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von zhang di Vor 8 Jahren

1897

1.计算机文化与计算机思维基础

计算机文化和思维的发展可以追溯到早期的计算工具,如算盘和巴贝奇发明的差分机。巴贝奇的差分机是用蒸汽驱动的,能够计算对数,并且对蒸汽朋克文化产生了深远影响。法国在18世纪末启动了人工编制《数学用表》的工程,虽然最终完成,但错误频出,这激发了巴贝奇发明计算机器的决心。差分运算通过简单的加法代替复杂的平方运算,巴贝奇制作了差分机1号,但差分机2号在他生前未能完成。后来的分析机是通用计算机的雏形,虽然使用蒸汽驱动,具备内存和程序语言,但由于技术限制,巴贝奇未能完成。

1.计算机文化与计算机思维基础

计算机文化与思维的基础

wawa

计算机的分类

按应用场景划分 或性能指标划分


过去的指标是按:巨型机,中型机,小型机,微机来划分的

服务器

网络环境中对外提供服务的计算机,以上四种计算机都可以做服务器

嵌入式计算机

嵌入到专业系统中应用的计算机,例如车床控制,电冰箱控制,数码相机等

微型计算机

包括个人电脑、台式机、笔记本和PDA(手机平板等)

工作站 介于PC和小型机之间的高档微机系统,

例如神舟战神GX10-SP7

高性能计算机 速度最快处理能力最强的计算机 过去也叫巨型机

超级计算机排行榜

目前第一:神威太湖之光 峰值性能125.436PFlops;持续性能93.015PFlops;性能功耗比6051MFlops/W, 一个 PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=10^15) 次的浮点运算。

按体系结构划分 或按逻辑门构架分
量子计算机
生物计算机
光计算机
冯诺依曼架构式计算机

计算机的应用

人工智能 Artificial Intellegence, AI
多媒体
计算机辅助XX
计算机辅助设计CAD, 计算机辅助制造CAM, 计算机集成制造系统CIMS, 计算机辅助教学CAI
过程控制
电子商务
数据处理
决策支持系统 Decision Support System, DSS
管理信息系统 Management Information System, MIS
电子数据处理 Electronic Data Processing, EDP
科学计算

计算机思维基础

简明说明本专业中计算思维应用的情况
计算思维的基本方法
在现实约束条件下进行“折中”

分布式系统的CAP定理

启发式推理

贝叶斯定理

优先保证可用性

饿了么网站的例子

陈述:对一个问题的相关方面建模使其容易处理

泡面

分解:将巨大复杂任务分割为可处理的小部分

快速反馈原理

递归:将一类方法推广的方法

汉诺塔

转化:将一个难解问题转换为易解问题

哥尼斯堡七桥问题

计算思维的基本问题
计算复杂度

计算复杂度一般用时间复杂度和空间复杂度两个标准来衡量

空间复杂度

时间复杂度

常见时间复杂度递增排序依次为:常数O(1), 对数阶O(logn), 线性阶O(n), 线性对数阶O(nlogn),平方阶O(n^2),K次方阶O(n^k),指数阶(2^n)

其中除了指数阶外,其他都可以归纳为多项式时间。

P与NP问题

NPC问题:最不可能被化简为P的决定性问题


如果找到一个多项式内能被解决的npc问题的解决方法,那么P=NP。

NP问题:只能在多项式时间内用非确定图灵机求解的判定性问题


P问题可以用多项式时间的确定性算法直接求解

NP问题 只能用多项式时间的确定性算法来检查和验证它的解

P问题:可以在多项式时间内用确定图灵机(即一般计算机)求解的问题

多项式时间O(n^k),此k为一常数值(依问题而定)

例如,汉诺塔问题,时间复杂度是O(2^n)

例如,哥尼斯堡七桥问题, 可以认为是图的遍历,时间复杂度是O(n)

可计算性

邱奇-图灵问题

一切直觉上能行、可计算的函数都是可用图灵机计算,图灵机可以计算就是可计算的

计算思维的本质
抽象和自动化

例:哥尼斯堡七桥问题


连通图可以一笔画的充要条件是:奇点的数目不是0 个就是2 个(连到一点的数目如是奇数条,就称为奇点,如果是偶数条就称为偶点,要想一笔画成,必须中间点均是偶点,也就是有来路必有另一条去路,奇点只可能在两端,因此任何图能一笔画成,奇点要么没有要么在两端)

三类科学思维
计算思维,又称构造思维,以设计和构造为特征,以计算机为代表
实验视为,又称实证思维,以观察和总结自然规律为特征,以物理学科代表
理论思维,又称推理思维,以推理和演绎为特征,以数学为代表

电子计算机的发展

冯诺依曼体系结构计算机 EDVAC
战后冯诺依曼计算机的发展

按计算工作环境划分

2006- 云计算

1991- 互联网

1971- 个人计算机

1946- 集中计算

以大型机、超级计算机为代表,目标是计算速度的提升和计算能力的提高。

按CPU元器件划分

1971至今 第四代:超大规模集成电路

1964-1970 第三代:集成电路

1957-1964 第二代:晶体管

1946-1957 第一代:电子管

计算机之父:冯诺依曼

至今应用最为普遍的计算机架构

计算机由五部分组成:运算器、控制器、存储器、输入、输出

提出内存思想,使用内存存储程序,可以自动连续第执行

采用二进制

Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC,1946)
用于美国海军计算弹道
每秒5000次加减运算
没有存储器,每次计算需要用布线板预先编辑计算程序
Atanasoff–Berry computer(ABC,1939)
1973年美国法院裁定撤销了ENIAC的专利. 认定ENIAC的主要思路来自于阿坦纳索夫
可计算理论模型:图灵机
阿兰图灵 Alan Turing

