計算與人工智能概論（第2版）（微課版）

羅娟，湖南大學信息科學與工程學院教授，博士生導師，副院長。研究方向為物聯網、雲計算、衛星互聯網、人工智能等，入選教育部新世紀優秀人才，獲得湖南省傑出青年基金、教育部-華為智能基座優秀教師、湖南省青年骨幹教師。入選2021斯坦福大學發布的“全球前2%頂尖科學家”榜單。獲得湖南省教學成果一等獎、湖南省技術發明二等獎、機械工業科技進步二等獎等，是國家級一流專業和一流課程負責人。

第 一部分 計算與計算思維

第 1章 計算與人工智能概述 2

1.1 計算的概念 2

1.1.1 什麼是計算 2

1.1.2 圖靈機 3

1.1.3 什麼是計算機 5

1.1.4 算法、計算機語言與程序 8

1.2 什麼是計算思維 12

1.2.1 計算思維的概念 12

1.2.2 問題求解方法 13

1.2.3 算法——計算系統的靈魂 16

1.3 探索人工智能 18

1.3.1 人工智能概述

1.3.2 智能移動機器人路徑規劃 18

1.3.3 人工智能歷史 21

1.3.4 人工智能相關研究 23

1.4 人工智能發展 24

1.4.1 人工智能應用領域 24

1.4.2 人工智能發展 27

1.4.3 華為昇騰AI解決方案

習題 28

第 2章 計算系統 30

2.1 計算與計算機簡述 30

2.1.1 圖靈機模型 33

2.1.2 計算機的工作原理 36

2.1.3 並行計算 39

2.1.4 嵌入式計算 42

2.1.5 華為雲計算方案

2.2 計算執行 45

2.2.1 編譯、鏈接和裝載程序 47

2.2.2 程序、進程和線程 52

2.2.3 文件系統 55

2.3 未來的計算機 57

2.3.1 計算機系統的發展 57

2.3.2 未來計算機 58

習題 61

第二部分 程序設計與算法

第3章 Python編程基礎 63

3.1 問題求解的計算思維方法 63

3.1.1 問題分解 63

3.1.2 模式識別 64

3.1.3 抽象 64

3.1.4 算法設計 65

3.2 編程的基本概念 65

3.2.1 程序的基本要素 66

3.2.2 Python語言 66

3.2.3 第 一個Python程序：計算籃球某

時刻的坐標值 70

3.2.4 Python基本語法 70

3.2.5 計算並繪制坐標點 73

3.3 模塊化編程——函數 74

3.3.1 內置函數 75

3.3.2 自定義計算坐標的函數 75

3.3.3 調用函數繪制坐標點 76

3.3.4 函數的參數 77

3.3.5 函數返回 78

3.4 基本的程序設計方法——分支 78

3.4.1 單分支——if語句 78

3.4.2 二分支——if-else語句 79

3.4.3 多分支——if-elif-else語句 79

3.4.4 智能型計算坐標函數 80

3.4.5 在合理範圍內繪制坐標點 82

3.5 基本的程序設計方法——循環 83

3.5.1 while循環 83

3.5.2 在合理範圍內繪制多個坐標點 84

3.5.3 循環嵌套 85

3.5.4 在合理範圍內繪制多條軌跡線 86

習題 87

第4章 Python編程進階 89

4.1 序列數據類型——列表 89

4.1.1 用列表存儲多條軌跡線的

坐標點 89

4.1.2 列表的基本概念 90

4.1.3 列表的基本操作 91

4.1.4 用列表實現繪制多條線 93

4.2 映射數據類型——字典 94

4.2.1 用字典存儲多條軌跡線的

坐標點 94

4.2.2 字典的基本概念 95

4.2.3 字典元素的訪問 95

4.2.4 字典的基本操作 96

4.2.5 字典的嵌套 96

4.2.6 用字典實現繪制多條線 97

4.3 文件操作 97

4.3.1 文件的基本概念 98

4.3.2 常用文件操作 100

4.3.3 用文件存儲多條軌跡線的

坐標點 103

4.4 Python綜合案例——百分百機器人

投籃 105

