\chapter{计算机基础与编程环境}

本附录介绍计算机的基本构成、操作系统常见操作、程序设计语言的概念、Python编程语言的系统学习指南，以及机器学习与深度学习的实践入门。

\subsection{计算机的基本构成与操作系统常见操作}

\subsubsection{计算机基本构成}

了解计算机的基本组成有助于理解AI程序运行时的资源需求。

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.2368}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.3026}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.4342}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
组件
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
作用
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
AI相关说明
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
CPU & 中央处理器，执行指令 & 数据预处理、逻辑控制 \\
GPU & 图形处理器，并行计算 & 深度学习训练与推理的核心硬件 \\
内存（RAM） & 临时存储运行中的数据 & 影响能处理的批量大小和数据规模 \\
硬盘（SSD/HDD） & 持久化存储数据 & 模型文件、数据集的存储 \\
网络 & 数据传输 & 下载模型、调用云端API \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{操作系统常见操作}

本书以 macOS/Linux 为主要环境，Windows 用户推荐使用 WSL2（Windows
Subsystem for Linux）。

\paragraph{文件与目录操作：}

\emph{\# 查看当前路径}\\
pwd\\
\strut \\
\emph{\# 列出文件}\\
ls -la\\
\strut \\
\emph{\# 创建目录}\\
mkdir my\_project\\
\strut \\
\emph{\# 切换目录}\\
cd my\_project\\
\strut \\
\emph{\# 复制、移动、删除}\\
cp file.txt backup.txt\\
mv old.txt new.txt\\
rm unwanted.txt

\paragraph{环境与进程管理：}

\emph{\# 查看系统资源}\\
top \emph{\# CPU和内存使用}\\
df -h \emph{\# 磁盘空间}\\
nvidia-smi \emph{\# GPU状态（NVIDIA显卡）}\\
\strut \\
\emph{\# 包管理}\\
brew install xxx \emph{\# macOS Homebrew}\\
apt install xxx \emph{\# Ubuntu/Debian}

\subsubsection{硬件资源推荐}

\textbf{本地GPU配置}： - GPU：RTX 3060 (12GB) 或更高 - 内存：16GB+ -
存储：至少100GB SSD

\textbf{云平台}：

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.2639}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1528}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1528}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
平台
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
特点
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
适合场景
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
Google Colab & 免费GPU & 学习实验 \\
Kaggle Notebooks & 免费GPU & 竞赛 \\
AutoDL & 按时计费 & 中期项目 \\
阿里云PAI & 国内稳定 & 生产部署 \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{软件安装与运行}

\textbf{``安装''的本质就是}：把编译好的二进制文件放到 PATH
某个目录下，让 shell 能找到它。例如git的安装和使用：
\textbf{总结：三层抽象}

┌─────────────────────────────────────────────┐\\
│ 用户层：brew install git / git clone │ ← 你看到的\\
├─────────────────────────────────────────────┤\\
│ Shell 层：搜索 PATH → execve() 加载二进制 │ ← 为什么能找到命令\\
├─────────────────────────────────────────────┤\\
│ OS 层：系统调用 (open/read/write/socket) │ ← 为什么能真正干活\\
├─────────────────────────────────────────────┤\\
│ 硬件层：CPU 执行指令、网卡收发数据、磁盘写入 │ ← 物理上发生了什么\\
└─────────────────────────────────────────────┘

所以整个链条是：\textbf{包管理器下载编译好的二进制 → 放到 PATH 目录 →
shell 通过 PATH 找到它 → execve 加载到内存 →}

\textbf{二进制内部调用 OS API
完成实际工作}。没有任何“魔法”，本质上就是文件操作和进程管理的组合。

\subsection{程序设计语言与软件开发}

\subsubsection{什么是程序设计语言}

计算机只能执行由0和1组成的\textbf{机器码}（machine
code），但人类直接阅读和编写机器码极其困难。程序设计语言就是人与计算机之间的桥梁——用人类可读的语法表达逻辑，再通过特定工具转换为机器可执行的指令。

