第1章 計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

1、1大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維第一章第一章2聯(lián)系方式：聯(lián)系方式：Staff Room: 計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院208室室Telephone：82312196-2016（O）EMAIL:上機(jī)時(shí)間：第上機(jī)時(shí)間：第5-155-15周，周二第周，周二第7-87-8節(jié)節(jié)地地 點(diǎn)：教八樓點(diǎn)：教八樓6 6樓計(jì)算機(jī)學(xué)院機(jī)房樓計(jì)算機(jī)學(xué)院機(jī)房3 計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的發(fā)展 n 算算 盤盤 中國唐代中國唐代 第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器n 計(jì)算尺計(jì)算尺 16221622年，英國年，英國William OughtredWilliam Oughtred（奧特瑞德）

2、（奧特瑞德） 手動(dòng)式、減、乘、除、指數(shù)和三角函數(shù)運(yùn)算手動(dòng)式、減、乘、除、指數(shù)和三角函數(shù)運(yùn)算n 加法器加法器 19421942年，法國年，法國Blaise PascalBlaise Pascal（帕斯卡）（帕斯卡） 機(jī)械式，只能做加法機(jī)械式，只能做加法n 計(jì)算器計(jì)算器 16731673年，德國年，德國Gottfried LeibnizGottfried Leibniz（萊布尼茨）（萊布尼茨） 機(jī)械式，加、減、乘、除和開方機(jī)械式，加、減、乘、除和開方n 差分機(jī)差分機(jī) 18121812年，英國年，英國Charles BabbageCharles Babbage（巴貝奇）（巴貝奇）n 分析機(jī)分析機(jī) 1

3、8341834年，英國年，英國Charles BabbageCharles Babbagen 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 19461946年，賓夕法尼亞大學(xué)年，賓夕法尼亞大學(xué)ENIACENIAC4查爾斯查爾斯. .巴貝奇巴貝奇 18121812年差分機(jī)年差分機(jī) 18341834年分析機(jī)年分析機(jī) 差分機(jī)和分析機(jī)（差分機(jī)和分析機(jī)（計(jì)算機(jī)的直系祖先計(jì)算機(jī)的直系祖先）三部分組成：三部分組成：(1)(1)由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫；由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)庫；(2)(2)運(yùn)算裝置；運(yùn)算裝置；(3)(3)能對(duì)操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的能對(duì)操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的 數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。數(shù)

4、據(jù)以及輸出結(jié)果的裝置。5計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人英國科學(xué)家英國科學(xué)家 阿蘭阿蘭圖靈圖靈電子計(jì)算機(jī)之父：電子計(jì)算機(jī)之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家美籍匈牙利數(shù)學(xué)家 馮馮諾依曼諾依曼阿蘭阿蘭圖靈和馮圖靈和馮諾依曼諾依曼美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)1966(ACM)1966年設(shè)立年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)圖靈獎(jiǎng)主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論的建立圖靈機(jī)模型，奠定了可計(jì)算理論的 基礎(chǔ)基礎(chǔ) 提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念 主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 與同事研制人類第二臺(tái)計(jì)算機(jī)與同事研制人類第二臺(tái)計(jì)算機(jī)EDVACEDVAC “存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”概念概念 馮

5、馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理姚期智姚期智 20002000A.N.Kolmogorov 1H.Poincare 2D.Hilbert 3Von Neumann 5陳省身陳省身 3131Alan.Turing 6868華羅庚華羅庚 90906電子計(jì)算機(jī)的問世電子計(jì)算機(jī)的問世 1946 1946年年2 2月由賓州大學(xué)研制的月由賓州大學(xué)研制的ENIACENIAC電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。 Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)

