第十二章 信息系统
12.1 信息管理
1.信息系统(unformation system):帮助我们组织和分析数据的软件。
2.三种最流行的一般应用信息系统是电子表格、数据库管理系统和电子商务。
数据库管理系统是面向大量常常被搜索的数据，并将其组织成相应的小节。
12.2 电子制表软件
1.电子制表软件(spreadsheet):允许用户用单元格组织和分析数据的程序。
2.单元格(cell):电子数据表
3.可以用行列标号引用电子数据表的单元格，通常用字母指示列，用数字指示行。对于第26列之后的列，电子制表软件用两个字母作为列标号。
4.通常，电子数据表有一个合理的最大行数，如256。另外，大多数电子制表程序会把会把多个表格组合在一个大的交互系统中。
5.大多数电子制表软件允许用户控制单元格中的数据的外观和形式。用户可以设置数据的字体、样式、颜色和对齐方式。对于实数值，可以设置显示多少位小数。在大多数电子制表软件中，用户还能够设置是否显示网格线、背景颜色或单元格的图案。
12.2.1 电子数据表公式
1.电子数据表中的公式可以利用使用标准符号(+、-、* 和/)的基本数学计算，还可以利用软件内置的电子数据表函数。
电子数据表函数(spreadsheet function):电子制表软件提供的可用于公示的计算函数。
2.由于函数通常作用于一系列连续的单元格，所以电子制表软件提供了一种便捷的方式来指定单元格的范围。
范围(range):范围是由两个圆点及两端加两个单元格标号构成的。一个范围可以是一行中的一组单元格，也可以是一列中的一组单元格，此外，范围还可以是一个矩形块，指定了左上角的单元格标号和右下角的单元格标号。
3.常见的电子数据表函数：
函数
计算
SUM(val1,val2,...)
SUM(range) 指定的一组值的和
COUNT(val1,val2,...)
COUNT(range) 非空单元格的个数
MAX(val1,val2,...)
MAX(range) 指定的一组值中的最大值
SIN(angle) 指定角度的正弦值
PI() π的值
STDEV(val1,val2,...)
STDEV(range) 指定的采样值的标准差
TODAY() 今天的日期
LEFT(text,num_chars)
指定文本的最左边的字符
IF(test,ture_val,false_val) 如果test是true，则返回true_val，否则返回false_val
ISBLANK(value)
如果指定的值引用的是一个空单元格，则返回true
4.电子数据表的另一灵活之后是能够整行或整列地复制值或公式。复制公式时，单元格间的关系都将维持不变，因此很容易设置一整套类似的计算。
12.2.2 循环引用
循环引用(circular reference)：在计算结果时要错误地彼此依赖的一组公式。
12.2.3 电子数据表分析
1.我们可以用电子数据表来执行下述任务：
•跟踪销售情况
•分析运动统计数字
•维护学生的成绩单
•保存汽车的维修记录
•记录和总结旅行开销
•跟踪项目活动和日常安排
•计划股票购买
2.电子数据表的动态特性特使的它极其有用。一旦正确建立了电子数据表公式，那么运算会将数据的更改、添加或删除自动考虑在内。
3.电子数据表的动态特性还提供了进行模拟假设分析的强大功能。
模拟假设分析(waht-if analysis):修改电子数据表中表示假设的值，以观察假设的变化对相关数据有什么影响。
12.3 数据库管理系统
1.几乎所有复杂的数据管理情况都要依靠下层的数据库和允许用户（人或程序）与之交互的支持结构。
2.数据库(database):结构化的数据集合。
3.数据库管理系统(database management system):由物理数据库、数据库引擎和数据库模式构成的软件和数据的组合。
物理数据库——存放数据的文件的集合
数据库引擎——支持对数据库内容的访问和修改的软件
数据库模式——存储在数据库中的数据的逻辑结构的规约
4.数据库模式提供了数据库中的数据的逻辑视图，独立于数据的物理存储方式。
5.查询(query):从数据库检索数据的请求。
模式(schema):数据库中的数据的逻辑结构的规约。
12.3.1 关系模型
