計(jì)算機(jī)文化與計(jì)算機(jī)思維基礎(chǔ).ppt

大學(xué)計(jì)算機(jī),李君陽 447222141,第一章 計(jì)算機(jī)與信息社會(huì),1.1 引言 1.2 計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展 1.3 計(jì)算思維基礎(chǔ),教學(xué)說明,1. 學(xué)時(shí)：0學(xué)時(shí) 以自學(xué)為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹 2. 內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分代、分類、新技術(shù)、新型計(jì)算機(jī) 信息技術(shù)概念 現(xiàn)代信息技術(shù)的定義、內(nèi)容、特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 在各行各業(yè)中的應(yīng)用、應(yīng)用的類型 3. 考核：選擇題、填充題,1.1 引言,算 籌 春秋戰(zhàn)國時(shí)代，世界上最早的計(jì)算工具 算 盤 中國唐代 第一種手動(dòng)式計(jì)數(shù)器,人類在進(jìn)化過程中，發(fā)明和改進(jìn)了許許多多的計(jì)算工具。,計(jì)算尺 1622年，英國William Oughtred手動(dòng)式、減、乘、 除、指數(shù)和三角函數(shù)運(yùn)算 加法器 1642年，法國Blaise Pascal機(jī)械式，只能做加法 計(jì)算器 1673年，德國Gottfried Leibniz機(jī)械式，加、減、乘、除和開方,差分機(jī) 1812年，英國Charles Babbage 分析機(jī) 1834年，英國Charles Babbage 現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)的雛形,1.2計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展,在以機(jī)械方式運(yùn)行的計(jì)算機(jī)誕生百年之后，隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計(jì)算機(jī)開始了有機(jī)械向電子的進(jìn)化 1.2.1 計(jì)算機(jī)的誕生 1.2.2 計(jì)算機(jī)的分代 1.2.3 計(jì)算機(jī)的分類 1.2.4 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用 1.2.5 計(jì)算機(jī)文化,計(jì)算機(jī)科學(xué)奠基人 英國科學(xué)家 阿蘭.圖靈,1.2.1 計(jì)算機(jī)的誕生,1. 圖靈機(jī),姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年圖靈獎(jiǎng)得主，美國科學(xué)院院士，美國科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院院士，中國科學(xué)院外籍院士，清華大學(xué)高等研究中心教授,主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機(jī)模型，奠定可計(jì)算理論基礎(chǔ) 提出圖靈測試，闡述了機(jī)器智能的概念,美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(ACM)1966年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)（計(jì)算機(jī)界的諾貝爾）,圖靈機(jī)模型： 由無限長紙帶和讀寫頭組成紙帶用于無限存儲(chǔ)，讀寫頭可讀、寫和左右移動(dòng)。 圖靈機(jī)具有最強(qiáng)大的計(jì)算能力，其功能與高級程序設(shè)計(jì)語言等價(jià)。,如果電腦能在5分鐘內(nèi)回答由人類測試者提出的一系列問題，且其超過30%的回答讓測試者誤認(rèn)為是人類所答，則電腦通過測試。 回答了什么樣的機(jī)器具有智能， 奠定了人工智能的基礎(chǔ)。,在英國雷丁大學(xué)的“圖靈測試2014”中，電腦程序“尤金古斯特曼”成功“偽裝”成一名13歲男孩，通過了圖靈測試,機(jī)械姬,圖靈測試：,2. 世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)-ENIAC,1946年2月由賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC標(biāo)志著電子計(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),每秒5千次加減運(yùn)算 沒有存儲(chǔ)器 采用十進(jìn)制,長30.48米，寬6米，高2.4米，占地面積約170平方米，耗電量150千瓦。包含了17468根真空管7200根水晶二極管，1500 個(gè)中轉(zhuǎn)，70000個(gè)電阻器，10000個(gè)電容器，1500個(gè)繼電器，6000多個(gè)開關(guān),阿塔納索夫-貝瑞計(jì)算機(jī)（Atanasoff-Berry Computer，簡稱ABC）,缺點(diǎn) 一： 沒有存儲(chǔ)器 二： 布線接板控制 三： 除了體積大，耗電多以外，電子管易于損壞，18萬多個(gè)電子管,電子計(jì)算機(jī)之父： 美籍匈牙利數(shù)學(xué)家 馮.諾依曼,3. 馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī),馮.諾依曼體系計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)； 存儲(chǔ)程序； 由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。,主要貢獻(xiàn)： 與同事研制人類第二臺(tái)計(jì)算機(jī)EDVAC “存儲(chǔ)程序”概念 馮諾依曼計(jì)算機(jī) 奠定現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和工作原理,1.2.2 計(jì)算機(jī)的分代(按物理器械),電子管,晶體管,集成電路,大規(guī)模集成電路,1.2.3 計(jì)算機(jī)的分類,按綜合性能指標(biāo)分類,高性能計(jì)算機(jī)（巨型機(jī)或大型機(jī)）： 速度最快、處理能力最強(qiáng),工作站：介于PC與小型機(jī)之間高檔微機(jī)系統(tǒng) 高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強(qiáng),微型計(jì)算機(jī)： 臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板計(jì)算機(jī)等,服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個(gè)用戶提供服 務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),嵌入式計(jì)算機(jī)： 嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)，應(yīng)用最廣泛，數(shù)量超過PC。