数据科学与智能技术概论（刘培胜）

第一次工业革命以蒸汽机的发明为标志，以机械化为特征，人类从此进入蒸汽时代；第二次工业革命以电和内燃机的发明为标志，以电气化为特征，人类从此进入电气时代；第三次工业革命以计算机的发明为标志，以信息化为特征，人类从此进入信息时代；正在进行的第四次工业革命则以工业智能化、互联网产业化、全面云化、大数据应用化为标志，以智能化、自动化为特征，人类将进入智能时代。大数据、云计算、人工智能都是第四次工业革命中产生的概念。云计算、大数据和人工智能一般经历以下顺序和过程：云计算→大数据→人工智能。三者是相辅相成的，如果跳开云计算谈大数据，就是空中楼阁；没有大数据而谈人工智能，也是天方夜谭。
为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、响应“中国制造2025”等一系列国家号召，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等一系列共识，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等文件，全力探索、形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。
随着云计算、高性能计算、大数据技术、人工智能、AR&VR技术的成熟和发展，为了适应新工科发展的需求，我国的高等教育，特别是计算机学科的通识教育必须与时俱进。于是编写组组织了大量的人力、物力，对教学内容进行了一系列的调整，力求让当代大学生的计算机普及教育跟上新工科发展的步伐。由于内容繁多、覆盖面广且要兼具普及性，因此编写组成员参考了大量资料、聆听并总结了数位国内专家的报告，编写了本教材。本书力求结构紧凑、内容合理并通俗易懂。希望通过本书的学习，让大学生能够理解和掌握全新的数据科学和智能技术知识，具有更广阔的现代化、信息化视野，符合新工科发展的要求。
本书由辽宁石油化工大学刘培胜、常东超、杨妮妮、苏金芝、张国玉、吉书朋、王宇彤、卢紫微、张凌宇、王杨、徐晓军、郭来德、吕宝志、王宏亮等编著。在本书的编写过程中，我们始终秉持初心、兢兢业业，每一章、每一节都经过反复讨论和多次审议，力求教材内容通俗中不失精准、浅显处彰显用心。本书还得到了学校各级领导、专家的大力支持及广大同仁的无私帮助，尤其是辽宁石油化工大学教务处、发展规划处、计算机与通信工程学院，对大学计算机教学改革提供了很多帮助，在此一并表示感谢。
限于编者水平，不妥之处在所难免，恳请业内同仁和广大师生批评指正。

编著者   
2020年9月

常东超，辽宁石油化工大学，副教授 计算机系主任，研究方向：计算机系统结构、公共计算机教学、数据安全

《数据科学与智能技术概论》涵盖了计算思维，云计算，大数据，人工智能及应用，虚拟现实、增强现实、混合现实以及游戏开发工具Unity3D等内容。本书每部分内容都经过反复讨论和多次审议，结构紧凑、内容合理并通俗易懂。本书力求让读者理解和掌握全新的数据科学和智能技术知识，具有更广阔的现代化、信息化视野，符合时代发展的需求。
《数据科学与智能技术概论》可以作为高等学校理工科专业的通识课教材，也可作为广大计算机爱好者的自学参考书。

第1章 计算思维	001
1.1 计算概述	001
1.1.1 计算的概念	001
1.1.2 计算工具	001
1.1.3 新的计算模式	002
1.2 计算思维概述	005
1.3 计算机求解问题实例	007
1.4 程序与计算机	008
1.4.1 计算机与指令	008
1.4.2 存储程序与运行程序	011
1.5 程序设计与算法	011
1.5.1 程序设计语言	011
1.5.2 程序设计方法	014
1.5.3 算法的概述	022
1.6 算法复杂性分析	024
1.7 常用算法举例	025
1.7.1 枚举法	025
1.7.2 迭代法	029
1.7.3 递归法	030
1.7.4 分治法	033
1.7.5 回溯法	036
1.7.6 排序法	037
1.7.7 查找法	042
1.7.8 贪心法	043
1.7.9 动态规划法	044
1.8 信息基础	047
1.8.1 数制与进位计数制	047
1.8.2 二进制数的运算	049
1.8.3 数制转换	051
1.8.4 数据在计算机中的表示	053
1.8.5 计算机中信息的表示方法和编码技术	055

