《大學(xué)信息技術(shù)（第三版）》計(jì)算思維

大學(xué)信息技術(shù)（第三版）2信息技術(shù)基礎(chǔ)1.1信息技術(shù)概述1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3計(jì)算思維1.4新一代信息技術(shù)1.5信息安全與信息素養(yǎng)31.3計(jì)算思維1.3.1計(jì)算思維概述1.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)1.3.3計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系1.3.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域1.3.5習(xí)題1.3.1計(jì)算思維概述“計(jì)算思維”是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授提出的一種理論。周以真認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)。周以真（英文名JeannetteM.Wing，），美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家。卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授。美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)計(jì)算與信息科學(xué)工程部助理部長(zhǎng)。ACM和IEEE會(huì)士。

1.3.1計(jì)算思維概述求解問題中的計(jì)算思維系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題求解人類行為理解建立問題模型選擇算法編程實(shí)現(xiàn)警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷，審訊記錄如下：A說：我不是小偷B說：c是小偷C說：小偷肯定是dD說：c在冤枉人四個(gè)人中，三個(gè)人說的是真話，一個(gè)人說的是假話，請(qǐng)問誰是小偷？6問題分析1依次假設(shè)每個(gè)人是小偷的情況一一代入四句供詞2依次檢驗(yàn)“四個(gè)人中三個(gè)人說真話，一個(gè)人說假話”是否成立3如果成立，小偷找到7數(shù)學(xué)建模將a,b,c,d四個(gè)人進(jìn)行編號(hào)為1,2,3,4。用變量x存放小偷的編號(hào)。依次將x=1,x=2,x=3,x=4代入問題系統(tǒng)，檢驗(yàn)“三真一假”是否成立。8計(jì)算1A說：我不是小偷2B說：c是小偷3C說：小偷肯定是d4D說：c在冤枉人5三真一假1X≠11or02X=31or03X=41or04X≠41or0539編程實(shí)現(xiàn)Forx=1to4If(x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3)thenPrintxNextx10計(jì)算機(jī)解題方法計(jì)算機(jī)解決問題步驟：理解問題，尋找解決問題的條件；從問題抽象出適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)解決這個(gè)數(shù)學(xué)模型的算法；按照算法編寫程序，并調(diào)試、測(cè)試、運(yùn)行程序，得到最終解答。問題發(fā)現(xiàn)問題分析問題預(yù)見問題解決問題11設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維

將系統(tǒng)中的變換過程映射為符號(hào)變換——形式化，然后就可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題求解人類行為理解121.3.1計(jì)算思維概述囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境問題描述警方逮捕了A、B兩名嫌疑犯，但沒有足夠證據(jù)指控二人有罪。于是警方分開囚禁嫌疑犯，并向雙方提供以下相同的選擇（如表所示）：（1）如果一人認(rèn)罪并檢控對(duì)方（背叛），而對(duì)方保持沉默，則此人將獲釋，沉默者將判監(jiān)禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），則二人同樣判監(jiān)1年。（3）如果二人都互相檢舉（背叛），則二人同樣判監(jiān)8年。策略A沉默（合作）A認(rèn)罪（背叛）B沉默（合作）二人同服刑1年A即時(shí)獲釋；B服刑10年B認(rèn)罪（背叛）A服刑10年；B即時(shí)獲釋A和B二人同服刑8年13囚徒困境——博弈策略建模囚徒的策略選擇困境兩名囚徒的選擇：（1）若對(duì)方沉默，背叛會(huì)讓我獲釋，所以我會(huì)選擇背叛。（2）若對(duì)方背叛我，我也要指控對(duì)方才能得到較低刑期，所以選擇背叛。結(jié)果：兩人都選擇背叛，結(jié)果二人服刑8年。如果兩個(gè)囚徒合作保持沉默，總體利益會(huì)更高。而兩個(gè)囚徒追求個(gè)人利益，選擇背叛時(shí)，總體利益較低。這就是困境所在。14囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學(xué)建模（1）策略的符號(hào)化將囚徒各種選擇獲得的收益和支付轉(zhuǎn)換為數(shù)值，獲得表所示符號(hào)表。符號(hào)分?jǐn)?shù)英文中文說明T5Temptation背叛收益單獨(dú)背叛成功所得R3Reward合作報(bào)酬共同合作所得P1Punishment背叛懲罰共同背叛所得S0Suckers受騙支付被單獨(dú)背叛所獲15囚徒困境——博弈策略建模（2）建立收益和支付矩陣根據(jù)以下規(guī)則確定博弈雙方的收益和支付：一人背叛，一人合作時(shí)，背叛者得5分（背叛收益），合作者得0分（受騙支付）；二人都合作時(shí)，雙方各得3分（合作報(bào)酬）；二人都背叛時(shí)，各得1分（背叛懲罰）。從表可見：5>3>1>0，得出：T>R>P>S。囚徒的收益和支付矩陣以符號(hào)表示的策略策略A合作A背叛策略A合作A背叛B合作A=3，B=3A=5，B=0B合作R，RT，SB背叛A=0，B=5A=1，B=1B背叛S，TP，P符號(hào)分?jǐn)?shù)T5R3P1S016囚徒困境——博弈策略建模（3）建立數(shù)學(xué)模型A=R，B=R時(shí)，A=3，B=3；A=T，B=S時(shí)，A=5，B=0；A=S，B=T時(shí)，A=0，B=5；A=P，B=P時(shí)，A=1，B=1。17囚徒困境——博弈策略建?！景咐可钪械摹扒敉嚼Ь场爆F(xiàn)象。幼兒園小朋友互相分享玩具（給他玩，不給他玩）；夫妻雙方對(duì)家庭的態(tài)度（忠誠(chéng)，背叛）；公共衛(wèi)生的維持（不扔垃圾，亂扔垃圾）；老板與下屬的關(guān)系（信任，不信任）；商場(chǎng)上的君子協(xié)定（不違約，違約）；競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的價(jià)格戰(zhàn)（不降價(jià)，降價(jià)）；國(guó)家之間的對(duì)抗（和平，戰(zhàn)爭(zhēng)）等。雖然括號(hào)內(nèi)的前者選擇是大家想要達(dá)到的目標(biāo)，但自私的結(jié)果往往是大家要接受后者。18人類行為中的計(jì)算思維

