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内容简介
本书沿着时间的轨迹，讲述了物理世界中宇宙和地球的诞生与演变，探讨了生物世界中生命和人类的诞生与进化，讨论了数字世界中科学技术的产生与进步。数据与物质和能量并驾齐驱，构成了人类宇宙的三个基本要素，并以此为基础建立了物理、生物和数字三个各有千秋却密切相连的世界。“三个世界”的概念和框架构成了本书讨论数据智能的基础，为认识、理解数据和智能的起源与发展提供了一个宏观的问题视角和理论平台。介绍和讨论数据、信息和知识的概念定义、运作法则与实际应用，系统地描述和讨论了从原始数据到主观信息，终到抽象知识的提炼与升华过程。对执行和实现此过程的自然和人工智能系统的模型、算法能等的基本原理和新进展进行系统的介绍和研讨。 本书可作为高校电子信息类、计算机类、自动化类等相关专业大一新生的入门级通识课程教材，也可供从事信息科学、技术和应用的工程技术人员参考。
目录
第1篇三个世界1.1物理世界1.1.1物质的概念1.1.2能量的概念1.1.3波粒二象1.1.4物质与能量的关系1.1.5宇宙的起源1.1.6地球的形成1.1.7宇宙的熵增1.2生物世界1.2.1生命的概念1.2.2生物圈1.2.3细胞1.2.4蛋白质1.2.5DNA1.2.6生命的起源1.2.7人类的进化1.2.8生命体的复杂和有序1.3数字世界1.3.1数据的起源1.3.2DNA和基因中的数据1.3.3大脑中的数据1.3.4感官数据1.3.5语言数据1.4三个世界本篇小结讨论问题研究课题第2篇数据法则2.1数据的概念2.2数据科学法则2.3数据科学法则2.4数据科学第三法则本篇小结讨论课题研究课题第3篇信息纽带3.1信息的定义3.2概率基础知识3.3信息的法则3.4信息的形式3.4.1压缩编码3.4.2纠错编码3.4.3加密编码3.5信息的含义3.6信息的效用本篇小结讨论课题研究课题第4篇知识升华4.1知识的定义4.2知识的分类4.2.1描述与程序知识4.2.2显与隐知识4.2.3公共与私密知识4.3知识的来源4.4知识的渠道4.5知识的形式4.6知识的边界4.7知识的作用4.8知识的挑战本篇小结讨论课题第5篇自然智能5.1智能的定义5.2智商的概念5.3智能的模型5.3.1基于心理测试的智能模型5.3.2基于认知过程的智能模型5.3.3基于生物科学的智能模型5.3.4基于情境关联的智能模型5.5情绪智能5.5.1情绪概念5.5.2情绪模型5.5.3情绪智能本篇小结讨论课题研究课题第6篇人工智能6.1人工智能历史6.2人工智能概念6.3人工智能算法6.3.1生物进化算法6.3.2神经网络算法6.4图像识别与物体感知6.4.1图像识别算法6.4.2物体检测算法6.4.3实例分割算法6.4.4评价方法与指标6.4.5人脸识别和检测6.4.6医学影像识别与疾病检测6.4.7车辆自动驾驶6.5自然语言处理6.5.1自动语音识别6.5.2词嵌入和语义理解6.5.3机器翻译6.5.4机器问答6.6棋类博弈游戏6.6.1象棋6.6.2围棋6.7情感计算6.8人工智能的挑战6.9人类与机器的未来本篇小结讨论课题
摘要与插图
作为本书的部分，本篇的主要目的和任务是为后续所讲述的课题提供一个宏观的问题视角、理论框架和讨论平台。同时，也将所涉及的内容规范和限制在一个比较容易描述和理解的范围之内。这里所要介绍的理论框架是一个关于物理、生物和数字“个世界”的模型。这是一个为了简化问题所提出似模型，对于我们所要研究讨论的问题具有较普遍的适用和较强大的解释。为了使所介绍的核心知识点更容易理解，我们将沿着历史时间演进的主线，讲述物理、生物和数字世界的起源、演化、进化与发展过程。正如德国哲学家恩斯特尔奇（Ernst Troeltsch，1865-1923）所说的，“从起源中理解事物，是从本质上理解事物”。不过关于世界构成的本源与本质问题属于哲学的范畴，深究起来恐怕会引和争议。在这里我们仅试图从“纯科学”的角度出发，尽量采用经过观察与实验验证的证据与主流的理论模型来说明与支持所阐述的论点。