6、重達(dá)重達(dá)3030噸噸占地占地250m250m2 2啟動(dòng)工耗啟動(dòng)工耗150000150000瓦瓦1800018000個(gè)電子管個(gè)電子管:每秒每秒5 5千次加減運(yùn)算千次加減運(yùn)算:沒有存儲(chǔ)器沒有存儲(chǔ)器:采用十進(jìn)制采用十進(jìn)制7國際TOP500組織6月23日公布了最新的全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜中國“天河二號(hào)天河二號(hào)”獲全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)三連冠 Top1 “天河二號(hào)”中國（運(yùn)算速度為每秒33.86千萬億次） （國防科大）Top2 “泰坦”美國能源部下屬橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（每秒17.59千萬億次）Top3 “紅杉”美國勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（每秒17.17千萬億次）Top4 “京”日本理化研究所（每

7、秒10.51千萬億次）（富士通）Top5 “米拉”美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室（每秒8.59千萬億次） LINPACK是線性系統(tǒng)軟件包線性系統(tǒng)軟件包測(cè)試天河二號(hào)天河二號(hào)每秒5.49億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算峰值速度每秒3.39億億次Linpack測(cè)試性能系統(tǒng)存儲(chǔ)總?cè)萘肯喈?dāng)于600億冊(cè)每冊(cè)10萬字圖書計(jì)算機(jī)對(duì)我們產(chǎn)生了什么影響？無處不在工作助手生活伙伴最直觀的感受深刻影響著人們的思維方式 影響著很多學(xué)科的研究和發(fā)展 事實(shí)上81.1計(jì)算與計(jì)算科學(xué)計(jì)算與計(jì)算科學(xué)l1.1.1 計(jì)算與數(shù)字化計(jì)算與數(shù)字化“計(jì)算不再只和計(jì)算機(jī)有關(guān)，它決定著我們的生存” -尼葛洛龐帝 數(shù)字化生存 該書成為了二十世紀(jì)九十年代紐約時(shí)報(bào)排行榜中

8、的暢銷書。 9計(jì)算已經(jīng)改變了科學(xué)家們的思考方式l計(jì)算生物學(xué)改變著生物學(xué)家的思考方式；l計(jì)算博弈理論改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式；l納米計(jì)算改變著化學(xué)家的思考方式；l計(jì)算物理學(xué)改變著物理學(xué)家的思考方式；l數(shù)學(xué)機(jī)械化改變數(shù)學(xué)家的思考方式；l社會(huì)計(jì)算改變著社會(huì)學(xué)家的思考方式等等。10什么是計(jì)算？ 計(jì)算的本質(zhì)計(jì)算的本質(zhì)是基于規(guī)則的符號(hào)串變換，更廣義的說，計(jì)算是基于規(guī)則的物理狀態(tài)的變換。l 1+3+4這樣的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以說是我們最容易認(rèn)同的計(jì)算；l 而將一段中文文章翻譯成英文也就是計(jì)算，因?yàn)槠鋵?shí)質(zhì)是在保持語義不變的前提下，將一串中文符號(hào)變換成對(duì)應(yīng)的英文符號(hào)；l 任何給定一定的輸入，經(jīng)過處理和變換，得到期望的輸

9、出的過程都可以稱為計(jì)算。 11 計(jì)算可以和廣闊的專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合，通過學(xué)科交叉與融合，迸發(fā)出前景廣闊的研究空間。 l 計(jì)算生物學(xué)計(jì)算生物學(xué)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，來研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會(huì)群體系統(tǒng)。l 計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)運(yùn)用計(jì)算思想分析和綜合經(jīng)濟(jì)問題，進(jìn)行問題分析、模型研究及決策，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，計(jì)算思想在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)理論中占到70%以上的比例。12l 計(jì)算物理學(xué)計(jì)算物理學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科。利用計(jì)算機(jī)大存儲(chǔ)量和快速計(jì)算的有利條件，將物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)和工程中復(fù)雜的多因素相互作用過程，通過計(jì)算機(jī)來模擬。如原子彈的爆炸、火箭的發(fā)射，以及代替風(fēng)洞進(jìn)行高速飛行的模擬試驗(yàn)等

