第1章 計算機與計算思維

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

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

3、8341834年，英國年，英國Charles BabbageCharles Babbagen 計算機計算機 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年差分機年差分機 18341834年分析機年分析機 差分機和分析機（差分機和分析機（計算機的直系祖先計算機的直系祖先）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)的存儲庫；由許多輪子組成的保存數(shù)據(jù)的存儲庫；(2)(2)運算裝置；運算裝置；(3)(3)能對操作順序進(jìn)行控制，并選擇所需處理的能對操作順序進(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計算機科學(xué)奠基人計算機科學(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算機之父：電子計算機之父：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算機學(xué)會美國計算機學(xué)會(ACM)1966(ACM)1966年設(shè)立年設(shè)立圖靈獎圖靈獎主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的 基礎(chǔ)基礎(chǔ) 提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念 主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 與同事研制人類第二臺計算機與同事研制人類第二臺計算機EDVACEDVAC “存儲程序存儲程序”概念概念 馮

5、馮諾依曼計算機諾依曼計算機 奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理奠定了現(xiàn)代計算機體系結(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電子計算機的問世電子計算機的問世 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電子計算機時代的到來。電子計算機時代的到來。 Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計算機電子數(shù)字積分計算機

6、重達(dá)重達(dá)3030噸噸占地占地250m250m2 2啟動工耗啟動工耗150000150000瓦瓦1800018000個電子管個電子管:每秒每秒5 5千次加減運算千次加減運算:沒有存儲器沒有存儲器: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計算機500強排行榜中國“天河二號天河二號”獲全球超級計算機500強三連冠 Top1 “天河二號”中國（運算速度為每秒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驗室（每秒17.59千萬億次）Top3 “紅杉”美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（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”美國阿爾貢國家實驗室（每秒8.59千萬億次） LINPACK是線性系統(tǒng)軟件包線性系統(tǒng)軟件包測試天河二號天河二號每秒5.49億億次雙精度浮點運算峰值速度每秒3.39億億次Linpack測試性能系統(tǒng)存儲總?cè)萘肯喈?dāng)于600億冊每冊10萬字圖書計算機對我們產(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 事實上81.1計算與計算科學(xué)計算與計算科學(xué)l1.1.1 計算與數(shù)字化計算與數(shù)字化“計算不再只和計算機有關(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)九十年代紐約時報排行榜中

8、的暢銷書。 9計算已經(jīng)改變了科學(xué)家們的思考方式l計算生物學(xué)改變著生物學(xué)家的思考方式；l計算博弈理論改變著經(jīng)濟學(xué)家的思考方式；l納米計算改變著化學(xué)家的思考方式；l計算物理學(xué)改變著物理學(xué)家的思考方式；l數(shù)學(xué)機械化改變數(shù)學(xué)家的思考方式；l社會計算改變著社會學(xué)家的思考方式等等。10什么是計算？ 計算的本質(zhì)計算的本質(zhì)是基于規(guī)則的符號串變換，更廣義的說，計算是基于規(guī)則的物理狀態(tài)的變換。l 1+3+4這樣的數(shù)學(xué)運算可以說是我們最容易認(rèn)同的計算；l 而將一段中文文章翻譯成英文也就是計算，因為其實質(zhì)是在保持語義不變的前提下，將一串中文符號變換成對應(yīng)的英文符號；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算。 11 計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 計算生物學(xué)計算生物學(xué)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、數(shù)學(xué)建模和計算機仿真技術(shù)，來研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會群體系統(tǒng)。l 計算經(jīng)濟學(xué)計算經(jīng)濟學(xué)運用計算思想分析和綜合經(jīng)濟問題，進(jìn)行問題分析、模型研究及決策，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，計算思想在諾貝爾獎獲獎理論中占到70%以上的比例。12l 計算物理學(xué)計算物理學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科。利用計算機大存儲量和快速計算的有利條件，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，通過計算機來模擬。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等