即便如此，所涉及的有些问题仍属于科学领域中博大精深、悬而未决的前沿课题。好在关于宇宙、地球、生物以及人类起源等方面的科普书、专业教科书以及参考文献很多，读者可以根据个人兴趣志向进一步深入地系统学习和研究。本书希望通过简化概括的介绍，建立一个关于“物理-生物-数字”的理论框架，并以此作为我们的世界观和范式。需要提醒的是，这些关于世界的观点与范式均出自以人类为中心的动机与前提。这种动机和前提在一个更大的宇宙视角下也许是自私和局限的，但在没有发现其他智能物种之前，这也许是一种自然和合理的选择和视角。
1.1物理世界
物理世界是指由物质与能量所组成的世界。这个世界的范围极大，可括整个可观测的宇宙。根据实际经验和科学常识，我们所处的世界是由各种实实在在的物质所构成的，而推动物质运动和变化的动力则是形形色色的能量。
1.1.1物质的概念
物质是构成客观世界一切物体的材料，具有的结构和质量。物质的宏观形态根据构成物质微观粒子（如分子等）之间的距离，可以分为固体（如金属等）、液体（如水等）和气体（如氧气和氢气等），如图1-1（a）所示，产生物质不同宏观形态的主要条件是所处的温度。温度越高，微观粒子之间的相对平均距离则越大，但不同的物质所对应的相变（从一种状态（如固体）到另一种状态（如液体）的变化）的温度不同。根据经典物理学，物体的质量是物体中所含物质多少的衡量，基本度量为“克”。根据牛顿的力学理论，一个物体的质量可以通过其受力和加速度之间的关系定义和测量。在同样加速度条件下，所需要的力越大，物体含的物质质量越大。用此种方法定义的质量称为惯质量。在经典物理学中，物质的质量在相对静止的条件下是一个相对稳定的常数，比如在物质转化（如化学反应）过程中，物质质量保持守恒（不变）物质的微观结构按从高到低层次是由分子、原子、电子以及原子核等构成的「图1-1（b）7。分子作为构成物质高层次的粒子，一般呈电中，是使物质保持其化学质而单独存在的小单元。原子在化学反应（分子结构发生变化）过程中保持不变（不可再分），是保持物质（分子）化学质的小微观粒子。分子是由多个原子通过化学键（如共用电子的共价键等）连接一起而形成的。它可以由相同的化学元素构成，如由两个氧原子组成的氧气分子；也可以由不同的元素构成，如由两个氢原子和一个氧原子构成的水分子。目前人类所发现的3000多万种分子均是由自然界中100多种元素的原子以不同的结合方式和空间结构组成的。原子则由原子核和围绕在它周围的电子构成。原子核还可以再分为更小的带正电的质子和不带电的中子。而中子和质子又可能是由更基本的粒子夸克组成的。分子和原子的尺为10一10~10一8米（m），而原子核的尺在10-14m以下。人类对物质的认识从古希腊的原子论的猜想代的量子力学的发现和实验，再到现代物理学的各种大胆假说与模型，经历了由浅到深、由分立到统一的过程。这种将物质复杂的宏观现象划分为简单的微观机制的分析方法是物理学基本也是的科学方法，称为“还原法”(reductionist method)。
对于信息科学与技术来说，重要的物质是固体材料中普遍存在的电子（electron)。电子是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson,1856-1940）于1897年在剑桥大学卡文迪什实验室发现的，是组成原子的基本粒子之一。电子具有的质量和电荷，其静止质量为9.10938356×10-31千克（kg），所携带的电荷为负，电量为1.6×10-19库仑（C）。在电场的作用下，电子可以在真空或物质材料中运动，形成电流。电子作为一种微观的基本粒子，本身所具有的物质质量和携带电量均是微小的，但大量电子所形成的电流却是可以观测的宏观现象，如暴雨天气中观察到的闪电和实验室中测量的电流等。数据在许多情况下都表现为电子的宏观状态如电流、电压等，或微观状态如速度、能级、自旋等。关于电子在不同材料中和条件下运动的规律和特，读者可以在相关教材和参者书中学习和了解。正是电子在不同固体材料（如半导体与金属）中……