从底层到高层的演进：

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1429}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.3506}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.4805}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
层级
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
语言示例
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
特点
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
机器码 & 二进制 01101000 & 计算机直接执行，人类不可读 \\
汇编语言 & MOV AX, 1 & 与机器码一一对应，可读性低 \\
低级语言 & C & 接近硬件，性能高，需要手动管理内存 \\
高级语言 & Python, Java, JavaScript & 接近自然语言，开发效率高 \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{编译型与解释型语言}

高级语言需要转换为机器码才能运行，根据转换方式的不同，分为两大类：

\textbf{编译型语言（Compiled）}：程序编写完成后，通过编译器一次性将全部代码翻译成机器码，生成可执行文件。

源代码 → 编译器 → 可执行文件 → 运行

C/C++：系统级开发、高性能计算、游戏引擎

Go：云服务、容器工具（Docker 即用 Go 编写）

Rust：系统编程，兼顾性能与安全

特点：运行速度快，但每次修改代码都需要重新编译。

\textbf{解释型语言（Interpreted）}：程序运行时，由解释器逐行读取代码并即时执行，不需要预先编译。

源代码 → 解释器逐行执行

Python：AI/数据科学的首选语言

JavaScript：网页交互、前端开发

Ruby：Web开发（Ruby on Rails）

特点：开发灵活、调试方便，但运行速度通常慢于编译型语言。

\textbf{混合模式}：Java 采用“编译为字节码 →
虚拟机解释执行”的混合方式，兼顾了跨平台和性能。

\subsubsection{常见编程语言概览}

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1512}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1047}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.3605}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.3605}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
语言
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
类型
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
主要用途
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
与AI/设计的关系
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
Python & 解释型 & AI、数据科学、自动化 & 本书主要编程语言 \\
C/C++ & 编译型 & 操作系统、嵌入式、高性能计算 &
深度学习框架的底层实现 \\
Java & 混合型 & 企业应用、Android开发 & 大数据处理（Hadoop/Spark） \\
JavaScript & 解释型 & 网页前端、Node.js后端 & Web可视化、交互设计 \\
Shell/Bash & 解释型 & 命令行脚本、系统管理 & 自动化任务、环境管理 \\
SQL & 声明式 & 数据库查询 & 数据管理与提取 \\
\end{longtable}
}

\textbf{命令行界面（CLI）}：CLI（Command Line
Interface）是通过文本命令与计算机交互的方式。终端中输入的每一条命令（如
ls、git commit）本质上都是调用某个程序。掌握 CLI
是进行AI开发的基础技能，许多工具（如
conda、pip、git）主要通过命令行操作。

\subsubsection{软件开发基本概念}

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1327}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.3186}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.5310}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
概念
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
英文
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
说明
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
集成开发环境 & IDE & 集成代码编辑、调试、运行的开发工具（如 VS
Code、PyCharm） \\
编译器 & Compiler & 将源代码翻译为机器码的程序 \\
解释器 & Interpreter & 逐行读取并执行源代码的程序 \\
调试器 & Debugger & 帮助定位和修复代码错误的工具 \\
包管理器 & Package Manager & 管理第三方库的安装和更新（如
pip、conda、npm） \\
API & Application Programming Interface &
程序之间交互的接口（如调用AI模型的API） \\
开源 & Open Source & 源代码公开，可自由使用和修改 \\
版本控制 & Version Control & 管理代码的修改历史（如 Git） \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{Python环境配置}

Python是本书使用的核心编程语言，以下介绍环境搭建方法。

Anaconda vs Miniconda

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1165}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.0971}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1262}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.6408}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
工具
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
大小
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
特点
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
下载地址
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
Anaconda & \textasciitilde500MB & 预装常用库 &
\href{https://www.anaconda.com/download}{anaconda.com} \\
Miniconda & \textasciitilde50MB & 精简安装 &
\href{https://docs.conda.io/en/latest/miniconda.html}{docs.conda.io} \\
\end{longtable}
}

安装步骤

\# 1. 下载并安装 Anaconda 或 Miniconda\\
\strut \\
\# 2. 创建虚拟环境\\
conda create -n ai-env python=3.10\\
conda activate ai-env\\
\strut \\
\# 3. 安装核心科学计算库\\
conda install numpy pandas scipy\\
\strut \\
\# 4. 安装深度学习框架\\
pip install torch torchvision

