為什么要把數(shù)學建模與當今火熱的人工智能放在一起？

首先，數(shù)學建模在字面上可以分解成數(shù)學+建模，即運用統(tǒng)計學、線性代數(shù)和積分學等數(shù)學知識，構建算法模型，通過模型來解決問題。數(shù)學建模往往是沒有對與錯，只有“更好”（better），就好像讓你評價兩個蘋果哪個更好吃，只有好吃、不好吃或者更好吃，沒有對與錯。

人工智能（ArtificialIntelligence,AI），你可以將其理解為是一種“黑科技”，人類通過它，讓計算機能夠“更好”地像人一樣思考?？梢哉f“算法模型”是人工智能的“靈魂”，沒有算法模型，一切都是“水中月”“鏡中花”！

因此，《Python 3破冰人工智能》將從數(shù)學建模入手，由淺入深地為讀者揭開AI的神秘面紗。

數(shù)學建模簡介

數(shù)學建模是利用數(shù)學方法解決實際問題的一種實踐。即通過抽象、簡化、假設、引進變量等處理過程，將實際問題用數(shù)學方式表達，建立起數(shù)學模型，然后運用先進的數(shù)學方法及計算機技術進行求解。數(shù)學建?？梢酝ㄋ椎乩斫鉃閿?shù)學+建模，即運用統(tǒng)計學、線性代數(shù)，積分學等數(shù)學知識，構建數(shù)學模型，通過模型解決問題。

按照傳統(tǒng)定義，數(shù)學模型是對于一個現(xiàn)實對象，為了一個特定目的（實際問題），做出必要的簡化假設（模型假設），根據(jù)對象的內在規(guī)律（業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)特征），運用適當?shù)臄?shù)學工具、計算機軟件，得到的一個數(shù)學結構。

亞里士多德說，“智慧不僅僅存在于知識之中，而且還存在于應用知識的能力中”。數(shù)學建模就是對數(shù)學知識最好的應用，通過數(shù)學建模，你會發(fā)現(xiàn)，生活中很多有意思的事情都可以靠它來解決，其流程如圖1-1所示。

▲圖1-1數(shù)學建模流程

人工智能簡介

對于普通大眾來說，可能是近些年才對其有所了解，其實人工智能在幾十年以前就被學者提出并得到一定程度的發(fā)展，伴隨著大數(shù)據(jù)技術的迅猛發(fā)展而被引爆。

（1）人工智能的誕生

最初的人工智能其實是20世紀30至50年代初一系列科學研究進展交匯的產物。1943年，沃倫·麥卡洛克（WarrenMcCulloch）和瓦爾特·皮茨（WalterPitts）首次提出“神經網絡”概念。1950年，阿蘭·圖靈（AlanTuring）提出了著名的“圖靈測試”，即如果一臺機器能夠與人類展開對話（通過電傳設備）而不能被辨別出其機器身份，那么稱這臺機器則具有智能。直到如今，圖靈測試仍然是人工智能的重要測試手段之一。1951年，馬文·明斯基（MarvinMinsky）與他的同學一起建造了第一臺神經網絡機，并將其命名為SNARC（StochasticNeuralAnalogReinforcementCalculator）。不過，這些都只是前奏，一直到1956年的達特茅斯會議，“ArtificialIntelligence”（人工智能）這個詞才被真正確定下來，并一直沿用至今，這也是目前AI誕生的一個標志性事件。

▲圖1-2 達特茅斯會議參會者50年后聚首照[1]

[1]達特茅斯會議參會者50年后再聚首，左起：TrenchardMore、JohnMcCarthy、MarvinMinsky、OliverSelfridge和RaySolomonoff（攝于2006年），圖片版權歸原作者所有。

在20世紀50年代，人工智能相關的許多實際應用一般是從機器的“邏輯推理能力”開始著手研究。然而對于人類來說，更高級的邏輯推理的基礎是“學習能力”和“規(guī)劃能力”，我們現(xiàn)在管它叫“強化學習”與“遷移學習”?？梢韵胂?，“邏輯推理能力”在一般人工智能系統(tǒng)中不能起到根本的、決定性的作用。當前，在數(shù)據(jù)、運算能力、算法模型、多元應用的共同驅動下，人工智能的定義正從用計算機模擬人類智能，演進到協(xié)助引導提升人類智能，如圖1-3所示。

▲圖1-3 下一代人工智能（圖片來源《新一代人工智能發(fā)展白皮書》）

（2）人工智能的概念

人工智能（ArtificialIntelligence），英文縮寫為AI，它是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學。它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。