4.4.1 案例任務描述 106

4.4.2 案例任務分析 106

4.4.3 案例任務實現路徑 106

4.4.4 程序模塊的代碼實現 107

4.4.5 案例運行結果展示 111

習題 111

第5章 算法設計 114

5.1 什麼是算法 114

5.1.1 算法是解題步驟 114

5.1.2 算法與計算思維 115

5.2 算法性能 116

5.2.1 算法性能的衡量指標：時間

復雜度 117

5.2.2 算法性能分析舉例 119

5.3 問題求解計算思維方法 121

5.3.1 疊代法 121

5.3.2 窮舉法 122

5.3.3 二分法 123

5.3.4 遞歸 127

5.3.5 深度優先遍歷 129

5.3.6 梯度下降法 134

習題 138

第三部分 人工智能與智能計算

第6章 智能感知 141

6.1 自然語言處理與大模型 141

6.2 機器視覺 145

6.3 模式識別 149

6.4 案例分析與實現 152

習題 155

第7章 機器學習 156

7.1 監督學習 156

7.2 無監督學習 159

7.3 半監督學習 161

7.4 案例分析與實現 162

習題 164

第8章 智能決策 165

8.1 基於搜索的最優路徑決策 165

8.2 強化學習 170

8.3 群體智能 173

8.4 案例分析與實現 177

習題 179

第9章 智能機器人 180

9.1 機器人技術 180

9.1.1 機器人簡介 180

9.1.2 機器人及其應用 181

9.1.3 機器人技術展望 182

9.2 人機交互 183

9.2.1 基於傳統硬件設備的人機交互 183

9.2.2 基於觸控設備的人機交互 185

9.2.3 基於智能設備的人機交互 186

9.2.4 人機交互未來發展趨勢 187

習題 189

第四部分 網絡與大數據

第 10章 互聯網信息處理 191

10.1 網絡信息獲取基礎 191

10.1.1 計算機網絡基礎 191

10.1.2 無線網絡與物聯網 200

10.1.3 Web的基本工作方式 206

10.1.4 HTML簡介 208

10.2 網絡爬蟲與信息提取 211

10.2.1 天氣數據爬取案例 211

10.2.2 網絡爬蟲 213

10.3 搜索引擎原理 215

10.3.1 搜索引擎組成 216

10.3.2 網頁排名算法 218

10.4 網絡安全 219

10.4.1 網絡安全基本屬性 219

10.4.2 OSI網絡安全體系結構 220

10.4.3 網絡安全模型與網絡安全訪問

模型 221

習題 222

第 11章 數據管理與大數據 224

11.1 計算機數據管理 224

11.1.1 人工管理階段 224

11.1.2 文件系統階段 225

11.1.3 數據庫系統階段 226

11.1.4 數據文件格式 227

11.2 數據庫 229

11.2.1 數據庫系統的組成 229

11.2.2 關系型數據庫 232

11.2.3 數據庫設計 235

11.2.4 數據庫和數據表的基本操作 238

11.3 大數據簡介 240

11.3.1 大數據的產生 240

11.3.2 大數據的特性 241

11.3.3 大數據處理過程概述 242

11.3.4 高校大數據應用解決方案

示例 245

習題 246

第 12章 數據分析 248

12.1 數據分析應用 248

12.1.1 數據分析定義 248

12.1.2 數據分析應用場景 248

12.2 數據分析案例 250

12.2.1 數據分析的基本步驟 250

12.2.2 氣候數據分析案例 251

12.2.3 數據分析軟件 255

12.3 數據分析詳解 257

12.3.1 數據采集 257

12.3.2 數據處理 258

12.3.3 數據分析 259

12.3.4 數據挖掘 261

12.3.5 數據可視化 263

習題 269

參考文獻 270