\subsection{Python编程语言}

\paragraph{Python概述与特点}

Python由Guido van
Rossum于1991年发布，以“优雅”\,``简洁“``可读性强”为设计哲学。它是当前AI和数据科学领域使用最广泛的编程语言。

\textbf{核心特点}： - 语法简洁，接近自然语言，入门门槛低 -
丰富的第三方库生态（AI、数据处理、Web等） -
跨平台运行（Windows、macOS、Linux） - 活跃的开源社区支持

\paragraph{基础语法}

变量与数据类型

\emph{\# 变量赋值（无需声明类型）}\\
name = "设计人工智能" \emph{\# 字符串 str}\\
version = 1.0 \emph{\# 浮点数 float}\\
chapter\_count = 26 \emph{\# 整数 int}\\
is\_published = True \emph{\# 布尔值 bool}\\
\strut \\
\emph{\# 查看类型}\\
print(type(name)) \emph{\# \textless class
\textquotesingle str\textquotesingle\textgreater{}}

字符串操作

title = "设计人工智能"\\
\strut \\
\emph{\# 字符串拼接}\\
full\_title = title + "：基础与应用"\\
\strut \\
\emph{\# 格式化输出}\\
print(f"本书名为《\{full\_title\}》，共\{chapter\_count\}章")\\
\strut \\
\emph{\# 常用方法}\\
print(title.lower()) \emph{\# 设小写}\\
print(title.replace("人工智能", "AI")) \emph{\# 替换}\\
print(len(title)) \emph{\# 长度}

注释

\emph{\# 这是单行注释}\\
\strut \\
\emph{"""}\\
\emph{这是多行注释（文档字符串）}\\
\emph{常用于函数和类的说明}\\
\emph{"""}\\
\strut \\
\emph{\# 好的注释解释"为什么"，而不是"做什么"}

\paragraph{数据结构}

列表（List）

有序、可变的序列，最常用的数据结构。

\emph{\# 创建列表}\\
models = {[}"CNN", "RNN", "Transformer", "Diffusion"{]}\\
\strut \\
\emph{\# 访问元素（索引从0开始）}\\
print(models{[}0{]}) \emph{\# CNN}\\
print(models{[}-1{]}) \emph{\# Diffusion（倒数第一个）}\\
\strut \\
\emph{\# 修改}\\
models.append("GAN") \emph{\# 添加元素}\\
models.remove("RNN") \emph{\# 删除元素}\\
models.sort() \emph{\# 排序}\\
\strut \\
\emph{\# 切片}\\
print(models{[}1:3{]}) \emph{\# 第2到第3个元素}

字典（Dictionary）

键值对结构，用于存储映射关系。

\emph{\# 创建字典}\\
model\_info = \{\\
"name": "ResNet",\\
"year": 2015,\\
"layers": 152,\\
"task": "图像分类"\\
\}\\
\strut \\
\emph{\# 访问}\\
print(model\_info{[}"name"{]}) \emph{\# ResNet}\\
\strut \\
\emph{\# 添加/修改}\\
model\_info{[}"accuracy"{]} = 0.96\\
\strut \\
\emph{\# 遍历}\\
\textbf{for} key, value \textbf{in} model\_info.items():\\
print(f"\{key\}: \{value\}")

元组（Tuple）

有序、不可变的序列，适合存储不变的数据。

\emph{\# 创建元组}

rgb = (255, 128, 0)

\emph{\# 解包}

\begin{enumerate}
\def\labelenumi{\arabic{enumi}.}
\tightlist
\item
  g, b = rgb
\end{enumerate}

集合（Set）

无序、不重复的元素集合。

tools\_a = \{"Photoshop", "Figma", "Sketch"\}\\
tools\_b = \{"Figma", "Blender", "Rhino"\}\\
\strut \\
\emph{\# 集合运算}\\
print(tools\_a \& tools\_b) \emph{\# 交集: \{"Figma"\}}\\
print(tools\_a \textbar{} tools\_b) \emph{\# 并集}

\paragraph{控制流}

条件判断

loss = 0.05\\
\strut \\
\textbf{if} loss \textless{} 0.01:\\
print("模型收敛良好")\\
\textbf{elif} loss \textless{} 0.1:\\
print("模型基本收敛")\\
\textbf{else}:\\
print("模型需要继续训练")