第2章 云计算	058
2.1 云计算概述	058
2.1.1 云计算概念及特征	058
2.1.2 云计算的发展过程	060
2.1.3 云计算发展现状及趋势	062
2.2 云计算体系结构	065
2.2.1 云计算架构	065
2.2.2 云架构示例	068
2.3 云服务	069
2.3.1 云服务的部署模型	069
2.3.2 云服务的类型	070
2.4 云计算的关键技术	070
2.4.1 云存储	070
2.4.2 虚拟化	075
2.5 云安全	078
2.5.1 云安全概述	078
2.5.2 云安全技术	081
2.5.3 云安全问题及研究	083
2.6 云计算应用	085
2.6.1 云计算的应用领域	085
2.6.2 云计算应用实例分析	088

第3章 大数据	094
3.1 大数据概述	094
3.1.1 大数据兴起的背景	094
3.1.2 大数据的特性	095
3.1.3 大数据技术架构	095
3.2 大数据采集	096
3.2.1 数据采集与大数据采集的区别	096
3.2.2 大数据采集的数据来源	097
3.2.3 数据采集的技术方法	097
3.3 大数据预处理	098
3.3.1 数据清洗	099
3.3.2 数据集成	101
3.3.3 数据转换	102
3.3.4 数据消减	103
3.4 大数据存储	107
3.4.1 大数据的存储方式	107
3.4.2 大数据存储技术路线	107
3.5 大数据处理技术	108
3.5.1 分布式计算	108
3.5.2 服务器集群	108
3.5.3 Google的三项大数据技术	108
3.6 大数据挖掘与分析	112
3.6.1 大数据挖掘	112
3.6.2 大数据分析	113
3.7 Hadoop架构	113
3.7.1 什么是Hadoop	113
3.7.2 Hadoop的发展历史	114
3.7.3 Hadoop的优势及应用领域	114
3.7.4 Hadoop的组成	115
3.7.5 Hadoop与传统数据库之间的关系	116
3.7.6 Hadoop的应用实例	117
3.8 基于大数据的精准营销	118
3.8.1 精准营销概述	119
3.8.2 大数据精准营销过程	119
3.8.3 大数据精准营销方式	120
3.9 大数据预测	121
3.9.1 预测是大数据的核心价值	122
3.9.2 大数据预测的思维改变	122
3.9.3 大数据预测的典型应用领域	123
3.9.4 大数据的其他应用领域	125

第4章 人工智能及应用	127
4.1 人工智能概述	127
4.1.1 人工智能的定义	127
4.1.2 人工智能的起源与发展	128
4.1.3 人工智能的现状	131
4.1.4 人工智能的研究内容	131
4.1.5 人工智能的应用领域	136
4.2 知识表示	141
4.2.1 知识概述	141
4.2.2 一阶谓词逻辑表示法	144
4.2.3 产生式表示法	151
4.2.4 语义网络表示法	155
4.2.5 框架表示法	161
4.2.6 脚本表示法	165
4.3 人工智能的应用	168
4.3.1 人工智能的应用案例	168
4.3.2 人工智能的开发平台	177

第5章 虚拟现实、增强现实、混合现实	180
5.1 虚拟现实	180
5.1.1 VR的概念和特点	180
5.1.2 VR的发展历史	181
5.1.3 VR的表现形式	182
5.1.4 VR的应用	182
5.1.5 VR系统的基本组成	186
5.1.6 VR系统的分类	186
5.2 AR和MR	188
5.2.1 AR概述	188
5.2.2 MR概述	189
5.3 VR、AR、MR的区别与联系	189

第6章 游戏开发工具Unity3D	190
6.1 Unity3D简介	190
6.2 Unity3D案例应用	195
6.2.1 Unity3D软件安装	195
6.2.2 Unity3D的基本界面介绍	196
6.2.3 Unity3D的简单预览	199
6.2.4 创建、漫游山势地形图实例	200

参考文献	212