10、。目前，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、理論物理學(xué)和計(jì)算物理學(xué)已經(jīng)步入一個(gè)三強(qiáng)鼎立的時(shí)代。13l 社會(huì)計(jì)算學(xué)科社會(huì)計(jì)算學(xué)科根據(jù)社會(huì)科學(xué)理論，以計(jì)算技術(shù)為工具，研究人類社會(huì)的組成、關(guān)系、結(jié)構(gòu)、層次、行為、運(yùn)動(dòng)等問題，研究社會(huì)媒體，促進(jìn)社會(huì)人群的交流與合作。l 計(jì)算也在改變著人們的工作方式，數(shù)字化會(huì)議數(shù)字化會(huì)議為分布于世界各地的公司提供遠(yuǎn)程會(huì)議支持，創(chuàng)造出天涯若比鄰的工作場(chǎng)景。l 數(shù)字化制造數(shù)字化制造使得在設(shè)備在沒有制造出來之前，既可以通過仿真系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過虛擬裝配進(jìn)行模擬設(shè)備的裝配，在對(duì)于效果滿意之后再進(jìn)行實(shí)際投產(chǎn)。141.1.2 計(jì)算科學(xué)計(jì)算科學(xué) 計(jì)算科學(xué)是研究計(jì)算技術(shù)的一門科學(xué)，它具有促進(jìn)其他科學(xué)門類發(fā)展的

11、重要作用。 計(jì)算技術(shù)發(fā)展到當(dāng)今，其特征日益體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：l計(jì)算手段的器械化，l計(jì)算過程的形式化，l計(jì)算執(zhí)行的自動(dòng)化，l計(jì)算對(duì)象的泛在化。 15l計(jì)算過程的形式化是計(jì)算自動(dòng)執(zhí)行的前提。人們首先需要對(duì)于計(jì)算問題進(jìn)行抽象，對(duì)其實(shí)現(xiàn)形式化的表示；l其次，對(duì)于計(jì)算過程往往需要設(shè)計(jì)算法，并完成程序設(shè)計(jì)；l最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序運(yùn)行而得到期望的處理結(jié)果。 16 應(yīng)用計(jì)算科學(xué)處理問題時(shí)是可能有誤差的，誤差的來源：l可能來自于模型模型l也可能來自于計(jì)算工具計(jì)算工具。 17計(jì)算科學(xué)的研究內(nèi)容計(jì)算科學(xué)的研究內(nèi)容 計(jì)算科學(xué)的研究內(nèi)容：l算法l可計(jì)算性l算法的實(shí)現(xiàn)問題。 18l算法是對(duì)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行的計(jì)算過程的具體描述。

12、確定求解問題的算法是求解問題的關(guān)鍵步驟 。19算法舉例若m和n是兩個(gè)正整數(shù)，并且mn時(shí)，求m和n的最大公因子的歐幾里得算法可表示為：lE1求余數(shù) 以n除m得余數(shù)r。lE2余數(shù)為0嗎? 若r=0，計(jì)算結(jié)束，n即為答案；否則轉(zhuǎn)到步驟E3。lE3互換 把m的值變?yōu)閚, n的值變?yōu)閞，重復(fù)上述步驟。依照這三條規(guī)則指示的步驟，可計(jì)算出任何兩個(gè)正整數(shù)的最大公因子。 2021 /*例：求兩個(gè)正整數(shù)m和n的最大公約數(shù)及最小公倍數(shù)*/ C語言實(shí)現(xiàn)#include stdio.hvoid main()int m,n,r,M,N;int intGreatComDiv,intLeaseComMul;/intGreat

13、ComDiv為最為最/大大公約數(shù)，公約數(shù)，intLeaseComMul最小公倍數(shù)最小公倍數(shù)printf(請(qǐng)輸入請(qǐng)輸入m和和n的值的值:);scanf(%d%d,&m,&n);M=m;N=n;if(m=0)|(n=0)printf(輸入錯(cuò)誤輸入錯(cuò)誤!請(qǐng)重新輸入請(qǐng)重新輸入!n);r=m%n;22while(r!=0) /*利用輾除法，直到利用輾除法，直到r為為0為止為止*/ m=n;n=r;r=m%n;intGreatComDiv=n;intLeaseComMul=M*N/intGreatComDiv;printf(m和和n的最大公約數(shù)是的最大公約數(shù)是: %dn,intGreatC