循环

\emph{\# for 循环}\\
epochs = {[}1, 2, 3, 4, 5{]}\\
\textbf{for} epoch \textbf{in} epochs:\\
print(f"训练第 \{epoch\} 轮")\\
\strut \\
\emph{\# range 生成序列}\\
\textbf{for} i \textbf{in} range(10):\\
print(f"第\{i\}次迭代")\\
\strut \\
\emph{\# while 循环}\\
loss = 1.0\\
\textbf{while} loss \textgreater{} 0.01:\\
loss = loss * 0.9 \emph{\# 模拟训练过程}

列表推导式

简洁地创建新列表：

\emph{\# 传统写法}\\
squares = {[}{]}\\
\textbf{for} x \textbf{in} range(10):\\
squares.append(x ** 2)\\
\strut \\
\emph{\# 列表推导式（推荐）}\\
squares = {[}x ** 2 \textbf{for} x \textbf{in} range(10){]}\\
\strut \\
\emph{\# 带条件过滤}\\
even\_squares = {[}x ** 2 \textbf{for} x \textbf{in} range(10)
\textbf{if} x \% 2 == 0{]}

\paragraph{函数与模块}

定义函数

\textbf{def} calculate\_accuracy(correct, total):\\
\emph{"""计算准确率"""}\\
\textbf{return} correct / total\\
\strut \\
\emph{\# 调用函数}\\
acc = calculate\_accuracy(95, 100)\\
print(f"准确率: \{acc:.2\%\}")

默认参数与关键字参数

\textbf{def} train\_model(epochs, lr=0.001, optimizer="Adam"):\\
print(f"训练 \{epochs\} 轮, 学习率=\{lr\}, 优化器=\{optimizer\}")\\
\strut \\
\emph{\# 多种调用方式}\\
train\_model(100)\\
train\_model(100, lr=0.01)\\
train\_model(100, optimizer="SGD", lr=0.1)

导入模块

\emph{\# 导入标准库}

\textbf{import} os

\textbf{import} json

\emph{\# 导入第三方库}

\textbf{import} numpy \textbf{as} np

\textbf{import} pandas \textbf{as} pd

\emph{\# 从模块中导入特定功能}

\textbf{from} pathlib \textbf{import} Path

\textbf{from} collections \textbf{import} Counter

\emph{\# 安装第三方库（在终端中执行）}

\begin{lstlisting}
# pip install numpy pandas matplotlib
\end{lstlisting}

\paragraph{3.6 文件读写}

\emph{\# 读取文件}

\textbf{with} open("data.txt", "r", encoding="utf-8") \textbf{as} f:

content = f.read()

\emph{\# 逐行读取}

\textbf{with} open("data.csv", "r", encoding="utf-8") \textbf{as} f:

\textbf{for} line \textbf{in} f:

print(line.strip())

\emph{\# 写入文件}

\textbf{with} open("output.txt", "w", encoding="utf-8") \textbf{as} f:

f.write("分析结果\textbackslash n")

f.write(f"准确率: \{acc:.4f\}\textbackslash n")

\emph{\# 读写JSON（AI应用中常用的数据格式）}

\textbf{import} json

data = \{"model": "ResNet", "accuracy": 0.96\}

\emph{\# 写入JSON}

\textbf{with} open("result.json", "w") \textbf{as} f:

json.dump(data, f, indent=2)

\emph{\# 读取JSON}

\textbf{with} open("result.json", "r") \textbf{as} f:

\begin{lstlisting}
    loaded = json.load(f)
\end{lstlisting}

\paragraph{面向对象编程基础}

面向对象编程（OOP）是Python的重要范式，许多AI库都基于OOP设计。

\textbf{class} NeuralNetwork:\\
\emph{"""简单的神经网络类"""}\\
\strut \\
\textbf{def} \_\_init\_\_(self, input\_size, hidden\_size,
output\_size):\\
\emph{"""初始化网络结构"""}\\
self.input\_size = input\_size\\
self.hidden\_size = hidden\_size\\
self.output\_size = output\_size\\
self.loss\_history = {[}{]}\\
\strut \\
\textbf{def} forward(self, x):\\
\emph{"""前向传播"""}\\
\emph{\# 这里简化为概念演示}\\
\textbf{return} f"输出:
输入\{x\}经过\{self.hidden\_size\}个隐藏层神经元"\\
\strut \\
\textbf{def} train(self, data, epochs=10):\\
\emph{"""训练网络"""}\\
\textbf{for} epoch \textbf{in} range(epochs):\\
loss = 1.0 / (epoch + 1) \emph{\# 模拟损失下降}\\
self.loss\_history.append(loss)\\
print(f"Epoch \{epoch+1\}, Loss: \{loss:.4f\}")\\
\strut \\
\emph{\# 创建实例}\\
model = NeuralNetwork(input\_size=784, hidden\_size=128,
output\_size=10)\\
\strut \\
\emph{\# 使用}\\
output = model.forward({[}0.5, 0.3, 0.8{]})\\
model.train(data=None, epochs=5)

\subsubsection{核心科学计算库}

NumPy：数值计算基础

\textbf{import} numpy \textbf{as} np\\
\strut \\
\emph{\# 创建数组}\\
x = np.array({[}1, 2, 3, 4{]})\\
\strut \\
\emph{\# 矩阵运算}\\
W = np.random.randn(4, 3) \emph{\# 4×3 权重矩阵}\\
h = np.dot(x, W) \emph{\# 矩阵乘法}\\
\strut \\
\emph{\# 激活函数}\\
relu = np.maximum(0, h) \emph{\# ReLU}\\
\strut \\
\emph{\# 统计运算}\\
print(np.mean(x)) \emph{\# 均值}\\
print(np.std(x)) \emph{\# 标准差}\\
print(np.max(x)) \emph{\# 最大值}

\paragraph{Pandas：数据处理}

\textbf{import} pandas \textbf{as} pd\\
\strut \\
\emph{\# 读取数据}\\
df = pd.read\_csv(\textquotesingle data.csv\textquotesingle)\\
\strut \\
\emph{\# 查看数据}\\
print(df.head()) \emph{\# 前几行}\\
print(df.shape) \emph{\# 行数和列数}\\
print(df.columns) \emph{\# 列名}\\
\strut \\
\emph{\# 数据清洗}\\
df = df.dropna() \emph{\# 删除缺失值}\\
\strut \\
\emph{\# 统计分析}\\
print(df.describe()) \emph{\# 描述性统计}\\
\strut \\
\emph{\# 筛选数据}\\
filtered = df{[}df{[}\textquotesingle accuracy\textquotesingle{]}
\textgreater{} 0.9{]}

\paragraph{Matplotlib：数据可视化}

\textbf{import} matplotlib.pyplot \textbf{as} plt\\
\strut \\
\emph{\# 折线图：训练损失曲线}\\
epochs = {[}1, 2, 3, 4, 5{]}\\
losses = {[}0.8, 0.5, 0.3, 0.15, 0.08{]}\\
\strut \\
plt.plot(epochs, losses, \textquotesingle b-o\textquotesingle)\\
plt.xlabel(\textquotesingle Epoch\textquotesingle)\\
plt.ylabel(\textquotesingle Loss\textquotesingle)\\
plt.title(\textquotesingle Training Loss Curve\textquotesingle)\\
plt.savefig(\textquotesingle loss\_curve.png\textquotesingle, dpi=150)\\
plt.show()

\subsection{AI工具库速查与模型资源}

\subsubsection{工具库速查}

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1340}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.1443}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.4227}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 6\tabcolsep) * \real{0.2784}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
类别
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
工具
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
安装命令
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
功能
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
计算机视觉 & OpenCV & pip install opencv-python & 图像处理、视频分析 \\
目标检测 & Ultralytics & pip install ultralytics &
YOLO目标检测、实例分割 \\
图像生成 & Diffusers & pip install diffusers & Stable
Diffusion模型调用 \\
Agent开发 & LangChain & pip install langchain langchain-openai &
LLM应用开发框架 \\
Agent开发 & LangGraph & pip install langgraph & 状态机式Agent开发 \\
数据检索 & LlamaIndex & pip install llama-index &
数据索引与检索（RAG） \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{模型资源}

\paragraph{\texorpdfstring{Hugging
Face：\href{https://huggingface.co/}{huggingface.co}}{Hugging Face：huggingface.co}}

