可计算的问题。121.1.2图灵机基本原理图灵机的基本原理是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程。图灵机将一个无限长的带子作为无限存储，它有一个读写头，能在带子上读、写和左右移动。图灵机开始运作时，带子上只有输入串，其他地方都是空白，如果需要保存信息，则其可以将相关信息写在带子上。为了读取已经写下的信息，它可以将读写头往回移动到这个信息所在的位置。机器不停地计算，直到产生输出为止。131.1.2图灵机图灵机执行计算的具体案例利用图灵机执行“1+2=3”的计算。先定义读头读到“+”之后，依次移动读头两次并读取格子中的数据；接着读头进行计算，最后把计算结果写入第二个数据的下一个格子里，141.1.3什么是计算机冯·诺依曼体系结构输入设备输出设备程序运行151.1.3什么是计算机计算机系统：硬件层+操作系统层+应用软件层硬件系统软件操作系统应用软件工具软件语言处理系统数据库管理系统政务软件娱乐软件学习软件161.1.3什么是计算机计算机硬件传统“计算机器”多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统在探索最短路径的过程中，首先需要从键盘输入机器人所处环境的地图，然后由操作系统将地图数据传送到内存，由中央处理器对数据进行运算并获得结果，最后在显示器上输出寻找到的最短路径。171.1.3什么是计算机计算机硬件中央处理器是计算机的核心硬件，它往往以处理器芯片的形式存在。在现实生活中，各类处理器芯片无处不在，多样化的计算机控制着各种机械设备运行。交通中的汽车、平衡车等，日常生活中的冰箱、洗衣机等智能家居设备，都与处理器芯片紧密相关。181.1.3什么是计算机计算机软件硬件有形，而软件无形。计算机软件多种多样。它可以是计算机系统中的各类程序，也可以是用户与硬件之间的接口程序，还可以是运行在硬件上的各种程序的总称智能终端应用软件软件供应商网上商城商品供应商191.1.3什么是计算机计算机是什么?认知世界的工具各种机器的大脑各种软件的载体创建虚拟世界的工具计算的工具201.1.4算法、计算机语言与程序算法、计算机语言与程序之间的关系211.1.4算法、计算机语言与程序高级语言源程序及其编译过程示意-以智能机器人寻路计算两点间距离为例求智能机器人在环境中行走的最短路径时，需要重复不断地求出当前位置与下一位置之间的距离。假设已知机器人已经行走的距离为2cm，机器人还需要往前走4cm，那么机器人总共需要行走的路径长度为多少呢？算法、计算机语言与程序之间的关系221.1.4算法、计算机语言与程序从二进制机器语言到计算机语言计算机语言的发展231.1.4算法、计算机语言与程序问题求解策略与算法用两种不同的算法解决求解机器人行走的最短距路径问题针对最短距路径求解问题，我们可以将其抽象为一个组合优化问题，即：机器人从起点走到终点的过程中，有n个节点需要访问，按怎样的次序访问，才能使机器人访问路径的“权值和”最小？遍历算法基本思想：利用遍历算法求解最短距路径时，可以把复杂的路径分解求解，把可能短的每一条路径通过穷举法列举出来，再比较得出最短距路径，该最短距路径即为问题的解。时间复杂性：O(n!)。贪心算法基本思想：利用贪心算法求解最短距路径时，从某一个节点开始，每次选择一个节点，直到所有节点都被选完。时间复杂性：多项式量级O(n3)。贪心算法牺牲了结果的精度（即求得的不一定是最优解），但换来了时间上可观的节约，如将算法复杂度直接降到多项式量级O(n3)。241.1.4算法、计算机语言与程序问题求解策略与算法用两种不同的算法解决求解机器人行走的最短距路径问题遍历算法流程图贪心算法流程图25什么是计算思维？2PART261.2.1计算思维的概念计算思维的概念周以真教授在美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》杂志上给出，并定义的计算思维（ComputationalThinking）：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涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维教学改革宣言2013年2006年教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发表旨在大力推进以计算思维为切入点的计算机教学改革宣言。