14、omDiv);printf(m和和n的最小公倍數(shù)是的最小公倍數(shù)是: %dn,intLeaseComMul);l可以把計(jì)算過程看成執(zhí)行這些步驟的序列。我們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算過程是有窮的有窮的，而且計(jì)算的每一步都是能夠機(jī)械實(shí)現(xiàn)的（機(jī)械性）（機(jī)械性）。23l可計(jì)算性是指一個(gè)實(shí)際問題是否可以使用計(jì)算機(jī)來解決l一個(gè)可以使用計(jì)算機(jī)解決的問題應(yīng)該被定義為“可以在有限步驟內(nèi)被解決的問題可以在有限步驟內(nèi)被解決的問題”，故哥德巴赫猜想這樣的問題是不屬于“可計(jì)算問題”之列的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)沒有辦法給出數(shù)學(xué)意義上的證明。l不能期待計(jì)算機(jī)能解決世界上所有的問題。241.2計(jì)算思維計(jì)算思維 計(jì)算思維計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念

15、進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化抽象和自動(dòng)化。如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，計(jì)算思維已經(jīng)成為必須具備的科學(xué)思維能力。 251.2.1 科學(xué)思維科學(xué)思維人類思維模式藝術(shù)思維宗教思維科學(xué)思維邏輯思維實(shí)證思維計(jì)算思維26科學(xué)思維模式大體上可以分為三種：1以觀察和歸納自然（包括人類社會(huì)活動(dòng)）規(guī)律為特征的實(shí)證思維實(shí)證思維。2以推理和演繹為特征的邏輯思維邏輯思維。3以抽象化和自動(dòng)化為特征的計(jì)算思維計(jì)算思維。27實(shí)證思維實(shí)證思維 實(shí)證思維實(shí)證思維起源于物理學(xué)的研究，集大成者的代表是伽利略伽利略、開普勒開普勒和牛

16、頓牛頓。 開普勒開普勒是現(xiàn)代科學(xué)中第一個(gè)有意識(shí)地將自然觀察總結(jié)成規(guī)律，并把這種規(guī)律表示出來。伽利略伽利略建立了現(xiàn)代實(shí)證主義的科學(xué)體系，強(qiáng)調(diào)通過觀察和實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)是把自然現(xiàn)象單純化，以保證可以仔細(xì)研究其中的一個(gè)局部）獲取自然規(guī)律的法則。牛頓牛頓把觀察、歸納和推理完美地結(jié)合起來，形成了現(xiàn)代科學(xué)大廈的整體框架。 28實(shí)證思維要符合三點(diǎn)原則：實(shí)證思維要符合三點(diǎn)原則：l第一是可以解釋以往的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；l第二是邏輯上自洽，即不能自相矛盾；l第三是能夠預(yù)見新的現(xiàn)象。即思維結(jié)論必須經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。 29邏輯思維邏輯思維l邏輯思維的研究起源于希臘時(shí)期，集大成者是蘇格拉底、柏拉圖、亞里士多德，他們基本構(gòu)建了現(xiàn)代邏輯

17、學(xué)的體系。l以后又經(jīng)過眾多邏輯學(xué)家的貢獻(xiàn)，例如萊布尼茨、希爾伯特等，使得邏輯學(xué)成為人類科學(xué)思維的模式和工具。30邏輯思維也要符合一些原則：邏輯思維也要符合一些原則：l第一是有作為推理基礎(chǔ)的公理集合；l第二是有一個(gè)可靠和協(xié)調(diào)的推演系統(tǒng)（推演規(guī)則）。任何結(jié)論都要從公理集合出發(fā)，經(jīng)過推演系統(tǒng)的合法推理，得出結(jié)論。31計(jì)算思維計(jì)算思維l計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和自動(dòng)化，或者說以形式化、程序化和機(jī)械自動(dòng)化，或者說以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式化為特征的思維形式。 l計(jì)算思維也是與人類思維活動(dòng)同步發(fā)展的思維模式，但是計(jì)算思維概念的明確和建立卻經(jīng)歷了較