功能：模型仓库、数据集、Spaces在线演示

\textbf{常用预训练模型}：

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1625}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.2750}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.5375}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
任务
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
推荐模型
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
Hugging Face ID
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
文生图 & Stable Diffusion XL &
stabilityai/stable-diffusion-xl-base-1.0 \\
目标检测 & YOLOv8 & Ultralytics \\
语义分割 & SAM & segment-anything \\
大语言模型 & Llama 3 & meta-llama/Meta-Llama-3-8B \\
\end{longtable}
}

\section{机器学习与深度学习入门教程}

本节通过一个完整的实践流程，带领读者从数据准备到模型训练，体验机器学习和深度学习的核心步骤。

\subsubsection{机器学习 vs 深度学习}

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1358}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.4198}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.4198}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
维度
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
机器学习
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
深度学习
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
代表算法 & 线性回归、决策树、SVM、随机森林 & CNN、RNN、Transformer \\
特征工程 & 需要人工设计和选择特征 & 自动从原始数据中学习特征 \\
数据需求 & 中小规模数据即可 & 通常需要大量数据 \\
计算资源 & CPU即可 & 通常需要GPU \\
适用场景 & 结构化数据分析、基线模型 & 图像、文本、语音等非结构化数据 \\
\end{longtable}
}

\subsubsection{scikit-learn：机器学习实践}

scikit-learn是Python最经典的机器学习库，提供了丰富的算法和工具。

\paragraph{安装}

pip install scikit-learn

\paragraph{完整示例：鸢尾花分类}

\textbf{import} numpy \textbf{as} np

\textbf{import} matplotlib.pyplot \textbf{as} plt

\textbf{from} sklearn \textbf{import} datasets

\textbf{from} sklearn.model\_selection \textbf{import}
train\_test\_split

\textbf{from} sklearn.preprocessing \textbf{import} StandardScaler

\textbf{from} sklearn.linear\_model \textbf{import} LogisticRegression

\textbf{from} sklearn.tree \textbf{import} DecisionTreeClassifier

\textbf{from} sklearn.ensemble \textbf{import} RandomForestClassifier

\textbf{from} sklearn.metrics \textbf{import} accuracy\_score,
classification\_report



\emph{\# 1. 加载数据}

iris = datasets.load\_iris()

X = iris.data \emph{\# 特征：花萼长度、宽度，花瓣长度、宽度}

y = iris.target \emph{\# 标签：三种鸢尾花}

print(f"数据集大小: \{X.shape\}, 类别数: \{len(np.unique(y))\}")

\emph{\# 2. 划分训练集和测试集}

X\_train, X\_test, y\_train, y\_test = train\_test\_split(

\begin{lstlisting}
    X, y, test_size=0.3, random_state=42
\end{lstlisting}

)

\emph{\# 3. 数据标准化}

scaler = StandardScaler()

X\_train = scaler.fit\_transform(X\_train)

X\_test = scaler.transform(X\_test)

\emph{\# 4. 训练多个模型并比较}

models = \{

"逻辑回归": LogisticRegression(),

\begin{quote}
"决策树": DecisionTreeClassifier(max\_depth=3),

"随机森林": RandomForestClassifier(n\_estimaors=100),
\end{quote}

\begin{lstlisting}
}
\end{lstlisting}

\textbf{for} name, model \textbf{in} models.items():

model.it(X\_train, y\_train)

y\_pred = model.predict(X\_test)

acc = accuracy\_score(y\_test, y\_pred)

print(f"\{name\} 准确率: \{acc:.2\%\}")

\emph{\# 5. 详细评估报告（以随机森林为例）}

best\_model = models{[}"随机森林"{]}

y\_pred = best\_model.predict(X\_test)

print("\textbackslash n分类报告:")

\begin{lstlisting}
print(classification_report(y_test, y_pred, target_names=iris.target_names))
\end{lstlisting}