教育与科学思维；计算机教育与计算思维；人才培养与计算思维教学改革；构建多方位、立体化人才培养平台。CMU计算机系主任/学术事务副校长NSF信息学部主任微软研究院副总裁哥伦比亚大学数据科学研究院主任27简单计算I：数据计算，计算规则。应用计算规则进行计算并获得计算结果复杂计算II：f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法。便于人应用规则进行计算，获得计算结果复杂计算III：如丢番图方程，判定，计算规则，人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机器获得计算结果。a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c数学学科的计算vs.计算学科的计算计算与自动计算7(8+20)logaM/N=logaM-logaN5x12+6x23+…+8xn2=200抽象思维：可能的解如何用机器表达（二进制）自动计算要解决的几个问题:表示-存储-执行“数据”的表示“计算规则”的表示：程序数据与计算规则的“自动存储”计算规则的“自动执行”5x3+6x3-8x=10自动计算需要解决什么问题?计算与自动计算规则越简单，越容易造出机器单一规则简单，但可重复进行能够自动计算的机器-怎样造?数学计算：用公式计算，n大于等于4次的方程没有公式计算机求解：枚举-计算-验证计算机如何求解问题?计算与自动计算逻辑思维：用分支循环在所有可能解（解空间）中搜索符合要求的解自动化思维：计算机要按设计的步骤自动执行计算规则优化思维：如何提高搜索的效率（人类事先制定的优化策略）1给出x的初值x02将x0代入方程，检查结果与0的差距是否<极小值（例如0.000001）3若成立，计算结束，否则将x0增加/减小一个极小值，转到步骤2执行5x3+6x3-8x-10=0建立模型成绩预测问题数据准备训练模型评估模型质量语言实现(50行)线性回归方程梯度下降算法训练数据集测试数据集迭代直到收敛计算均方误差数据采集数据清洗数据分割未知成绩的学习时间预测成绩代入方程计算结果计算与自动计算机器如何学习？人工智能与计算思维的关系是什么？自优化思维：根据数据挖掘规则来提高搜索效率计算与自动计算最基本的计算思维01编码表达可能解（抽象思维）分支循环搜索解空间（逻辑思维）计算机自动执行（自动化思维）算法策略提高搜索效率（优化思维）01编码表达可能解（抽象思维）分支循环搜索解空间（逻辑思维）计算机自动执行（自动化思维）智能算法/模型提高搜索效率（自优化思维）有1000瓶水，其中有一瓶有毒，小白鼠只要尝一点带毒的水24小时内就会死亡，问：至少要多少只小白鼠才能在24小时内鉴别出哪瓶水有毒？测试一下你的思维…什么是计算思维-一个示例【问题】小白鼠验毒问题？33012997有毒998999111110011111111001101111100101000000001000000000010000000000B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0M9M8M7M6M5M4M3M2M1M0B9=1B8=1B7=1B6=1B5=1B4=1B3=1B2=1B1=1B0=11000瓶水分给10只小白鼠喝，分配原则是：如一瓶水的Bi位为1，则给Mi小白鼠喝一口；哪些小白鼠死掉了?死掉为1，不死为0：M9M8M7M6M5M4M3M2M1M0=1111100101有什么启示吗?【求解】小白鼠验毒问题之求解什么是计算思维-一个示例34难度：【0和1的多种语义的组合应用】小白鼠“喝”与“不喝”与小白鼠“死”与“活”，水的“有毒”与“无毒”不同的两种状态都可表达为0和1---小白鼠-“死”与“活”；---小白鼠对某瓶水-“喝”与“不喝”；---水“有毒”与“无毒”用0/1编码串表示不同的含义---000010---对应第(000010的十进制)瓶水---000010---第i位对应第i只小白鼠，1喝0不喝；---000010---第i位对应第i只小白鼠，死1