18、長的時(shí)期。 32l計(jì)算思維中的抽象化與數(shù)學(xué)（邏輯思維）的抽象化有不同的含義。計(jì)算思維的抽象化不僅表現(xiàn)為研究對(duì)象的形式化表示，也隱含這種表示應(yīng)具備有限性、程序性和機(jī)械性。l因此，可以說形式化形式化、程序化程序化和和機(jī)械化機(jī)械化作作為計(jì)算思維的特征為計(jì)算思維的特征。331.2.2 計(jì)算思維計(jì)算思維計(jì)算思維的標(biāo)志計(jì)算思維的標(biāo)志是有限性，確定性和機(jī)械性。l 計(jì)算思維表達(dá)結(jié)論的方式必須是一種有限的形式，（回想一下，數(shù)學(xué)中表示一個(gè)極限，是用一個(gè)自變量趨向于無窮來定義一個(gè)代數(shù)式的值，這種方式在計(jì)算思維中是不允許的）；l 語義必須是確定的，在理解上不會(huì)出現(xiàn)因人而異、因環(huán)境而異的歧義性；l 必須是一種機(jī)械的方式

19、，可以通過機(jī)械的步驟來實(shí)現(xiàn)。這三種標(biāo)志是計(jì)算思維區(qū)別于其他兩種思維的關(guān)鍵。34應(yīng)用計(jì)算思維對(duì)問題的處理方法是：l通過問題的形式化表示，算法的構(gòu)造，對(duì)于算法的執(zhí)行而得到所期望的處理結(jié)果。35l例1：在一個(gè)高考成績列表s1,s2,sn中查找考號(hào)為10011087的學(xué)生的成績 。問題分析：如何利用計(jì)算機(jī)來完成這樣一個(gè)任務(wù)？36l 把一個(gè)班級(jí)的學(xué)生信息存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，要求完成：用戶從鍵盤上輸入要查找的學(xué)生學(xué)號(hào)10011087，屏幕顯示該學(xué)生的成績。l 設(shè)計(jì)一個(gè)算法完成這個(gè)查找過程，那么這個(gè)算法的思想和人工查找是基本一致的，即逐個(gè)對(duì)比逐個(gè)對(duì)比s1,s2,sn，l 如果其中某一個(gè)的學(xué)號(hào)值與key=1

20、0011087匹配，則查找成功，結(jié)束查找過程；l 如果所有的學(xué)號(hào)都不與key匹配，則說明沒有要找的這個(gè)學(xué)生，稱為查找失敗，結(jié)束查找過程。37例2： 在一個(gè)按照學(xué)號(hào)升序排列學(xué)號(hào)升序排列的班級(jí)花名冊(cè)s1,s2,sn中查找學(xué)號(hào)為1001的學(xué)生。分析：如果設(shè)計(jì)一個(gè)算法，在一個(gè)按照學(xué)號(hào)有序序列中完成查找指定的學(xué)號(hào)1001，設(shè)待查找的學(xué)號(hào)為key，我們?nèi)匀豢梢岳美?中的算法實(shí)現(xiàn)。然而，如果利用學(xué)生信息存儲(chǔ)的有序性這一特點(diǎn)，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)效率更高的查找方法，稱為二分查找二分查找。38描述如下：Step 1：設(shè)定三個(gè)變量，i，j，m，其中，i=1，j=n，m=（i+j）/2Step 2：當(dāng)ij成立時(shí)，重復(fù)

21、執(zhí)行以下步驟 Step 2.1 如果key=sm.no，結(jié)束查找過程，查找成功； Step 2.2 如果keysm.no，i=m+1;Step 3: 結(jié)束查找過程，查找失敗，即無此學(xué)號(hào)的學(xué)生。39l本例可以看出，算法和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是具有緊密關(guān)系的，對(duì)數(shù)據(jù)的組織方式不同，算法的設(shè)計(jì)就可能不同。40l計(jì)算思維方式對(duì)解決的問題，往往需要經(jīng)過問題的抽象化，問題的符號(hào)化表示，問題的問題的抽象化，問題的符號(hào)化表示，問題的求解算法，算法的實(shí)現(xiàn)求解算法，算法的實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)步驟。l應(yīng)用問題的解決是需要構(gòu)造一個(gè)如上的算法，該算法的特點(diǎn)是必須在有限的步驟內(nèi)結(jié)束。l可以看出，算法往往具有機(jī)械性、重復(fù)性，而算法的每個(gè)步驟都