\paragraph{机器学习工作流总结}

数据收集 → 数据预处理 → 特征工程 → 划分训练/测试集\\
→ 选择模型 → 训练 → 评估 → 调优 → 部署

\subsubsection{PyTorch：深度学习实践}

PyTorch是当前研究和实验中最流行的深度学习框架，以动态计算图和Pythonic
API著称。

\paragraph{张量（Tensor）基础}

张量是PyTorch的核心数据结构，类似于NumPy数组，但可以在GPU上运算。

\textbf{import} torch\\
\strut \\
\emph{\# 创建张量}\\
a = torch.tensor({[}1.0, 2.0, 3.0{]})\\
b = torch.zeros(3, 4) \emph{\# 3×4 全零矩阵}\\
c = torch.randn(3, 4) \emph{\# 3×4 随机矩阵}\\
\strut \\
\emph{\# 张量运算}\\
x = torch.tensor({[}1.0, 2.0, 3.0{]})\\
y = torch.tensor({[}4.0, 5.0, 6.0{]})\\
print(x + y) \emph{\# 加法}\\
print(torch.dot(x, y)) \emph{\# 点积}\\
\strut \\
\emph{\# NumPy互转}\\
\textbf{import} numpy \textbf{as} np\\
arr = np.array({[}1, 2, 3{]})\\
tensor = torch.from\_numpy(arr) \emph{\# NumPy → Tensor}\\
back = tensor.numpy() \emph{\# Tensor → NumPy}

\paragraph{自动求导（Autograd）}

PyTorch的autograd模块可以自动计算梯度，是训练神经网络的核心。

\emph{\# 创建需要梯度的张量}\\
x = torch.tensor({[}2.0{]}, requires\_grad=True)\\
\strut \\
\emph{\# 前向计算}\\
y = x ** 2 + 3 * x + 1 \emph{\# y = x² + 3x + 1}\\
\strut \\
\emph{\# 反向传播，自动计算 dy/dx}\\
y.backward()\\
print(f"dy/dx = \{x.grad\}") \emph{\# 应为 2x + 3 = 7（x=2时）}

\paragraph{完整示例：手写数字识别}

以下是一个完整的神经网络训练流程，使用经典的MNIST数据集。

\textbf{import} torch

\textbf{import} torch.nn \textbf{as} nn

\textbf{import} torch.optim \textbf{as} optim

\textbf{from} torchvision \textbf{import} datasets, transforms



\emph{\# 1. 数据准备}

transform = transforms.Compose({[}

\begin{lstlisting}
    transforms.ToTensor(),                              # 转为张量
\end{lstlisting}

transforms.Normalize((0.1307,), (0.3081,)) \emph{\# 标准化}

{]})

train\_dataset = datasets.MNIST(\textquotesingle./data\textquotesingle,
train=True, download=True, transform=transform)

test\_dataset = datasets.MNIST(\textquotesingle./data\textquotesingle,
train=False, transform=transform)

train\_loader = torch.utils.data.DataLoader(train\_dataset,
batch\_size=64, shuffle=True)

test\_loader = torch.utils.data.DataLoader(test\_dataset,
batch\_size=1000)

\emph{\# 2. 定义模型}

\textbf{class} Net(nn.Module):

\textbf{def} \_\_init\_\_(self):

super().\_\_init\_\_()

self.fc1 = nn.Linear(28 * 28, 128) \emph{\# 输入层 → 隐藏层}

self.fc2 = nn.Linear(128, 64) \emph{\# 隐藏层 → 隐藏层}

self.fc3 = nn.Linear(64, 10) \emph{\# 隐藏层 → 输出层（10个数字）}

\textbf{def} forward(self, x):

\begin{lstlisting}
        x = x.view(-1, 28 * 28)                 # 展平图像
\end{lstlisting}

x = torch.relu(self.fc1(x)) \emph{\# ReLU激活}

x = torch.relu(self.fc2(x))

\begin{lstlisting}
        x = self.fc3(x)                          # 输出层不加激活
\end{lstlisting}

\textbf{return} x

model = Net()

\emph{\# 3. 定义损失函数和优化器}

criterion = nn.CrossEntropyLoss()

optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

\emph{\# 4. 训练}

\textbf{for} epoch \textbf{in} range(5):

model.train()

total\_loss = 0

\textbf{for} batch\_x, batch\_y \textbf{in} train\_loader:

\begin{lstlisting}
        optimizer.zero_grad()                    # 清零梯度
        output = model(batch_x)                  # 前向传播
\end{lstlisting}

loss = criterion(output, batch\_y) \emph{\# 计算损失}

\begin{lstlisting}
        loss.backward()                          # 反向传播
        optimizer.step()                         # 更新参数
\end{lstlisting}

total\_loss += loss.item()

print(f"Epoch \{epoch+1\}, Loss:
\{total\_loss/len(train\_loader):.4f\}")

\begin{lstlisting}
# 5. 测试
\end{lstlisting}

model.eval()

correct = 0

total = 0

\textbf{with} torch.no\_grad():