,“天河二號”是由國防科大研制的超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，以高于亞軍美國“泰坦”一倍之多的浮點(diǎn)運(yùn)算性能第五次成為全球最快超級計(jì)算機(jī),天河二號超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由170個(gè)機(jī)柜組成，占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運(yùn)行功耗17.8兆瓦。費(fèi)用30萬一天,科學(xué)計(jì)算,又稱數(shù)值計(jì)算，指用于完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計(jì)算。 電子計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。 科學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算量大且數(shù)值變化范圍大。 主要應(yīng)用于天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、核物力和天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。,1.2.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,數(shù)據(jù)處理,也稱非數(shù)值計(jì)算. 數(shù)據(jù)處理指對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，例如，分析、合并、分類、統(tǒng)計(jì)等。 與科學(xué)計(jì)算的不同在于數(shù)據(jù)處理涉及的數(shù)據(jù)量一般很大。 廣泛應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、企業(yè)管理、事務(wù)管理、情報(bào)檢索等方面。 科研：數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析 家庭：家庭信息化,電子商務(wù),利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的新型商務(wù)活動(dòng) B2B，交易雙方是企業(yè)與企業(yè)。如阿里巴巴 B2C，交易雙方是企業(yè)與消費(fèi)者。如京東 C2C，交易雙方是消費(fèi)者與消費(fèi)者。如淘寶 商務(wù)部公布2014年電子商務(wù)交易額(包括B2B和網(wǎng)絡(luò)零售)達(dá)到約13萬億元，同比增長25%。 應(yīng)用領(lǐng)域：電子政府,過程控制,又稱實(shí)時(shí)控制。 指用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，再按系統(tǒng)要求迅速的對控制對象進(jìn)行控制。 在冶金、石油、化工、紡織、水電、機(jī)械、航天等部門得到廣泛應(yīng)用。,計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng),包括CAD、CAM、CBE等。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD，即利用計(jì)算機(jī)幫助各類設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī) 輔助制造CAM，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的技術(shù)。 計(jì)算機(jī)輔助教育CBE，包括計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI。 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為中心的現(xiàn)代化信息技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)管理和產(chǎn)品開發(fā)制造的新一代制造系統(tǒng)，是CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ、PDMS、管理與決策、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫及質(zhì)量保證系統(tǒng)等子系統(tǒng)的技術(shù)集成,多媒體技術(shù),以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，將現(xiàn)代聲像技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，以追求更自然、更豐富的接口界面 教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育 娛樂：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技,人工智能,人工智能AI，一般指模擬人腦進(jìn)行演繹推理和采取決策的思維過程。 在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)一些定理和推理規(guī)則，然后設(shè)計(jì)程序，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)探索解決的方法。 人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的前沿科學(xué)。,1.2.5 計(jì)算機(jī)文化,人類社會(huì)的生存方式因使用計(jì)算機(jī)而發(fā)生根本性變化而產(chǎn)生的一種新文化形態(tài)，體現(xiàn)在以下方面： 物質(zhì)文化：計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備及其使用方法，滿足了人類生存和發(fā)展的需要。 