10、。目前，實驗物理學(xué)、理論物理學(xué)和計算物理學(xué)已經(jīng)步入一個三強鼎立的時代。13l 社會計算學(xué)科社會計算學(xué)科根據(jù)社會科學(xué)理論，以計算技術(shù)為工具，研究人類社會的組成、關(guān)系、結(jié)構(gòu)、層次、行為、運動等問題，研究社會媒體，促進(jìn)社會人群的交流與合作。l 計算也在改變著人們的工作方式，數(shù)字化會議數(shù)字化會議為分布于世界各地的公司提供遠(yuǎn)程會議支持，創(chuàng)造出天涯若比鄰的工作場景。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，在對于效果滿意之后再進(jìn)行實際投產(chǎn)。141.1.2 計算科學(xué)計算科學(xué) 計算科學(xué)是研究計算技術(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。 計算技術(shù)發(fā)展到當(dāng)今，其特征日益體現(xiàn)出以下特點：l計算手段的器械化，l計算過程的形式化，l計算執(zhí)行的自動化，l計算對象的泛在化。 15l計算過程的形式化是計算自動執(zhí)行的前提。人們首先需要對于計算問題進(jìn)行抽象，對其實現(xiàn)形式化的表示；l其次，對于計算過程往往需要設(shè)計算法，并完成程序設(shè)計；l最后由計算機進(jìn)行程序運行而得到期望的處理結(jié)果。 16 應(yīng)用計算科學(xué)處理問題時是可能有誤差的，誤差的來源：l可能來自于模型模型l也可能來自于計算工具計算工具。 17計算科學(xué)的研究內(nèi)容計算科學(xué)的研究內(nèi)容 計算科學(xué)的研究內(nèi)容：l算法l可計算性l算法的實現(xiàn)問題。 18l算法是對計算機上執(zhí)行的計算過程的具體描述。

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是兩個正整數(shù)，并且mn時，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，可計算出任何兩個正整數(shù)的最大公因子。 2021 /*例：求兩個正整數(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(請輸入請輸入m和和n的值的值:);scanf(%d%d,&m,&n);M=m;N=n;if(m=0)|(n=0)printf(輸入錯誤輸入錯誤!請重新輸入請重新輸入!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可以把計算過程看成執(zhí)行這些步驟的序列。我們發(fā)現(xiàn)，計算過程是有窮的有窮的，而且計算的每一步都是能夠機械實現(xiàn)的（機械性）（機械性）。23l可計算性是指一個實際問題是否可以使用計算機來解決l一個可以使用計算機解決的問題應(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“可計算問題”之列的，因為計算機沒有辦法給出數(shù)學(xué)意義上的證明。l不能期待計算機能解決世界上所有的問題。241.2計算思維計算思維 計算思維計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念

15、進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，計算思維已經(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)思維邏輯思維實證思維計算思維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（包括人類社會活動）規(guī)律為特征的實證思維實證思維。2以推理和演繹為特征的邏輯思維邏輯思維。3以抽象化和自動化為特征的計算思維計算思維。27實證思維實證思維 實證思維實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)中第一個有意識地將自然觀察總結(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)代實證主義的科學(xué)體系，強調(diào)通過觀察和實驗（實驗是把自然現(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實證思維要符合三點原則：實證思維要符合三點原則：l第一是可以解釋以往的實驗現(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)得起實驗的驗證。 29邏輯思維邏輯思維l邏輯思維的研究起源于希臘時期，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計算思維計算思維l計算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和計算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和自動化，或者說以形式化、程序化和機械自動化，或者說以形式化、程序化和機械化為特征的思維形式化為特征的思維形式。 l計算思維也是與人類思維活動同步發(fā)展的思維模式，但是計算思維概念的明確和建立卻經(jīng)歷了較

18、長的時期。 32l計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。計算思維的抽象化不僅表現(xiàn)為研究對象的形式化表示，也隱含這種表示應(yīng)具備有限性、程序性和機械性。l因此，可以說形式化形式化、程序化程序化和和機械化機械化作作為計算思維的特征為計算思維的特征。331.2.2 計算思維計算思維計算思維的標(biāo)志計算思維的標(biāo)志是有限性，確定性和機械性。l 計算思維表達(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)中表示一個極限，是用一個自變量趨向于無窮來定義一個代數(shù)式的值，這種方式在計算思維中是不允許的）；l 語義必須是確定的，在理解上不會出現(xiàn)因人而異、因環(huán)境而異的歧義性；l 必須是一種機械的方式