22、是具有確定性的。l算法針對(duì)一定數(shù)據(jù)組織的執(zhí)行就可以得到有益的結(jié)果。 41l計(jì)算思維也可以叫做構(gòu)造思維計(jì)算思維也可以叫做構(gòu)造思維，只是由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大促進(jìn)了這種思維的研究和應(yīng)用，并且在計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究和工程應(yīng)用中得到廣泛的認(rèn)同，所以人們習(xí)慣地叫做計(jì)算思維 l計(jì)算思維是一直存在的一種固有科學(xué)思維方式，只是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了計(jì)算思維的應(yīng)用。421.2.3 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)強(qiáng)化了計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)強(qiáng)化了計(jì)算思維的作用作用 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化，計(jì)算機(jī)所具有的對(duì)計(jì)算機(jī)所具有的對(duì)信息和符號(hào)信息和符號(hào)的快速處理能力的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實(shí)現(xiàn)的處理

23、過程變成了可以實(shí)現(xiàn)的過程。l 例如，海量數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、大型海量數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、大型工程的組織等工程的組織等，借助計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)從想法到產(chǎn)品整個(gè)過程的自動(dòng)化、精確化和可控化，大大拓展了人類認(rèn)知世界和解決問題的能力和范圍。 43l研究一個(gè)問題如何變換成為能夠用計(jì)算機(jī)研究一個(gè)問題如何變換成為能夠用計(jì)算機(jī)求解的方式以及如何利用計(jì)算機(jī)解決問題求解的方式以及如何利用計(jì)算機(jī)解決問題，這是目前眾多的學(xué)科領(lǐng)域的研究者需要思考的問題。 441.2.4 計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響l在很長一段時(shí)間里，計(jì)算思維的研究是作為數(shù)學(xué)思維的一部分進(jìn)行的，對(duì)于計(jì)算思維本身的認(rèn)識(shí)和研

24、究進(jìn)展緩慢。l主要的原因是計(jì)算思維考慮的可構(gòu)造性可構(gòu)造性和可實(shí)現(xiàn)性可實(shí)現(xiàn)性，而相應(yīng)的手段和工具的研究進(jìn)展緩慢。 45l使用計(jì)算思維考慮和陳述問題，已經(jīng)成了使用計(jì)算思維考慮和陳述問題，已經(jīng)成了越來越熟悉和普遍的事實(shí)。越來越熟悉和普遍的事實(shí)。計(jì)算思維成為一個(gè)現(xiàn)代人所必須具備的素質(zhì)。 l計(jì)算思維計(jì)算思維是21 世紀(jì)每一個(gè)人都要用的基本工具，它將會(huì)像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類學(xué)習(xí)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的基本組成和基本技能。 46l智能交通控制、天氣預(yù)報(bào)、疾病的流行趨勢(shì)分析與控制、計(jì)算生物學(xué)等等眾多領(lǐng)域的研究者都在其研究工作中運(yùn)用著計(jì)算思維。471.3計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)l 1.3.1計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué) 計(jì)算機(jī)是

25、一種進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的機(jī)器，其處理的對(duì)象都是信息，因而也可以說，計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究信息處理的科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究信息處理的科學(xué)。計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)（Computer Science，縮寫為CS）是系統(tǒng)性研究信息與計(jì)算的理論基礎(chǔ)，以及它們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用的學(xué)科。48計(jì)算機(jī)科學(xué)包含很多分支領(lǐng)域,其中:l計(jì)算機(jī)圖形學(xué)強(qiáng)調(diào)特定結(jié)果的計(jì)算。l計(jì)算復(fù)雜性理論是研究計(jì)算問題的性質(zhì)。還有一些領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谔魬?zhàn)怎樣實(shí)現(xiàn)計(jì)算。比如，程序設(shè)計(jì)語言理論描述計(jì)算的方法，而程序設(shè)計(jì)是應(yīng)用特定的程序設(shè)計(jì)語言解決特定的計(jì)算問題。l人機(jī)交互則是專注于怎樣使計(jì)算機(jī)和計(jì)算變得有用、可用，以及隨時(shí)隨地為人所用 。49計(jì)算機(jī)