活0

；000010多种不同的含义统一在一个01串中，可无缝隙实现含义转换多种不同的含义均用01串表达计算思维理解的关键点什么是计算思维-一个示例【思维】什么是计算思维？35二分法-串行使用小白鼠---1只能区分2瓶，2只能区分4瓶，…,n只能区分2n瓶二分法与二进制思维二分法-并行使用小白鼠---“组合”识别水瓶，n位编码能区分出2n瓶的某一瓶什么是计算思维-一个示例【思维】什么是计算思维？36过程化思维---水瓶十进制编号(所有)

二进制编码

分配给小白鼠喝(第i位对应第i只小白鼠，1喝0不喝)

小白鼠死与活

再形成二进制编码(第i位对应第i只小白鼠，死1活0)

十进制编号(有毒编号的水瓶)。符号变换与逻辑推理---由小白鼠的死活用计算的手段推断第几瓶水有毒---符号变换：十进制变换为二进制，二进制再变换为十进制。过程化与符号变换思维什么是计算思维-一个示例【思维】什么是计算思维？37【计算思维】是运用计算科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。From周以真，前卡耐基.梅隆大学计算机系系主任教授、前微软公司高级副总裁、前美国国家科学基金会助理局长。她在世界范围内推动了计算思维教育，尤其强调在大学低年级以及中学阶段进行计算思维教育，她认为到21世纪中叶计算思维能力是人人都应具备的一种基本能力。计算思维是一种科学与工程思维，是未来可以转化为创新的思维计算思维是关于计算方法与计算系统的思维（包括设计、构造和应用）、是一种大思维而非小技巧计算思维不仅仅是程序思维、算法思维和问题求解思维（这些可被认为是计算+思维），而是覆盖计算+思维、互联网+思维、大数据思维和人工智能+思维等相对完整的计算思维内容体系怎样创新？什么是计算思维-一个示例【思维】什么是计算思维？38·“偶校验规则”--使传输前和传输后相关位1的个数始终为偶数--偶数个1相加和为0；奇数个1相加和为1010110100010101001传输1001101110110111判断数据传输过程是否有错误发生？问题：数据传输的检错与纠错。【应用】通讯数据校验问题及其求解什么是计算思维-一个示例397654321P4=D7+D6+D5+D4---编号的第3位为1P2=D7+D6+D3+D2---编号的第2位为1P1=D7+D5+D3+D1---编号的第1位为11101001111P4’P2’P1’1101101数据111110101100011010001数据位二进制编号D7D6D5D4D3D2D1P4P2P1数据位校验位1101101111传输P4’=D7+D6+D5+D4+P4P2’=D7+D6+D3+D2+P2P1’=D7+D5+D3+D1+P1小白鼠“喝”与“不喝”小白鼠“死”与“活”111110【应用】通讯数据校验问题及其求解什么是计算思维-一个示例40传输P4=D7+D6+D5+D4---编号的第3位为1P2=D7+D6+D3+D2---编号的第2位为1P1=D7+D5+D3+D1---编号的第1位为11001101111P4’P2’P1’1101101101数据111110101100011010001数据位二进制编号D7D6D5D4D3D2D1P4P2P1数据位校验位1101101111P4’=D7+D6+D5+D4+P4P2’=D7+D6+D3+D2+P2P1’=D7+D5+D3+D1+P1小白鼠“喝”与“不喝”小白鼠“死”与“活”111换一位出错是否能判断？【应用】通讯数据校验问题及其求解什么是计算思维-一个示例765432141传输传输P8=编号的第4位为1的位相加=D11+D10+D9=0P4=编号的第3位为1的位相加=D7+D6+D5=0P2=编号的第2位为1的位相加=D11+D10+D7+D6+D3=1P1=编号的第1位为1的位相加=D11+D9+D7+D5+D3=110001100111P8’P4’P2’P1’101011001100111

P8’=D11+D10+D9+P8=1P4’=D7+D6+D5+P4=0P2’=D11+D10+D7+D6+D3+P2=1P1’=D11+D9+D7+D5+D3+P1=0小白鼠“喝”与“不喝”小白鼠“死”与“活”如果校验位出错怎么办？