非物質(zhì)文化：新的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)精神、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)等，由此產(chǎn)生新的語言、風(fēng)俗、道德、法律等。,1.3計(jì)算思維基礎(chǔ),1.3.1 計(jì)算思維概述 1.3.2 計(jì)算思維內(nèi)涵 1.3.3 計(jì)算思維的應(yīng)用,理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算是科學(xué)研究的三大方法，對應(yīng)的三大思維是理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(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)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。,實(shí)證思維（重現(xiàn)、自治、預(yù)見）實(shí)驗(yàn)：物理 邏輯思維（公理、規(guī)則、結(jié)論）推理：數(shù)學(xué) 計(jì)算思維（能行、構(gòu)造、模擬）使自動(dòng)：計(jì)算機(jī),1,本質(zhì)：抽象、自動(dòng)化,抽象：完全超越物理的時(shí)空觀，完全使用符號來表示 在哥尼斯堡的一個(gè)公園里，有七座橋?qū)⑵绽赘駹柡又袃蓚€(gè)島及島與河岸連接起來(如圖)。問是否可能從這四塊陸地中任一塊出發(fā)，恰好通過每座橋一次，再回到起點(diǎn)？,自動(dòng)化：機(jī)械地一步一步的執(zhí)行,1.3.1 計(jì)算思維概述,例子：求函數(shù)f(x)的積分。 高等數(shù)學(xué)方法：牛頓-萊布尼茲公式。 計(jì)算機(jī)方法：黎曼積分方法(區(qū)間等分求和)。,計(jì)算思維的關(guān)鍵：用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)世界,實(shí)驗(yàn)和理論思維無法解決的問題 復(fù)雜問題求解、宏大系統(tǒng)建立、大型工程組織都可以通過計(jì)算模擬來實(shí)現(xiàn) 核爆炸、蛋白質(zhì)生成、大型飛機(jī)、艦艇設(shè)計(jì),如何使用計(jì)算思維,利用計(jì)算手段求解問題的過程是： 首先要把實(shí)際的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題，可能是一組微分方程，然后建立模型、設(shè)計(jì)算法和編程實(shí)現(xiàn)，最后在實(shí)際的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行并求解 前兩步是計(jì)算思維中的抽象，后兩步是計(jì)算思維中的自動(dòng)化,2.計(jì)算思維的特征 計(jì)算思維是人的思維方式； 計(jì)算思維的過程可以由人執(zhí)行，也可以由計(jì)算機(jī)執(zhí)行； 計(jì)算思維是思想，不是人造物； 計(jì)算思維是概念化，不是程序化。,1.3.2 計(jì)算思維的內(nèi)涵,1. 計(jì)算思維的基本問題,可計(jì)算性：可以使用計(jì)算機(jī)在有限步內(nèi)解決的問題。 并不是所有問題都是可計(jì)算 的，如圖靈機(jī)的停機(jī)問題、歌 德巴赫猜想等是不可以計(jì)算的。,如何判定： 邱奇圖靈論題一切直覺上能行、可計(jì)算的函數(shù)都可用圖靈機(jī)計(jì)算，反之亦然,計(jì)算復(fù)雜性：用計(jì)算機(jī)求解問題的難易程度，包括時(shí)間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性。 如兩個(gè)n階矩陣相乘的時(shí)間復(fù)雜性是O(n3)。,圖靈測試：用以解決機(jī)器是否有智能的問題。 結(jié)果表明，目前計(jì)算機(jī)想和人類真正談話還比較困難。,矩陣相乘：,根據(jù)公式,計(jì)算C中的一個(gè)元素需要n次乘法和n-1次加法,所以計(jì)算C中所有的元素需要n3次乘法和n*n*（n-1）次加法。執(zhí)行乘法所需的時(shí)間數(shù)倍于加法。所以兩個(gè)矩陣的時(shí)間復(fù)雜性記為O(n3),2. 計(jì)算思維的基本方法,數(shù)學(xué)和工程的方法(黎曼積分、迭代、遞歸、大系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評估等)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法(如操作系統(tǒng)中處理死鎖的方法)。,分為七大類： 約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法； 遞歸方法； 抽象和分解方法； 根據(jù)問題建模的方法； 冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方法，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的方法； 啟發(fā)式推理方法； 折中處理的方法；(時(shí)間和空間的折中),當(dāng)你上課時(shí)，把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)背包，這就是預(yù)置和緩存； 當(dāng)你丟錢包，沿走過的路尋找，這就是回推； 在超市付帳時(shí)，你應(yīng)當(dāng)去排哪個(gè)隊(duì)呢？這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型； 為什么停電時(shí)你的電話仍然可用？這就是失敗的無關(guān)性和設(shè)計(jì)的冗余性；,1.3.3 計(jì)算思維的應(yīng)用,計(jì)算物理：采用數(shù)值模擬方法，作為探索自然規(guī)律的工具。 計(jì)算化學(xué)：根據(jù)基本的物理化學(xué)理論，以大量數(shù)值運(yùn)算探討化學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)。 計(jì)算生物學(xué)：應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論方法建模，計(jì)算機(jī)仿真，研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會(huì)群體系統(tǒng)的學(xué)科。 計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)：一切與經(jīng)濟(jì)研究有關(guān)的計(jì)算。,