1.流行的数据库管理模型有几种，但是多年来占统治地位的还是关系模型。
2.关系模型(relational model):用表组织数据和数据之间的关系的数据库模型。
表(table):数据库记录的集合。
记录（或对象、实体）(record(or object,entity)):构成一个数据库实体的相关的域的集合。
域(或属性)(field(or attribute)):数据库记录中的一个值。
3.键(key):在表中的所有记录中唯一标识一个数据库记录的一个或多个域。
12.3.2 关系
可以创建一个记录来表示对象之间的关系，包括记录中的属性关系。因此，可以用一个表俩表示对象间的关系的集合。
12.3.3 结构化查询语言
1.结构化查询语言（SQL）是一种用于管理关系数据库的综合性数据库语言，它包括指定数据库模式的语句的添加、修改及删除数据库内容的语句。顾名思义，它还具有查询数据库以获取特定数据的功能。
2.查询
select语句是查询的主要工具。基本的select语句包括一个select从句、一个from从句和一个where从句。
3.修改数据库的内容
用SQL中的insert、update和delete语句可以改变表中的数据。
•insert语句可以给表添加一条新记录。每个insert语句都制定了新记录的属性值。
•update语句可以改变表中的一条或多条记录的值。
•delete语句可以删除表中与指定的条件匹配的所有记录。
12.3.4 数据库设计
1.一种常用的设计关系数据库的方法叫作实体关系（ER）建模。ER建模的主要工具是ER图。ER图用图形化的形式捕捉重要的记录类型、属性和关系。
实体关系(ER)建模(entity-relationship (ER) modeling):设计关系数据库的常用方法。
ER图(ER diagram):ER模型的图形化表示。
2.基数约束(cardinality constraint):在ER图中，一次可以存在于实体间的关系数量。
基数约束限制了一次可以存在的关系数量。
3.一般的基数关系有三种：
•一对一
•一对多
•多对多
12.4 电子商务
1.计算机应用得越来越广的领域是电子商务领域。
电子商务(electronic commerce):使用万维网买卖物品及服务的过程。
2.Amazon.com（亚马逊网）是网络上最悠久的电子商务网站之一，eBay（易趣）是一个流行的拍卖网站。
3.电子购物车是电子商务过程中的一个关键组成部分，它允许用户保持一个持续购买物品的容器，并允许用户在一个单一的交易中购买这些产品。
小结
•信息系统是让用户组织和管理数据的应用软件。一般信息系统软件包括电子制表软件和数据库管理系统。
•电子制表软件是用单元格来组织数据和用域计算新值的公式的应用软件。
•电子数据表具有多功能性和可扩展性.
•数据库管理系统包括存储数据的物理文件、支持数据访问和修改的软件以及指定数据库的逻辑布局的数据库模式。
•数据库元素之间的关系可以用新的表表示，这些表也可以有自己的属性。
•结构护额查询语言（SQL）是查询和操作关系数据库的语言。
•数据库一定要仔细设计。
•电子商务是通过互联网购买和销售服务的过程。
第十三章 人工智能
13.1 思维机
人工智能(artificial intelligence,AI)：研究对人类思想建模和应用人类智能的计算机系统的学科。
13.1.1 图灵测试
1.图灵测试(Turing test)：一种行为方法，用于判断一个计算机是否是智能的。
2.通过图灵测试的计算机具有弱等价性。
弱等价性(weak equivalence)：两个系统基于其结果的等价性。
强等价性(strong equivalence)：两个系统基于其结果和实现这种结果的处理方法的等价性。
3.Loebner奖(Loebner prize):正式的图灵测试，每年举行一次。
4.聊天机器人(chatbot)：用于执行人机对话的程序。
13.1.2 AI问题的各个方面
•知识表示——用于表示知识以便计算机系统能够用来解决智能问题的技术。
•专家系统——嵌入人类专家知识的计算机系统。
•神经网络——模拟人脑处理的计算机系统。
•自然语言处理——处理人类用来交流的语言的问题。
•机器人学——关于机器人的研究。
