本書主要為高等院校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人工智能導(dǎo)論課程設(shè)計(jì)編寫，內(nèi)容具有應(yīng)用 理論的特色。針對高校學(xué)生的需求和人工智能發(fā)展的特點(diǎn)，本書分為引言篇、理論篇和應(yīng)用篇三部分，可基于學(xué)習(xí)需求和進(jìn)度，自主選擇。引言篇包括緒論；理論篇包括人工智能之理論基礎(chǔ)、人工智能之機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能之深度學(xué)習(xí)、人工智能之強(qiáng)化學(xué)習(xí)；應(yīng)用篇包括人工智能開發(fā)平臺和人工智能應(yīng)用及展望。本書可用于普通高等學(xué)校各專業(yè)人工智能導(dǎo)論、醫(yī)學(xué)人工智能導(dǎo)論等相關(guān)課程的教學(xué)，也可供對人工智能感興趣的科研人員參考。
近年來，隨著人工智能技術(shù)在人臉識別、自然語言處理等諸多實(shí)際應(yīng)用中成功落地，它已經(jīng)慢慢改變了人類社會的生活、生產(chǎn)和消費(fèi)模式。新一輪Chat-GPT、SAM 及AIGC 技術(shù)的發(fā)展以及引發(fā)的相關(guān)倫理的挑戰(zhàn)，使全世界各國更加重點(diǎn)關(guān)注和布局人工智能領(lǐng)域，旨在這一輪科技革命中占據(jù)主動位置，對于這些新技術(shù)的算法基礎(chǔ)的了解已經(jīng)成為全社會各個行業(yè)人士特別是廣大中國知識界和學(xué)生的期望。
人工智能是一門有關(guān)知識的科學(xué)，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)和人工智能等專業(yè)的一門核心課程。而且，隨著人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用和交叉學(xué)科研究興起，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生對學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的需求也日漸強(qiáng)烈。
南方科技大學(xué)作為一個新型研究型大學(xué)，一直重視交叉學(xué)科人才培養(yǎng)。為了順應(yīng)時代發(fā)展的需求，南方科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系面向全校學(xué)生特別是非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科年級的學(xué)生開設(shè)了人工智能導(dǎo)論課程，目的是通過介紹人工智能算法體系和發(fā)展過程，進(jìn)一步激發(fā)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)和提高學(xué)生利用人工智能技術(shù)進(jìn)行學(xué)科交叉的應(yīng)用創(chuàng)新能力。
筆者長期從事人工智能、精準(zhǔn)醫(yī)療、眼腦聯(lián)動、手術(shù)機(jī)器人等方面的研究。從2019 年開始在南方科技大學(xué)給全校學(xué)生講授人工智能導(dǎo)論課程，開課后選課學(xué)生每年成倍遞增。在授課過程中，深刻感覺到以 AI AI （ 人工智能算法 人工智能技術(shù)在特定行業(yè)的特定應(yīng)用）的內(nèi)容編排的授課方式有助于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生更好地學(xué)習(xí)人工智能的基本理論和算法，并激發(fā)他們學(xué)習(xí)和應(yīng)用人工智能技術(shù)的熱情。這也促使筆者在本書編寫過程中通過 以人工智能實(shí)際應(yīng)用引出人工智能理論和算法，即通過具體生動的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例來介紹人工智能的核心算法和理論。本書的內(nèi)容分引言篇、理論篇以及應(yīng)用篇三個部分，為進(jìn)一步貫徹黨的二十大的科技強(qiáng)國精神，在各個部分客觀并積極地融入當(dāng)代中國科技思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)育人和育才目標(biāo)的統(tǒng)一。
第1部分引言篇：介紹人工智能的定義，包含人工智能的定義與發(fā)展、行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及三個貫穿整本書的經(jīng)典人工智能應(yīng)用3 個方面。其中，本部分介紹我國在人工智能領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，如寒武紀(jì)人工智能芯片、基于悟道 2.0誕生的中國原創(chuàng)虛擬學(xué)生華智冰，以及文心一言大模型，體現(xiàn)出我國自主研發(fā)能力的增強(qiáng)和科技工作人員的大國工匠精神。
第2部分理論篇：論述人工智能的核心理論與算法，包括人工智能的理論基礎(chǔ)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)4 個核心部分。本書主要通過自然語言理解、智能眼科圖像處理和智能棋類這三個經(jīng)典應(yīng)用引出人工智能的核心理論與算法，將科研和工程的求真務(wù)實(shí)和不斷創(chuàng)新理念融入書中，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力、追求卓越的精神以及協(xié)同合作和奉獻(xiàn)精神。
