計算思維與智能計算基礎（第2版）（人工智能通識版）

楊麗鳳，太原理工大學計算機學院計算機學院副教授。多年來，一直從事信息管理系統、數據挖掘、Web智能信息處理、系統集成等方面的科研與教學工作，取得多項重要成果。承擔了“大學計算機基礎與計算思維”等本科生課程。參與編寫了多本教材，發表了數十篇論文。

第 1 章 計算、計算機與計算思維 ........................1

1.1 計算..............................................1

1.1.1 計算的基本概念.............................. 1

1.1.2 計算工具的探索.............................. 3

1.1.3 計算模型.......................................... 5

1.2 計算機 ..........................................9

1.2.1 計算機的發展.................................. 9

1.2.2 計算機基礎知識............................11

1.2.3 計算機的基本工作原理 ................16

1.3 計算思維 .....................................17

1.3.1 計算思維概述................................18

1.3.2 計算思維的方法與案例 ................20

1.3.3 計算思維的實現 ............................21

1.3.4 計算思維的應用............................23

習題 1.................................................25

第 2章 計算基礎.................26

2.1 0 和 1 的思維...............................26

2.1.1 中國古代的 0 和 1 的思維............26

2.1.2 計算機中 0 和 1 的思維...............27

2.2 計算機中的數制與運算 ..................27

2.2.1 數制與數制間的轉換 ....................27

2.2.2 二進制數的運算............................30

2.3 信息編碼 .....................................32

2.3.1 數值信息的表示............................ 32

2.3.2 字符信息的編碼............................ 34

2.3.3 漢字信息的編碼............................ 35

2.3.4 多媒體信息的編碼........................ 37

2.4 數據的組織與壓縮 ....................... 41

2.4.1 數據的組織.................................... 41

2.4.2 數據的壓縮.................................... 42

習題 2 .................................................43

第3章 計算機系統與雲計算... 44

3.1 計算機系統概述........................... 44

3.1.1 計算機系統的組成........................ 44

3.1.2 計算機系統的層次結構................ 46

3.2 硬件系統 .................................... 46

3.2.1 計算機硬件系統的組成................ 46

3.2.2 主機系統........................................ 48

3.2.3 外部設備........................................ 54

3.3 軟件系統 .................................... 61

3.3.1 操作系統........................................ 61

3.3.2 系統虛擬化.................................... 69

3.4 雲計算 ........................................70

3.4.1 雲計算的概述................................ 70

3.4.2 雲計算技術.................................... 72

3.4.3 雲計算的應用案例........................ 73

習題 3 .................................................74

第4章 計算機網絡與物聯網...75

4.1 計算機網絡..................................75

4.1.1 計算機網絡概述............................75

4.1.2 計算機網絡的組成........................ 77

4.1.3 互聯網............................................80

4.2 物聯網 ........................................86

4.2.1 物聯網概述....................................87

4.2.2 物聯網的體系結構........................87

4.2.3 物聯網的典型應用 ........................96

4.3 信息安全 .....................................97

4.3.1 信息安全概述................................97

4.3.2 計算機病毒....................................98

4.3.3 信息安全防護措施 ..................... 100

習題 4...............................................102

第5章 算法設計基礎 ......... 103

5.1 問題求解 ...................................103

5.2 算法概述 ...................................106

5.2.1 算法定義及其特征 ......................106

5.2.2 算法的描述..................................107

5.2.3 算法的基本結構 ..........................109

5.2.4 算法的評價標準..........................112

5.3 算法設計基礎.............................113

5.3.1 經典算法策略..............................113

5.3.2 常見問題算法舉例 ......................117

習題 5...............................................121

第6章 Python 程序設計.... 122

6.1 程序及程序設計語言 ...................122

6.1.1 計算機程序及程序設計 ..............122

6.1.2 程序設計語言..............................123

6.1.3 Python 簡介 ................................124

6.2 Python 編程基礎 .......................127

6.2.1 Python 書寫規範 ........................127

6.2.2 變量、常量..................................127

6.2.3 數據類型...................................... 128

6.2.4 賦值語句......................................130

6.2.5 運算符與表達式..........................130

6.3 程序設計 ...................................132