计算机业界的诺贝尔奖为 美国计算机学会设立的图灵奖

提出图灵测试,阐述了机器智能的概念

图灵关于人工智能的论文,标题为lovelace Countess's Opposition,引用了Ada Lovelace对人工智能的论断:此类计算机不会拥有智能

图灵则肯定机器可以思维的,他还对智能问题从行为主义的角度给出了定义,由此提出一假想:即一个人在不接触对方的情况下,通过一种特殊的方式,和对方进行一系列的问答,如果在相当长时间内,他无法根据这些问题判断对方是人还是计算机,那么,就可以认为这个计算机具有同人相当的智力,即这台计算机是能思维的。这就是著名的“图灵测试”(Turing Testing)。

建立了图灵机模型,奠定了可计算理论基础


可计算性理论起源于对数学基础问题的研究。1900年希尔伯特提出23个数学问题,20世纪20年代哥德尔提出不完备性定理证明 20世纪30年代,为了讨论是否对于每个问题都有解决它的算法,数理逻辑学家提出了几种不同的算法定义。K.哥德尔和S.C.克林尼提出了递归函数的概念,A.丘奇提出λ转换演算,但是这些数学演算非常繁琐难懂。因此,需要一种非形式化的描述简化对机械计算的理解。A.M.图灵和E.波斯特各自独立地提出了抽象计算机的概念。这样,就可以通过抽象计算机,把算法看作抽象计算机的程序。通常把那些存在算法计算其值的函数叫作可计算函数。因此,可计算函数的精确定义为:能够在抽象计算机上编出程序计算其值的函数。这样就可以讨论哪些函数是可计算的,哪些函数是不可计算的。最终算法的概念得以精确化。




可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论,也称算法理论或能行性理论。它通过建立计算的数学模型(例如图灵机),精确区分哪些是可计算的,哪些是不可计算的。计算的过程就是执行算法的过程。可计算性理论的重要课题之一,是将算法这一直观概念精确化。算法概念精确化的途径很多,

早期计算工具

巴贝奇 分析机

巴贝奇意识到差分机是专门用途的计算工具,因此他自1831年以后转而设计可运行通用程序的机械计算机——分析机。

分析机由蒸汽机驱动,大约有30米长、10米宽。它使用打孔纸带输入,采取最普通的十进制计数。
它的“内存”由同轴转轮制成。大约可以存储1000个50位的十进制数(20.7kB)。有一个算术单元可以进行四则运算、比较和求平方根操作。为这台机器设计的语言类似于今天的汇编语言,而且它被认为是图灵完全的。

但由于当时的技术条件所限,直到巴贝奇去世,也只做出分析机的部分模块,从来没有完全制成。直到1991年,伦敦博物馆才做出一个样品,但蒸汽驱动的完整分析机从来没有造出来过。2011年,伦敦博物馆打算搞个真的,但我在网上一直没搜到分析机确切实现的新闻。

图片为查理巴贝奇的儿子亨利巴贝奇在他父亲工作的基础上做的分析机部分模块,完成于1910。


采用十进制
有自己的编程语言,类似现在的汇编语言
输入输出采用打孔纸片
由许多轮子组成的数据存储库
巴贝奇 差分机

巴贝奇的差分机,以蒸汽为动力,可以计算对数的机器。对于蒸汽朋克文化是图腾一般的存在。

18世纪末,法国发起了一项宏大而艰巨的计算工程──人工编制《数学用表》,由于没有先进计算工具,法国数学界调集大批精兵强将,组成了人工手算的流水线,算了个天昏地暗,终于完成了17卷大部头书稿。有一天,巴贝奇与著名的天文学家赫舍尔一起,边看书稿中的天文数表边吐槽,发现居然错误百出,巴贝奇目噔口呆地喊道“天哪,但愿上帝知道,这些计算错误已经充斥弥漫了整个宇宙!”。。。。于是他决心要发明一个计算机器来拯救宇宙。

所谓差分,就是把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算。

Babbage’s Difference Engine #1 差分机(设计制造,成功)
Babbage’s Difference Engine #2 大型差分机(设计制造,失败)

1985年时,伦敦科学博物馆决定照着巴贝奇的图纸,打造一台完整的差分机2号,最后于2002年完工。视频显示的是伦敦科学博物馆的这台差分机。

史上第一个程序员:Ada Lovelace
查理 巴贝奇 Charlie Babbage

巴贝奇的差分机设计图

莱布尼茨式计算器
帕斯卡式加法器
计算尺
算盘

计算机发明的目的: 使人类从繁重的计算中解脱出来

祖冲之将圆周率山巅一寺一壶酒(3.14159),尔乐苦煞吾(26535)推导到小数点后7位花了15年。