第3部分應(yīng)用篇：講解人工智能開發(fā)平臺及應(yīng)用，包括人工智能開發(fā)平臺、人工智能應(yīng)用及展望2 個主題。本書通過人工智能開發(fā)平臺及應(yīng)用介紹，激發(fā)當(dāng)代學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，從而做到情境統(tǒng)一、理境結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位育人和育才。
特別在編寫理論篇人工智能之機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能之深度學(xué)習(xí)、人工智能之強(qiáng)化學(xué)習(xí)這三章的內(nèi)容中，在介紹每一個經(jīng)典的人工智能算法小節(jié)時，針對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，本書都結(jié)合 AI AI 的原則，通過一個應(yīng)用來介紹每個算法，旨在幫助讀者深入地理解及運(yùn)用人工智能算法去解決實(shí)際應(yīng)用問題。在應(yīng)用篇，本書也對人工智能的經(jīng)典應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)介紹并結(jié)合當(dāng)下研究熱點(diǎn)對未來研究方向進(jìn)行展望。同時，本書也為各章設(shè)計(jì)對應(yīng)的習(xí)題，幫助讀者鞏固學(xué)習(xí)到的知識點(diǎn)。
本書可用于普通高等學(xué)校各專業(yè)人工智能導(dǎo)論、醫(yī)學(xué)人工智能導(dǎo)論等相關(guān)課程的教學(xué)。教師可根據(jù)課程計(jì)劃和專業(yè)培養(yǎng)需要重點(diǎn)講授有關(guān)內(nèi)容，也可依據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)度和需求，做出適當(dāng)選擇。
本書由南方科技大學(xué)劉江、章曉慶、胡衍編著。本書的內(nèi)容匯集了智能醫(yī)療影像處理團(tuán)隊(duì) （Intelligent Medical Imaging，iMED）的集體智慧，參與本書的iMED 團(tuán)隊(duì)成員有章曉慶、胡衍、肖尊杰、李三仟、胡凌溪、楊冰、張慧紅、張穎麟、邱忠喜、林文鈞、王星月、曾娜、沈俊勇、聶秋實(shí)、郭夢杰、黎德睿、孫清揚(yáng)、巫曉、張佳意、廖銘騫，在此表示感謝。也感謝為本書編寫提供建議和服務(wù)的其他iMED 團(tuán)隊(duì)成員。
筆者在此對南方科技大學(xué)工學(xué)院院長徐政和院士關(guān)于人工智能導(dǎo)論課程開設(shè)的遠(yuǎn)見，致以敬意；對計(jì)算機(jī)系的姚新主任關(guān)于本書的出版給予的熱情鼓勵和支持，致以感謝。另外，本書的出版得到了南方科技大學(xué)教材出版資助，感謝學(xué)校的認(rèn)可。
由于筆者水平有限，同時人工智能技術(shù)發(fā)展日新月異，書中內(nèi)容難免會存在不足，歡迎廣大讀者提出寶貴建議。
劉江
2023年5月
引言篇 人工智能的定義 001
第1章 緒論 2
1.1 什么是人工智能 2
1.1.1 人工智能的起源及定義 3
1.1.2 人工智能的三個發(fā)展階段 4
1.2 人工智能的三個主要研究方法 6
1.2.1 基于符號主義的人工智能研究方法 7
1.2.2 基于連接主義的人工智能研究方法 7
1.2.3 基于行為主義的人工智能研究方法 8
1.3 人工智能的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 9
1.3.1 世界各國人工智能發(fā)展支持政策 9
1.3.2 人工智能產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 12
1.3.3 人工智能行業(yè)應(yīng)用 14
1.4 人工智能的三個經(jīng)典應(yīng)用 17
1.4.1 自然語言理解 18
1.4.2 智能眼科醫(yī)學(xué)圖像處理 19
1.4.3 智能棋類 21
本章小結(jié) 23
習(xí)題 24
本章參考文獻(xiàn) 24
理論篇 人工智能基礎(chǔ)理論與算法 025
第2章 人工智能之理論基礎(chǔ) 26
2.1 人工智能的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 27
2.1.1 線性代數(shù) 27
2.1.2 人工智能數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之概率論 30
2.1.3 人工智能數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之微積分 32
2.2 人工智能的最優(yōu)化與信息論基礎(chǔ) 33
2.2.1 最優(yōu)化理論 33
2.2.2 信息論 34
2.3 人工智能的生物學(xué)基礎(chǔ) 36
2.3.1 生物神經(jīng)元 36
2.3.2 人腦視覺與信息機(jī)理機(jī)制 37
2.3.3 人工神經(jīng)元 39
2.4 人工智能的控制論基礎(chǔ) 42
2.4.1 動態(tài)系統(tǒng) 43
2.4.2 人工智能之反饋控制與最優(yōu)控制 44
2.4.3 控制論與強(qiáng)化學(xué)習(xí) 46
本章小結(jié) 47
習(xí)題 47
本章參考文獻(xiàn) 47
第3章 人工智能之機(jī)器學(xué)習(xí) 48
3.1 機(jī)器學(xué)習(xí)概述 48
3.2 監(jiān)督學(xué)習(xí) 49
3.2.1 經(jīng)典算法1：線性回歸 50
3.2.2 經(jīng)典算法2：邏輯回歸 53
3.2.3 經(jīng)典算法3：感知機(jī) 56
3.2.4 經(jīng)典算法4：支持向量機(jī) 58
3.2.5 經(jīng)典算法5：決策樹 64
3.2.6 經(jīng)典算法6：集成學(xué)習(xí) 68
3.3 無監(jiān)督學(xué)習(xí) 69
3.3.1 經(jīng)典算法1：K-均值算法 70
3.3.2 經(jīng)典算法2：主成分分析 73
3.4 弱監(jiān)督學(xué)習(xí) 76