6.3.1 流程控制...................................... 132

6.3.2 函數式編程.................................. 137

6.3.3 Python 標準庫及擴展庫............ 139

習題 6...............................................147

第7章 數據庫與大數據 ...... 148

7.1 數據概述 ...................................148

7.1.1 數據.............................................. 148

7.1.2 數據管理...................................... 149

7.2 數據庫 ......................................152

7.2.1 數據庫概述.................................. 152

7.2.2 數據模型...................................... 154

7.2.3 數據庫的基本操作...................... 155

7.3 大數據 ......................................159

7.3.1 大數據概述.................................. 159

7.3.2 大數據的處理過程......................160

7.3.3 大數據的典型應用...................... 162

7.3.4 大數據 Python 分析實例........... 165

習題 7 ...............................................167

第8章 人工智能概述 ......... 168

8.1 人工智能簡介.............................168

8.1.1 人工智能的概念.......................... 169

8.1.2 人工智能的發展歷程.................. 171

8.1.3 人工智能的基本研究內容.......... 174

8.2 人工智能的組成要素與產業框架體系..........................................177

8.2.1 人工智能的 4 個要素.................. 177

8.2.2 人工智能產業體系與產業鏈框架 ............................................. 178

8.2.3 人工智能的三層核心技術..........180

8.3 人工智能的發展趨勢與倫理

問題..........................................181

8.3.1 人工智能的發展趨勢 ..................181

8.3.2 人工智能倫理問題 ......................184

8.3.3 針對人工智能的安全舉措 ..........185

習題 8...............................................187

第9章 人工智能基礎 ......... 188

9.1 知識和知識表示 .........................188

9.1.1 知識的概念和分類 ......................188

9.1.2 產生式表示法..............................190

9.1.3 框架表示法..................................191

9.1.4 知識圖譜......................................192

9.2 機器學習 ...................................194

9.2.1 機器學習概述..............................194

9.2.2 線性回歸實例..............................197

9.2.3 k 最近鄰分類...............................198

9.3 深度學習 ...................................200

9.3.1 人工神經網絡............................. 200

9.3.2 從淺層學習到深度學習 ..............202

9.3.3 卷積神經網絡原理與實例 ..........203

習題 9...............................................208

第 10 章 人工智能技術 ....... 209

10.1 計算機視覺..............................209

10.1.1 計算機視覺定義與發展............210

10.1.2 計算機視覺在人工智能應用中的

案例..............................................211

10.2 自然語言處理...........................213

10.2.1 自然語言處理概述....................214

10.2.2 自然語言處理在人工智能應用中的案例..........................................216

10.3 大模型 ....................................217

10.3.1 大模型的產生和發展................ 217

10.3.2 大模型的基本特點.................... 219

10.3.3 大模型的構建與訓練................ 221

10.3.4 大模型的應用 ........................... 224

10.4 人工智能生成內容 ....................228

10.4.1 AIGC 的產生和發展................. 229

10.4.2 AIGC 與大模型的交互關系.....230

10.4.3 常用的 AIGC 工具.................... 231

10.4.4 AIGC 工具應用實例................. 235

習題 10 .............................................237

第 11 章 人工智能應用......... 238

11.1 工業領域 .................................239

11.1.1 工業領域的應用概述................ 239

11.1.2 智能工業機器人........................ 239

11.1.3 智能制造.................................... 241

11.2 醫療領域 .................................242

11.2.1 醫療領域的應用概述................ 242

11.2.2 醫學影像診斷............................ 243

11.2.3 機器人輔助手術........................244

11.2.4 醫療健康管理............................244

11.3 交通領域 .................................245

11.3.1 交通領域的應用概述................ 245

11.3.2 自動駕駛.................................... 246

11.3.3 智慧交通.................................... 248

11.3.4 智慧停車.................................... 249

11.4 教育領域 .................................250

11.4.1 教育領域的應用概述................250

11.4.2 智能教學....................................250

11.4.3 智能評價.................................... 251

11.4.4 智能教室.................................... 252

習題 11 .............................................253

參考文獻 .......................... 254