19、，可以通過機械的步驟來實現(xiàn)。這三種標(biāo)志是計算思維區(qū)別于其他兩種思維的關(guān)鍵。34應(yīng)用計算思維對問題的處理方法是：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：在一個高考成績列表s1,s2,sn中查找考號為10011087的學(xué)生的成績 。問題分析：如何利用計算機來完成這樣一個任務(wù)？36l 把一個班級的學(xué)生信息存在計算機的存儲器中，要求完成：用戶從鍵盤上輸入要查找的學(xué)生學(xué)號10011087，屏幕顯示該學(xué)生的成績。l 設(shè)計一個算法完成這個查找過程，那么這個算法的思想和人工查找是基本一致的，即逐個對比逐個對比s1,s2,sn，l 如果其中某一個的學(xué)號值與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)號都不與key匹配，則說明沒有要找的這個學(xué)生，稱為查找失敗，結(jié)束查找過程。37例2： 在一個按照學(xué)號升序排列學(xué)號升序排列的班級花名冊s1,s2,sn中查找學(xué)號為1001的學(xué)生。分析：如果設(shè)計一個算法，在一個按照學(xué)號有序序列中完成查找指定的學(xué)號1001，設(shè)待查找的學(xué)號為key，我們?nèi)匀豢梢岳美?中的算法實現(xiàn)。然而，如果利用學(xué)生信息存儲的有序性這一特點，我們可以設(shè)計一個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)定三個變量，i，j，m，其中，i=1，j=n，m=（i+j）/2Step 2：當(dāng)ij成立時，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)號的學(xué)生。39l本例可以看出，算法和數(shù)據(jù)的存儲是具有緊密關(guān)系的，對數(shù)據(jù)的組織方式不同，算法的設(shè)計就可能不同。40l計算思維方式對解決的問題，往往需要經(jīng)過問題的抽象化，問題的符號化表示，問題的問題的抽象化，問題的符號化表示，問題的求解算法，算法的實現(xiàn)求解算法，算法的實現(xiàn)這幾個步驟。l應(yīng)用問題的解決是需要構(gòu)造一個如上的算法，該算法的特點是必須在有限的步驟內(nèi)結(jié)束。l可以看出，算法往往具有機械性、重復(fù)性，而算法的每個步驟都

22、是具有確定性的。l算法針對一定數(shù)據(jù)組織的執(zhí)行就可以得到有益的結(jié)果。 41l計算思維也可以叫做構(gòu)造思維計算思維也可以叫做構(gòu)造思維，只是由于計算機的發(fā)展極大促進(jìn)了這種思維的研究和應(yīng)用，并且在計算機科學(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)慣地叫做計算思維 l計算思維是一直存在的一種固有科學(xué)思維方式，只是計算機的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了計算思維的應(yīng)用。421.2.3 計算機的出現(xiàn)強化了計算思維的計算機的出現(xiàn)強化了計算思維的作用作用 計算機的出現(xiàn)，給計算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化，計算機所具有的對計算機所具有的對信息和符號信息和符號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現(xiàn)的處理

23、過程變成了可以實現(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，借助計算機可以實現(xiàn)從想法到產(chǎn)品整個過程的自動化、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研究一個問題如何變換成為能夠用計算機研究一個問題如何變換成為能夠用計算機求解的方式以及如何利用計算機解決問題求解的方式以及如何利用計算機解決問題，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 計算思維對其他學(xué)科的影響計算思維對其他學(xué)科的影響l在很長一段時間里，計算思維的研究是作為數(shù)學(xué)思維的一部分進(jìn)行的，對于計算思維本身的認(rèn)識和研

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

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

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

27、的主要特點是它屬于控制流型。在這種結(jié)構(gòu)中，一項計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為了在計算機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)計方面的研究工作，在相當(dāng)長的時間內(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”。軟件危機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，在計算機科學(xué)領(lǐng)域一個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化，而形式化的目的在于自動化。 531.3.2計算機科學(xué)與其他學(xué)科的交叉與融合 計算機科學(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，說明計算機科學(xué)與其他學(xué)科的融合所迸發(fā)出的廣闊研究興趣，以及對相關(guān)學(xué)科產(chǎn)生的巨大推動力。54什么是人工智能?l如果機器能夠完成這些任務(wù)的一部分，那么就可以認(rèn)為機器已經(jīng)具有某種程度的“人工智能”。l人工智能是用計算機模擬人的智能，特別是模擬思維活動的技術(shù)及其

29、有關(guān)理論。 圖靈測試圖靈測試 201455人工智能應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)成為計算機科學(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)出文字識別和語言識別系統(tǒng)，能夠配合進(jìn)行書面語言和有聲語言的識別與理解。 現(xiàn)在已有智能翻譯

30、系統(tǒng)，你可對它說話，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)就能夠獨立的驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制。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、硬件的計算機控制系統(tǒng)或計算機

31、信息系統(tǒng)。在AI中，智能化的軟、硬件計算機控制系統(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)、自主機器人控制系統(tǒng)、人機結(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）。現(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、計費、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：如何在短時間內(nèi)判斷是否允許顧客使用他的信用卡？一般，需要一個系統(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，一個大型機場每天控制、管理成千架飛機的起降、導(dǎo)航，人工控制很難，空中交通控制系統(tǒng)能夠幫助安排飛機的起降，以最大限度保證安全和最小的延遲時間。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算機科學(xué)的支持,如果沒有基于先進(jìn)計算機技術(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模式識別系統(tǒng)模式識別系統(tǒng) 模式識別模式識別（Pattern Recognition）是AI最早和最重要的研究領(lǐng)域之一。 模式是一個內(nèi)涵極廣的