3.4.1 主動學(xué)習(xí) 77
3.4.2 半監(jiān)督學(xué)習(xí) 78
3.4.3 遷移學(xué)習(xí) 80
3.4.4 多示例學(xué)習(xí) 81
本章小結(jié) 82
習(xí)題 82
本章參考文獻(xiàn) 82
第4章 人工智能之深度學(xué)習(xí) 83
4.1 深度學(xué)習(xí)概述 84
4.1.1 前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 84
4.1.2 生成模型 86
4.1.3 序列模型 86
4.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 87
4.2.1 概述 87
4.2.2 激活函數(shù) 91
4.2.3 損失函數(shù) 95
4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化與學(xué)習(xí) 100
4.3.1 梯度下降 101
4.3.2 反向傳播算法 102
4.4 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 107
4.4.1 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 107
4.4.2 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2：循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 117
4.4.3 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3：生成對抗網(wǎng)絡(luò) 124
4.4.4 經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4：注意力機(jī)制網(wǎng)絡(luò) 128
4.5 深度學(xué)習(xí)前沿 134
4.5.1 自監(jiān)督學(xué)習(xí) 134
4.5.2 可解釋性深度學(xué)習(xí) 135
4.5.3 對抗攻擊與防御 135
4.5.4 超大規(guī)模模型 136
本章小結(jié) 137
習(xí)題 138
本章參考文獻(xiàn) 139
第5章 人工智能之強(qiáng)化學(xué)習(xí) 140
5.1 強(qiáng)化學(xué)習(xí)概述 141
5.2 強(qiáng)化學(xué)習(xí)之馬爾可夫決策過程 142
5.2.1 馬爾可夫過程 142
5.2.2 馬爾可夫獎勵過程 142
5.2.3 馬爾可夫決策過程 143
5.3 強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的目標(biāo)函數(shù) 144
5.3.1 值函數(shù) 144
5.3.2 貝爾曼方程 144
5.4 強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法 145
5.4.1 動態(tài)規(guī)劃 146
5.4.2 蒙特卡羅法 148
5.4.3 時序差分法 151
5.4.4 深度Q 網(wǎng)絡(luò) 154
5.4.5 連續(xù)動作空間深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)簡單示例 157
本章小結(jié) 159
習(xí)題 159
本章參考文獻(xiàn) 159
應(yīng)用篇 人工智能開發(fā)平臺及應(yīng)用 161
第6章 人工智能開發(fā)平臺 162
6.1 Python 語言簡介 162
6.1.1 Python 常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 163
6.1.2 函數(shù) 164
6.1.3 類 165
6.2 機(jī)器學(xué)習(xí)平臺 165
6.2.1 NumPy 166
6.2.2 Pandas 166
6.2.3 Scikit-Learn 167
6.2.4 Scipy 168
6.2.5 應(yīng)用實(shí)戰(zhàn) 168
6.3 深度學(xué)習(xí)開發(fā)框架 172
6.3.1 總述 172
6.3.2 TensorFlow 172
6.3.3 PyTorch 174
6.3.4 飛槳（PaddlePaddle） 176
6.3.5 應(yīng)用實(shí)戰(zhàn) 177
本章小結(jié) 182
習(xí)題 182
本章參考文獻(xiàn) 184
第7章 人工智能應(yīng)用及展望 185
7.1 人工智能與自然語言處理 186
7.1.1 自然語言處理的基本概念 186
7.1.2 自然語言處理的發(fā)展歷史 187
7.1.3 自然語言處理的研究方向 188
7.2 人工智能與圖像處理 196
7.2.1 圖像增強(qiáng) 197
7.2.2 圖像復(fù)原 199
7.2.3 圖像編碼 201
7.2.4 圖像分割 204
7.2.5 圖像識別與分類 205
7.3 人工智能與機(jī)器人 207
7.3.1 機(jī)器人概念 207
7.3.2 根據(jù)機(jī)器人發(fā)展階段分類 208
7.3.3 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境分類 209
7.4 人工智能與視頻理解 210
7.4.1 動作識別 211
7.4.2 時序動作定位 215
7.4.3 視頻向量化 217
7.5 人工智能與元宇宙 219
7.5.1 元宇宙的基本概念 219
7.5.2 元宇宙中基礎(chǔ)技術(shù) 221
7.6 人工智能未來展望 223
7.6.1 研究熱點(diǎn)預(yù)測 223
7.6.2 人工智能倫理與治理 226
本章小結(jié) 228
習(xí)題 228
本章參考文獻(xiàn) 228
后記 229
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