13.2 知识表示
表示一个对象或事件所需的知识会根据情况而有所不同。针对要解决的问题，我们需要特定的信息。
13.2.1 语义网
1.语义网是一种知识表示法，重点在于对象之间的关系。表示语义网的是有向图。图中的节点表示对象，节点之间的箭头表示关系。箭头上的标签说明了关系的类型。
语义网(semantic network)：表示对象之间关系的知识表示法。
2.语义网是表示大量信息的强有力而通用的方式。难点在于建立正确的关系模型并用精确完整的数据填充整个网络。
13.2.2 检索树
1.检索树(search tree)：表示对抗性情况（如博弈）中的所有选择的结构。
2.深度优先法(depth-first approach)：优先沿着树的路径向下检索，而不是优先横向检索每层的检索法。
广度检索法(breadth-first approach)：优先横向检索树的每层，而不是优先于向下检索特定的路径的检索法。
13.3 专家系统
1.基于知识的系统是嵌入并使用一套特定信息（有组织的数据）的软件系统，可以从中提取和处理特定的片段。术语专家系统和“基于知识的系统”一般是通用的，不过专家系统通常嵌入的是一个特定领域的知识，对这个领域的专业人员的专门技术进行了建模。
基于知识的系统：使用特定信息集合的软件。
专家系统：基于人类专家的软件系统。
2.专家系统使用一套规则来指导处理，因此又叫基于规则的系统。专家系统的规则集合又叫做它的知识库。推理机是专家系统的一部分，决定了如何执行规则以及从而会得到什么结论。
基于规则的系统(knowledge-based system)：基于一套if-then规则的软件系统。
推理机(inference engine)：处理规则得出结论的软件。
13.4 神经网络
人工神经网络(aritificial neural network)：尝试模拟人体神经网络的计算机知识表示法。
13.4.1 生物神经网络
1.生物神经元具有多个输入触角和一个主输出触角（轴突）。
2.神经元每秒要跳动1000次，因此神经网络路径中的流量是稳定的。
13.4.2 人工神经网络
1.每个元素都有一个数字阈值，元素的有效权将与这个阈值进行比较。如果有效权大于阈值，这个元素将生成1。如果有效权小于等于阈值，该元素将生成0。
有效权(effective weight)：人工神经元中输入值和相应的权的乘积之和。
2.训练(training)：调制神经网络中的权和阈值以实现想要的结果和过程。
13.5 自然语言处理
1.人机语音交互过程中的三种基本处理类型：
•语音识别(voice recognition)：用计算机来识别人类所讲的话。
•自然语言理解(natural language comprehension):用计算机对人类传达的信息做出合理的解释。
•语音合成(voice synthesis)：用计算机制造出人类的语音。
2.自然语言(natural language)：人们用于交流的语言，如英语。
13.5.1 语音合成
1.语音合成是个很好理解的问题，有两种基本的解决方法——动态语音生成和录制语音 。
2.音素(phoneme)：任何指定的语言中的基本声音单元的集合。
13.5.2 语音识别
1.语音可以被录制为声波纹，绘制了讲特定单词时声音频率的变化。训练语音识别系统时，由一个人多次重复一个单词，是计算机记录下这个人对这个单词发音的平均声波纹。此后，将用所讲的单词与记录的声波纹进行比较，以确定这个单词是什么。
2.声波纹(voiceprint)：表示人声随着时间推移的频率变化的图。
13.5.3 自然语言理解
1.词法二义性(lexical ambiguity):由于单词具有多种含义而造成的二义性。
2.句法二义性(syntactic ambiguity)：由于句子的构造方式有多种而造成的二义性。
3.指代二义性(referential ambiguity)：由于代词可以指代多个对象而造成的二义性。
13.6 机器人学
机器人学是研究机器人的科学。机器人可分为两个大类——固定机器人和可移动机器人。
13.6.1 感知-规划-执行范型
可移动机器人学研究的是能相对于环境移动并具有一定自治能力的机器人。
13.6.2 包孕体系结构