26、科學(xué)的研究內(nèi)容l主要包括理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件工程和人工智能。 50 理論計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究計(jì)算機(jī)自身理論的科學(xué),二十世紀(jì) 40年代電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，關(guān)于現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)及其程序的數(shù)學(xué)模型性質(zhì)的研究以及計(jì)算復(fù)雜性的研究迅速發(fā)展起來，形成自動(dòng)機(jī)理論、形式語言理論、程序設(shè)計(jì)理論、算法設(shè)計(jì)與分析和計(jì)算復(fù)雜性理論幾個(gè)領(lǐng)域。 自從二十世紀(jì) 50年代以來，計(jì)算機(jī)的性能在計(jì)算速度和編址空間方面已提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但這些性能上的提高基本都是通過元件更新而獲得的，在計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面基本上仍是屬于40年代后期形成的存儲(chǔ)程序型存儲(chǔ)程序型，即所謂馮諾伊曼型馮諾伊曼型機(jī)器。51l存儲(chǔ)程序結(jié)構(gòu)(馮諾伊曼型機(jī)器)

27、的主要特點(diǎn)是它屬于控制流型。在這種結(jié)構(gòu)中，一項(xiàng)計(jì)算先做什么后做什么是事先確定了的，程序中指令的順序是事先確定了的。l為了在計(jì)算機(jī)的性能方面取得大的進(jìn)展，需要突破這種舊的形式。然而，這種突破仍然在研究階段。52l 軟件工程和程序設(shè)計(jì)方面的研究工作，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，是一種類似“手藝”而不是類似現(xiàn)代工程的技術(shù)。l 二十世紀(jì)60年代以來，程序的規(guī)模越來越大，隨著程序的復(fù)雜性增加，這些大程序的可靠性很難保證。到60年代后期，西方國家出現(xiàn)了“軟件危機(jī)”。軟件危機(jī)指有些程序過于龐大（包含幾十萬條以至幾百萬條指令），軟件開發(fā)成本過高，而可靠性則比較差。l 于是，在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題是軟件工程問

28、題。軟件工程的思想是使軟件開發(fā)遵守嚴(yán)格的規(guī)范，使用一套可靠的方法，從而保證軟件質(zhì)量。l 現(xiàn)代軟件工程的重要方向是形式化和自動(dòng)化，而形式化的目的在于自動(dòng)化。 531.3.2計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科的交叉與融合 計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展給其他學(xué)科的科學(xué)研究工作帶來了巨大的變化，使得學(xué)科的交叉和融合對(duì)于人類的科學(xué)進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影響。l我們以人工智能人工智能為例，說明計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科的融合所迸發(fā)出的廣闊研究興趣，以及對(duì)相關(guān)學(xué)科產(chǎn)生的巨大推動(dòng)力。54什么是人工智能?l如果機(jī)器能夠完成這些任務(wù)的一部分，那么就可以認(rèn)為機(jī)器已經(jīng)具有某種程度的“人工智能”。l人工智能是用計(jì)算機(jī)模擬人的智能，特別是模擬思維活動(dòng)的技術(shù)及其