\textbf{for} batch\_x, batch\_y \textbf{in} test\_loader:

output = model(batch\_x)

\_, predicted = torch.max(output, 1)

total += batch\_y.size(0)

correct += (predicted == batch\_y).sum()

\begin{lstlisting}
print(f"\n测试准确率: {correct/total:.2%}")
\end{lstlisting}

\subsubsection{使用预训练模型}

在实际应用中，通常不需要从头训练模型，而是使用预训练模型进行微调或直接推理。

使用Hugging Face Transformers

\emph{\# 安装: pip install transformers}\\
\strut \\
\textbf{from} transformers \textbf{import} pipeline\\
\strut \\
\emph{\# 文本分类（情感分析）}\\
classifier = pipeline("sentiment-analysis")\\
result = classifier("This design is amazing!")\\
print(result)\\
\emph{\# {[}\{\textquotesingle label\textquotesingle:
\textquotesingle POSITIVE\textquotesingle,
\textquotesingle score\textquotesingle: 0.9998\}{]}}\\
\strut \\
\emph{\# 图像分类}\\
image\_classifier = pipeline("image-classification")\\
result = image\_classifier("building.jpg")\\
print(result)\\
\emph{\# {[}\{\textquotesingle score\textquotesingle: 0.92,
\textquotesingle label\textquotesingle:
\textquotesingle palace\textquotesingle\}, ...{]}}

\paragraph{使用Ultralytics YOLO}

\emph{\# 安装: pip install ultralytics}

\textbf{from} ultralytics \textbf{import} YOLO

\emph{\# 加载预训练模型}

model = YOLO("yolov8n.pt")

\emph{\# 目标检测}

results = model("street\_photo.jpg")

\emph{\# 查看结果}

\textbf{for} result \textbf{in} results:

boxes = result.boxes

\textbf{for} box \textbf{in} boxes:

cls = int(box.cls{[}0{]})

conf = float(box.conf{[}0{]})

label = model.names{[}cls{]}

\begin{lstlisting}
        print(f"检测到: {label}, 置信度: {conf:.2f}")
\end{lstlisting}

\subsubsection{GPU加速}

深度学习训练在GPU上可以快数十倍。PyTorch的GPU使用非常简洁：

\emph{\# 检查GPU是否可用}\\
device = torch.device("cuda" \textbf{if} torch.cuda.is\_available()
\textbf{else} "cpu")\\
print(f"使用设备: \{device\}")\\
\strut \\
\emph{\# 将模型和数据移动到GPU}\\
model = Net().to(device)\\
\strut \\
\emph{\# 训练时，数据也需要移到GPU}\\
\textbf{for} batch\_x, batch\_y \textbf{in} train\_loader:\\
batch\_x = batch\_x.to(device)\\
batch\_y = batch\_y.to(device)\\
\emph{\# ... 后续训练代码不变}

在没有本地GPU的情况下，可以使用
\href{https://colab.research.google.com/}{Google Colab}
免费使用云端GPU运行上述代码。

\subsubsection{学习路径建议}

{\def\LTcaptype{none} % do not increment counter
\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.1327}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.2478}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\linewidth - 4\tabcolsep) * \real{0.6018}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
阶段
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
内容
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
推荐资源
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
入门 & Python基础 + NumPy/Pandas & 本附录 §3 \\
机器学习 & scikit-learn实践 &
\href{https://scikit-learn.org/stable/tutorial/}{scikit-learn官方教程} \\
深度学习基础 & PyTorch入门 + MLP &
\href{https://pytorch.org/tutorials/}{PyTorch官方教程} \\
计算机视觉 & CNN + 图像分类/检测 & 本书第三篇 + CS231n \\
自然语言处理 & Transformer + LLM & 本书第四篇 + CS224n \\
生成式AI & Diffusion + AIGC工具 & 本书第五篇 \\
前沿探索 & Agent + 具身智能 & 本书第六篇 \\
\end{longtable}
}