赋予机器人一套简单的行为，每种行为与它所必需的一部分机器人世界关联在一起。
13.6.3 物理部件
机器人是由传感器、执行器和计算部件（一个微处理器）构成的。
•传感器负责收集周围的数据。
•执行器负责移动机器人。
•计算部件负责给执行器发送指令。
小结
•人工智能处理的是人类思想的建模与应用。
•AI学科有很多需要研究的问题。
•专家系统嵌入了人类专家的知识。
•人工神经网络模拟量人脑神经网络的处理。
•自然语言处理操作的是人们用来交流所用的语言，如英语。
•机器人学是研究机器人的科学，重点是两大类——固定机器人和移动机器人。
第十四章 模拟、图形学、游戏和其他应用
14.1什么是模拟
模拟(simulation)：设计复杂系统的模型并为观察结果而对该模型进行的实验。
14.1.1 复杂系统
系统是那种只能凭直觉理解而很难定义的术语。
14.1.2 模型
模型(model)：真实系统的抽象，是系统中的对象和管理这些对象相互作用的规则的表示。
14.1.3 构造模型
•连续模拟：把时间看作是连续的，用一组反映特征集合中的关系的微分方程表示时间的变化。
•离散事件模拟：由实体、属性和事件构成。表示真实系统中必须明确定义的对象。
14.2 特殊模型
14.2.1 排队系统
这是一种离散事件模型，它使用随机数表示事件的到达和持续。由服务器和等待服务的对象队列构成。
14.2.2 气象模型
一种连续模拟。以时间相关的流体力学和热力学的偏微分方程为基础，这些方程变量包括两个水平风速、垂直风速、气温、气压和水汽浓度。
14.2.3 计算生物学
1.计算生物学：一种通过计算机、应用数学以及统计学的知识解决生物学问题的交叉性学科。
2.计算生物学整合了许多其它领域的知识，包括：
•生物信息学：一种将信息技术应用到分子生物学的学科，涉及对生物信息在计算机和网路中的查询、存储、操作、分析以及几何可视化。
•计算生物建模：对生物学系统进行计算建模。
•计算基因组：对基因组序列进行解密 。
•分子建模：对分子进行的建模。
•蛋白质结构预测：尝试进行三维的蛋白质序列建模，这在实验中还尚未被实现。
14.2.4 其他模型
每个计算机程序都是一种模拟，因为程序表示的是在问题求解阶段设计的解决方案的模型。
14.2.5 必要的计算能力
更新、更大、更快的计算机使科学家们能够在更短时间内解决更大范围中更复杂的数据系统。
14.3 计算机图形学
图形是由红、绿、蓝值定义的一组像素值。
14.3.1 光的工作原理
根据光线的波长，视锥可以分为长、中、短三种。分别对应红、绿、蓝。
14.3.2 物体形状
物体形状也会影响物体的外观。
14.3.3 光模拟
在图形学中，许多技术用于模拟光和物体之间的交互。
14.3.4 复杂对象的建模
简单物体的形状可以用简单的数学对象和曲面建模。而复杂对象建模即在合理时间内生成一个自然现象的真实模拟。
14.3.5 让物体动起来
图形学研究人员利用人类和动物运动的研究结果阿里开发能够自动生成更自然的运动的系统。
14.4 游戏
计算机游戏(computer gaming)：计算机模拟的虚拟世界。
14.4.1 游戏的历史
游戏玩法(gameplay):玩家在游戏过程中交互与体验的类型。
14.4.2 创建虚拟世界
1.游戏引擎提供具有以下功能的工具：
•渲染图形的引擎
•提供碰撞检测和动态仿真从而解决被模拟物体力学特征问题的物理引擎
•声音生成单元
•独立于游戏驱动代码的脚步语言
•人工智能算法(例如，寻径(path-finding)算法)
•动画
•场景图，一种利用图形场景来表示空间场景的通用数据结构。
2.游戏引擎(game engine)：创造计算机游戏的软件系统。
14.4.3 游戏设计与开发
游戏的设计过程从一个概念开始，最好是一个从来没有人看到过的概念
14.4.4 游戏编程
当所有设计决策已经做出时，程序员将开始编写代码从而创造游戏中的虚拟世界。
小结
•模拟式计算的一个主要领域，它设计为复杂系统构建计算机模型，并为观察结果而用模型进行实验。
•有两种主要的模拟类型，即连续模拟和离散事件模拟。
•排队系统是一种离散事件模拟，其中等待时间是要分析的因素。
•计算机图形学是结合了计算机、科学和绘画艺术的领域，令人着迷。
•计算机游戏是一个玩家可以与系统以及玩家之间交互的虚拟世界