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从数学建模到人工智能

为什么要把数学建模与当今火热的人工智能放在一起？

首先，数学建模在字面上可以分解成数学+建模，即运用统计学、线性代数和积分学等数学知识，构建算法模型，通过模型来解决问题。数学建模往往是没有对与错，只有"更好"（better），就好像让你评价两个苹果哪个更好吃，只有好吃、不好吃或者更好吃，没有对与错。

人工智能（Artificial Intelligence, AI），你可以将其理解为是一种"黑科技"，人类通过它，让计算机能够"更好"地像人一样思考。可以说"算法模型"是人工智能的"灵魂"，没有算法模型，一切都是"水中月""镜中花"！

因此，本文将从数学建模入手，由浅入深地为读者揭开AI的神秘面纱。

1.1 数学建模

数学建模与人工智能

数学建模简介

数学建模是利用数学方法解决实际问题的一种实践。即通过抽象、简化、假设、引进变量等处理过程，将实际问题用数学方式表达，建立起数学模型，然后运用先进的数学方法及计算机技术进行求解。数学建模可以通俗地理解为数学+建模，即运用统计学、线性代数，积分学等数学知识，构建数学模型，通过模型解决问题。

按照传统定义，数学模型是对于一个现实对象，为了一个特定目的（实际问题），做出必要的简化假设（模型假设），根据对象的内在规律（业务逻辑、数据特征），运用适当的数学工具、计算机软件，得到的一个数学结构。

亚里士多德说，"智慧不仅仅存在于知识之中，而且还存在于应用知识的能力中"。数学建模就是对数学知识最好的应用，通过数学建模，你会发现，生活中很多有意思的事情都可以靠它来解决，其流程如图1-1所示。

2．人工智能简介

对于普通大众来说，可能是近些年才对其有所了解，其实人工智能在几十年以前就被学者提出并得到一定程度的发展，伴随着大数据技术的迅猛发展而被引爆。

▲图1-1 数学建模流程

（1）人工智能的诞生

最初的人工智能其实是20世纪30至50年代初一系列科学研究进展交汇的产物。1943年，沃伦·麦卡洛克（Warren McCulloch）和瓦尔特·皮茨（Walter Pitts）首次提出"神经网络"概念。1950年，阿兰·图灵（Alan Turing）提出了著名的"图灵测试"，即如果一台机器能够与人类展开对话（通过电传设备）而不能被辨别出其机器身份，那么称这台机器则具有智能。直到如今，图灵测试仍然是人工智能的重要测试手段之一。1951年，马文·明斯基（Marvin Minsky）与他的同学一起建造了第一台神经网络机，并将其命名为 SNARC（Stochastic Neural Analog Reinforcement Calculator）。不过，这些都只是前奏，一直到1956年的达特茅斯会议，"Artificial Intelligence"（人工智能）这个词才被真正确定下来，并一直沿用至今，这也是目前AI诞生的一个标志性事件。

▲图1-2 达特茅斯会议参会者50年后聚首照[footnoteRef:1] [1: 达特茅斯会议参会者50年后再聚首，左起：Trenchard More、John McCarthy、Marvin Minsky、Oliver Selfridge和Ray Solomonoff（摄于2006年），图片版权归原作者所有。]

在20世纪50年代，人工智能相关的许多实际应用一般是从机器的"逻辑推理能力"开始着手研究。然而对于人类来说，更高级的逻辑推理的基础是"学习能力"和"规划能力"，我们现在管它叫"强化学习"与"迁移学习"。可以想象，"逻辑推理能力"在一般人工智能系统中不能起到根本的、决定性的作用。当前，在数据、运算能力、算法模型、多元应用的共同驱动下，人工智能的定义正从用计算机模拟人类智能，演进到协助引导提升人类智能，如图1-3所示。

（2）人工智能的概念

人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI，它是研究开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。

▲图1-3 下一代人工智能（图片来源《新一代人工智能发展白皮书》）

人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的"容器"，也可能超过人的智能。

（3）人工智能、机器学习、深度学习

下面我们来介绍下主要与人工智能相关的几个概念，要搞清它们的关系，最直观的表述方式就是同心圆，如图1-4所示，最先出现的是理念，然后是机器学习，当机器学习繁荣之后就出现了深度学习，今天的人工智能大爆发是由深度学习驱动的。

▲图1-4 AI、机器学习、深度学习的关系

人工智能（AI）、机器学习（ML）、深度学习（DL）的关系为DL⊆ML⊆AI。

人工智能，即AI是一个宽泛的概念，人工智能的目的就是让计算机能够像人一样思考。机器学习是人工智能的分支，它是人工智能的重要核心，是使计算机具有智能的根本途径，其应用遍及人工智能的各个领域。深度学习是机器学习研究中的一个新领域，推动了机器学习的发展，并拓展了人工智能的领域范围。甚至有观点认为，深度学习可能就是实现未来强AI的突破口。

可以把人工智能比喻成孩子大脑，机器学习是让孩子去掌握认知能力的过程，而深度学习是这个过程中很有效率的一种教学体系。

因此可以这样概括：人工智能是目的、结果；深度学习、机器学习是方法、工具。

本书讲解了人工智能、机器学习、深度学习的相关应用，它们之间的关系，常见的机器学习算法等知识，希望你通过对本书的学习，深刻理解这些概念，并可以轻而易举地给别人讲解。

3．数学建模与人工智能关系

无论是数学建模还是人工智能，其核心都是算法，最终的目的都是通过某种形式来更好地为人类服务，解决实际问题。在研究人工智能过程中需要数学建模思维，所以数学建模对于人工智能非常关键。

下面通过模拟一个场景来了解人工智能与数学建模之间的关系。

某患者到医院就诊，在现实生活中，医生根据病人的一系列体征与症状，判断病人患了什么病。医生会亲切地询问患者的症状，通过各种专项检查，最后进行确诊。在人工智能下，则考虑通过相应算法来实现上述过程，如德国的辅助诊断产品Ada学习了大量病例来辅助提升医生诊病的准确率。

▲图1-5 AI机器人

情景①：如果用数学建模方法解决，那么就通过算法构建一个恰当的模型，也就是通过图1-1所示的数学建模流程来解决问题。

情景②：如果用人工智能方法解决，那么就要制造一个会诊断疾病的机器人。机器人如何才能精准诊断呢？这就需要利用人工智能技术手段，比如采用一个"人工智能"算法模型，可能既用了机器学习算法，也用了深度学习算法，不管怎样，最终得到的是一个可以落地的疾病预测人工智能解决方案。让其具有思考、听懂、看懂、逻辑推理与运动控制能力，如图1-5所示。

通过上面的例子可以看出，人工智能离不开数学建模。在解决一个人工智能的问题过程中，我们将模型的建立与求解进行了放大，以使其结果更加精准，如图1-6所示。

▲图1-6 AI下对数学建模的流程修正

可见，从数学建模的角度去学习人工智能不失为一种合适的方法。

本文摘自《Python 3破冰人工智能：从入门到实战》

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