23

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111098

7654

3

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1D11D10D9P8

D7D6D5P4

D3P2

P11011101010011000011101100101010000110010000111001101111P8’=D11+D10+D9+P8=0P4’=D7+D6+D5+P4=1P2’=D11+D10+D7+D6+D3+P2=0P1’=D11+D9+D7+D5+D3+P1=0【应用】通讯数据校验问题及其求解什么是计算思维-一个示例421.2.1计算思维的概念计算思维的概念计算思维是人类应具备的第三种思维理论思维:假设/预设定义/性质/定理证明.---推理和演绎实验思维:实验观察发现、推断与总结.---观察与归纳计算思维:设计,构造与计算.---设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用计算手段来辅助进行。431.2.2问题求解方法Google计算思维计算思维（CT）是一个有着诸多特点和要求的问题解决过程。可用于解决人文科学、数学和科学等各种学科的问题。不但能了解各学科之间的关联，同时也能够体会到课外生活与课堂内的知识之间的联系。分解：把数据、过程或问题分解成更小的、易于管理的部分。模式识别：观察数据的模式、趋势和规律。抽象：识别模式形成背后的一般原理。算法设计：为解决某一类问题撰写一系列详细步骤441.2.2问题求解方法计算思维与计算机科学的区别451.2.2问题求解方法计算思维案例1：分解分解：分解就是把大问题拆解成小问题，把复杂问题拆解成简单问题，把新问题拆分成老问题。对于一块大蛋糕，如果不切开，吃起来是非常困难的。使用工具把它分成一小块一小块来吃，一小块也不可能一次吃完，还要一口一口吃。461.2.2问题求解方法计算思维案例2：模式识别模式识别：寻找问题内或者子问题之间的模式、规律或者趋势。简单来说，就是找规律。一个苹果的价格是3元，3个苹果是9元，即单价乘上数量，现在知道一个梨子是4元，5个梨子多少钱？模式：单价*数量=总价471.2.2问题求解方法计算思维案例3：模式归纳模式发掘就是探索学科案例中蕴含的一些模式，并形成一套您独有的、借助模式识别方法进行问题研究的流程。481.2.2问题求解方法计算思维案例4：抽象抽象：指事物相关和重要的信息，它涉及从无关细节中分离出核心信息。抽象是计算思维的核心。491.2.2问题求解方法计算思维案例5：算法设计算法设计：完成某项任务的一系列指令，即解决问题的方案（步骤）。步骤中又包含分解，抽象，及模式识别，它就像一条线，串起计算思维在各个领域的应用。例如火星机器人着陆后，如何在无人控制情况下，实现自动寻路呢？1分解：在控制火星机器人翻越前面障碍的过程当中，机器人要左右移动，可以把它分解成左移或者是右移的动作。2模式：左移的模式与右移类似，左移设计好了，直接运用到右移即可。3抽象：机器人与障碍物的处理可以将机器人抽象成多边形，通过计算多边形之间是否重叠来判断其是否撞到障碍物导致游戏失败。4算法：实现程序，依次完成角色导入（即背景，、火星机器人、障碍图标等）、设定机器人初始位置、控制机器人上下移动、背景移动，设计碰撞检测算法等。501.2.3算法-计算系统的灵魂算法、数据和计算能力是人工智能的三大基石，其中算法是非常重要的一个部分。好的算法能节约很多资源，甚至能够完成一些不可能完成的任务。在任何应用领域，精心设计的算法都是解决大型问题最有效的方法。人工智能机器学习算法包括包括监督学习、无监督学习、半监督学习，强化学习、深度学习、迁移学习、强化学习等。人工智能机器学习算法分类人工智能之机器学习算法51探索人工智能3PART52人工智能（ArtificialIntelligence:AI）53如果说2023年《羊了个羊》的火爆只是在中文互联网的“小水坑”里扔了个炮仗，那今年ChatGPT的火爆程度则相当于在全球互联网的“太平洋”里点燃了一枚核弹！旧时王谢堂前燕飞入寻常百姓家什么是人工智能？54人脑接受外界输入的信息，经过头脑的加工处理，转换成内在的心理活动，进而支配人的行为，这个过程就是信息加工的过程，也就是认知过程。什么是人工智能？55大脑是由数十亿个神经元（神经细胞）组成的。这些神经元通过电信号和化学信号进行交流，形成复杂的神经网络。大脑的不同区域负责不同的功能，如感知、思考、运动控制和情感。什么是人工智能？56信息技术是扩展人们器官(眼睛、鼻子、耳朵、触觉)功能、协助人们有效地进行信息处理的一门技术，用来进行信息的采集（看到的、闻到的、听到的、感受到的）、信息存储、信息加工处理、信息传输、信息显示的技术，包括计算机、网络等。人工智能是是让机器（计算机）模拟人类大脑，从而实现自主学习和决策的能力。或者说在信息处理过程中，需要用到像人的大脑一样的信息技术就是人工智能。这种技术的发展，使得我们的生活变得更加便捷和高效。人工智能（AI）可以看作是信息技术的一种应用形式。人工智能和信息技术是相互依存、相互促进的关系。信息技术为AI的发展提供了支持，而AI的快速发展也推动了信息技术的进步和创新。它们共同推动了科技的进步和社会的发展。人工智能定义57像人类一样思考：神经网络听懂：语音识别看懂：视觉识别运动：运动控制用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能主要内容58算法计算能力大数据机器学习深度学习文字/图片/视频GPU/FPGA/TPU人工智能基本原理59人工智能背后的秘密：模仿人类的学习过程设鸡的数量为x只，兔子的数量为y只鸡和兔子的总数量为：n=x+y鸡和兔子的总腿数为：m=2x+4y人工智能基本原理60人工智能背后的秘密：人类的学习红色圆黄色长桔色圆applebananaorange人工智能基本原理61人工智能背后的秘密：机器学习学习训练模型识别特征提取通过学习具有“人类的部分智能”训练就是建立特征和识别结果之间的关系的过程，产物叫模型(函数)。就是我们学过的函数y=f(x)，输入（x）就是特征，输出就是识别结果(y)人工智能基本原理62人工智能背后的秘密：机器学习—计算机看到的香蕉学习训练模型识别特征提取人工智能基本原理63人工智能背后的秘密：机器学习—特征提取与训练学习训练模型识别特征提取颜色(y)数值红色1黄色2桔色3形状(x)数值圆1长2方3applebananaorange3*颜色+1*