人工智能從誕生以來，理論和技術日益成熟，應用領域也不斷擴大，可以設想，未來人工智能帶來的科技產品，將會是人類智慧的“容器”，也可能超過人的智能。

（3）人工智能、機器學習、深度學習

下面我們來介紹下主要與人工智能相關的幾個概念，要搞清它們的關系，最直觀的表述方式就是同心圓，如圖1-4所示，最先出現(xiàn)的是理念，然后是機器學習，當機器學習繁榮之后就出現(xiàn)了深度學習，今天的人工智能大爆發(fā)是由深度學習驅動的。

▲圖1-4 AI、機器學習、深度學習的關系

人工智能（AI）、機器學習（ML）、深度學習（DL）的關系為DL?ML?AI。

人工智能，即AI是一個寬泛的概念，人工智能的目的就是讓計算機能夠像人一樣思考。機器學習是人工智能的分支，它是人工智能的重要核心，是使計算機具有智能的根本途徑，其應用遍及人工智能的各個領域。深度學習是機器學習研究中的一個新領域，推動了機器學習的發(fā)展，并拓展了人工智能的領域范圍。甚至有觀點認為，深度學習可能就是實現(xiàn)未來強AI的突破口。

可以把人工智能比喻成孩子大腦，機器學習是讓孩子去掌握認知能力的過程，而深度學習是這個過程中很有效率的一種教學體系。

因此可以這樣概括：人工智能是目的、結果；深度學習、機器學習是方法、工具。

本書講解了人工智能、機器學習、深度學習的相關應用，它們之間的關系，常見的機器學習算法等知識，希望你通過對本書的學習，深刻理解這些概念，并可以輕而易舉地給別人講解。

數(shù)學建模與人工智能關系

無論是數(shù)學建模還是人工智能，其核心都是算法，最終的目的都是通過某種形式來更好地為人類服務，解決實際問題。在研究人工智能過程中需要數(shù)學建模思維，所以數(shù)學建模對于人工智能非常關鍵。

下面通過模擬一個場景來了解人工智能與數(shù)學建模之間的關系。

▲圖1-5AI 機器人

某患者到醫(yī)院就診，在現(xiàn)實生活中，醫(yī)生根據(jù)病人的一系列體征與癥狀，判斷病人患了什么病。醫(yī)生會親切地詢問患者的癥狀，通過各種專項檢查，最后進行確診。在人工智能下，則考慮通過相應算法來實現(xiàn)上述過程，如德國的輔助診斷產品Ada學習了大量病例來輔助提升醫(yī)生診病的準確率。

情景①：如果用數(shù)學建模方法解決，那么就通過算法構建一個恰當?shù)哪Ｐ停簿褪峭ㄟ^圖1-1所示的數(shù)學建模流程來解決問題。

情景②：如果用人工智能方法解決，那么就要制造一個會診斷疾病的機器人。機器人如何才能精準診斷呢？這就需要利用人工智能技術手段，比如采用一個“人工智能”算法模型，可能既用了機器學習算法，也用了深度學習算法，不管怎樣，最終得到的是一個可以落地的疾病預測人工智能解決方案。讓其具有思考、聽懂、看懂、邏輯推理與運動控制能力，如圖1-5所示。

通過上面的例子可以看出，人工智能離不開數(shù)學建模。在解決一個人工智能的問題過程中，我們將模型的建立與求解進行了放大，以使其結果更加精準，如圖1-6所示。

▲圖1-6 AI下對數(shù)學建模的流程修正

可見，從數(shù)學建模的角度去學習人工智能不失為一種合適的方法。

編輯推薦：

• 數(shù)學基礎：從歷年數(shù)學建模競賽入手，解讀人工智能中的數(shù)學方法。

• 編程實踐：100余個代碼實例，全面講解網絡爬蟲、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分析等內容。

• 算法應用：實戰(zhàn)案例輔以豐富圖解，詳盡分析人工智能算法特性及其應用場景。

本書創(chuàng)新性地從數(shù)學建模競賽入手，深入淺出地講解了人工智能領域的相關知識。本書內容基于Python3.6，從人工智能領域的數(shù)學出發(fā)，到Python在人工智能場景下的關鍵模塊；從網絡爬蟲到數(shù)據(jù)存儲，再到數(shù)據(jù)分析；從機器學習到深度學習，涉及自然語言處理、機器學習、深度學習、推薦系統(tǒng)和知識圖譜等。

此外，本書還提供了近140個代碼案例和大量圖表，全面系統(tǒng)地闡述了算法特性，個別案例算法來自于工作經驗總結，力求幫助讀者學以致用。