29、有關(guān)理論。 圖靈測(cè)試圖靈測(cè)試 201455人工智能應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)與眾多研究領(lǐng)域交叉融合的產(chǎn)物。1問題求解系統(tǒng)問題求解系統(tǒng) 人工智能最早的嘗試求解智力難題和下棋程序，后者又稱博弈。另一種問題求解程序是將各種數(shù)學(xué)公式符號(hào)匯編在一起，搜索解答空間，尋求較優(yōu)的解答. 562自然語言理解和處理系統(tǒng)自然語言理解和處理系統(tǒng) 語言處理一直是人工智能研究的熱門方向之一，人們很早就在開始研制語言翻譯系統(tǒng)（Language Translation System）。早期的自然語言理解多采用鍵盤輸入自然語言，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出文字識(shí)別和語言識(shí)別系統(tǒng)，能夠配合進(jìn)行書面語言和有聲語言的識(shí)別與理解。 現(xiàn)在已有智能翻譯

30、系統(tǒng)，你可對(duì)它說話，它能將你說的話打印出來，并且可以用另一種語言表示出來。57演示3智能控制、智能系統(tǒng)和智能接口智能控制、智能系統(tǒng)和智能接口l 智能控制（Intelligent Control）是一類無需或者盡可能少的人工干預(yù)就能夠獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。l 它采用AI（Artifical Intelligent）理論及技術(shù)與經(jīng)典控制理論（頻域法）、現(xiàn)代控制理論（時(shí)域法）相結(jié)合，研制智能控制系統(tǒng)的方法和技術(shù)。它是AI與控制論以及工程控制論等科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。 l 智能系統(tǒng)（Intelligent System）的含義非常廣泛，通常它指配備有智能化軟、硬件的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)

31、信息系統(tǒng)。在AI中，智能化的軟、硬件計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)指具有問題求解和高層決策功能的一些學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。如擬人控制系統(tǒng)、自主機(jī)器人控制系統(tǒng)、人機(jī)結(jié)合控制系統(tǒng)。 58上述領(lǐng)域里的典型系統(tǒng)有：(1) 監(jiān)管系統(tǒng)（Supervisory System）?，F(xiàn)在大的辦公樓和商業(yè)大廈變得愈來愈復(fù)雜，監(jiān)管系統(tǒng)可以幫助控制能源、電梯、空調(diào)等，并進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)、計(jì)費(fèi)、顧客導(dǎo)購等。(2) 智能高速公路。這也是一種智能監(jiān)控系統(tǒng)，它能優(yōu)化已有高速公路的使用：通過廣播交通的警告，將大量的車輛導(dǎo)向可代替的路線；控制車流的速度與空間；幫助選擇出發(fā)點(diǎn)到目的地的最優(yōu)路線。 演示(3) 銀行監(jiān)控系統(tǒng)。American Express是美國

32、一家大的銀行公司，用戶信用卡的使用每年由于惡性透支和欺騙行為損失1億美元。需要解決的問題是：如何在短時(shí)間內(nèi)判斷是否允許顧客使用他的信用卡？一般，需要一個(gè)系統(tǒng)在90秒內(nèi)給出判斷。 594智能調(diào)度和規(guī)劃系統(tǒng)智能調(diào)度和規(guī)劃系統(tǒng) 智能調(diào)度和規(guī)劃系統(tǒng)能夠確定最佳調(diào)度或組合方案，這類系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于汽車運(yùn)輸調(diào)度，列車的編組與指揮，空中交通管制以及軍事指揮等系統(tǒng)。例如：(1) 空中交通控制系統(tǒng)空中交通控制系統(tǒng)。 隨著航空事業(yè)的發(fā)展，一個(gè)大型機(jī)場(chǎng)每天控制、管理成千架飛機(jī)的起降、導(dǎo)航，人工控制很難，空中交通控制系統(tǒng)能夠幫助安排飛機(jī)的起降，以最大限度保證安全和最小的延遲時(shí)間。60(2) 軍事指揮系統(tǒng)軍事指揮系統(tǒng) 現(xiàn)代軍事指揮離不開計(jì)算機(jī)科學(xué)的支持,如果沒有基于先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的軍事指揮系統(tǒng),那么軍官就變成了瞎子,軍事指揮也就變成了瞎指揮. 615模式識(shí)別系統(tǒng)模式識(shí)別系統(tǒng) 模式識(shí)別模式識(shí)別（Pattern Recognition）是AI最早和最重要的研究領(lǐng)域之一。 模式是一個(gè)內(nèi)涵極廣的