形状=3*1+1*1=43*颜色+1*

形状=3*2+1*2=83*颜色+1*形状=3*3+1*1=103*颜色(x)+1*形状(y)：模型（函数）形状颜色221131人工智能基本原理64人工智能背后的秘密：机器学习—特征提取与训练学习训练模型识别特征提取颜色数值红色1黄色2桔色3形状数值圆1长2方3apple（4）banana（8）orange（10）a*颜色+b*

形状=4*1+2*1=6a*颜色+b*

形状=4*2+2*2=12a*颜色+b*形状=4*3+2*1=14形状颜色221131预测值真实值a=4b=2a*颜色(x)+b*形状(y)：模型（函数）人工智能基本原理65人工智能背后的秘密：机器学习—特征提取与训练学习训练模型识别特征提取颜色数值红色1黄色2桔色3形状数值圆1长2方3apple（4）2banana（8）4orange（10）4a*颜色+b*

形状=4*1+2*1=6a*颜色+b*形状=4*2+2*2=12a*颜色+1*

形状=4*3+2*1=14形状颜色221131误差预测值真实值a=4b=2a*颜色(x)+b*形状(y)：模型（函数）人工智能基本原理66人工智能背后的秘密：机器学习—特征提取与训练学习训练模型识别特征提取颜色数值红色1黄色2桔色3形状数值圆1长2方3apple（4）1banana（8）2orange（10）3a*颜色+b*

形状=4*1+1*1=5a*颜色