計(jì)算思維不僅能夠反映人類思維活動(dòng)，還能夠通過計(jì)算手段來研究人類的行為。系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題求解人類行為理解191.3.1計(jì)算思維概述例如：張女士孩子已經(jīng)上大學(xué)，為改善自己的居住條件，想在某樓盤買房。售樓員推薦7號(hào)樓的一套房子，推薦語如下：

7號(hào)在小區(qū)“樓王”位置，景觀好；距離X中學(xué)步行5分鐘；經(jīng)理在這棟樓共預(yù)留了8套，現(xiàn)在僅剩2套，且昨天已有客戶意向訂了一套；這套房還贈(zèng)送陽臺(tái)面積；價(jià)格上稍高于其他樓，這棟樓均價(jià)為9500元/m2，其他樓有9000元/m2、8500元/m2。人類行為中的計(jì)算思維首先按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中的“自頂向下，逐層分解”，利用信息的特征，將一個(gè)大問題分解為若干小問題；其次再將小問題細(xì)化，得出解決方案。

人類行為中的計(jì)算思維人類行為中的計(jì)算思維預(yù)置和緩存

小學(xué)生早晨去學(xué)校時(shí)，她把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)背包；回推小男孩弄丟他的手套時(shí)，你建議他沿走過的路回尋；多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型在超市付賬時(shí)你應(yīng)當(dāng)去排哪個(gè)隊(duì)呢？失敗的無關(guān)性和設(shè)計(jì)的冗余性

為什么停電時(shí)你的電話仍然可用？22重要理論計(jì)算思維的本質(zhì)：抽象、自動(dòng)化（程序、算法）計(jì)算思維能力：建立起利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的思路，并理解問題的可求解性。問題抽象、模型建立、算法設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)抽象自動(dòng)化231.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)1是概念化的抽象思維而不是程序設(shè)計(jì)抽象多層次思維計(jì)算機(jī)科學(xué)不等于計(jì)算機(jī)編程。所謂像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維，其含義不僅限于計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層面上思維。241.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)2是根本的而不是刻板的技能現(xiàn)代社會(huì)每個(gè)人都必須掌握的技能根本技能是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪寮寄芤馕吨鴻C(jī)械地重復(fù)。計(jì)算思維是一種創(chuàng)新能力。251.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)3是人的而不是計(jì)算機(jī)的思維方式人類賦予計(jì)算機(jī)以激情創(chuàng)造性的使用計(jì)算機(jī)計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，人類聰穎且富有想象力，人類賦予計(jì)算機(jī)以激情。配置了計(jì)算設(shè)備，就能用自己的智慧去解決那些計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問題。261.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)4是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界去打造各種系統(tǒng)。271.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)5是思想而不是人造物計(jì)算思維不僅體現(xiàn)在以物理形式呈現(xiàn)并時(shí)時(shí)刻刻觸及人們生活硬件、軟件等人造物上，更重要的是計(jì)算的概念，這種概念被人們用于問題求解、日常生活的管理以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。281.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)6面向所有人和所有地方計(jì)算思維已真正融入人類活動(dòng)的整體，而不再表現(xiàn)為一種顯示哲學(xué)，它作為一個(gè)問題解決的有效供給，需要在所有地方、所有學(xué)校的課堂教學(xué)中都得到應(yīng)用。291.3.2計(jì)算思維的本質(zhì)計(jì)算機(jī)促進(jìn)計(jì)算思維的研究與發(fā)展

計(jì)算機(jī)對(duì)信息的處理快速、記憶力強(qiáng)的特點(diǎn)，使得原本只能理論上實(shí)現(xiàn)的過程，變成實(shí)際可行的實(shí)現(xiàn)過程計(jì)算思維研究推動(dòng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在對(duì)計(jì)算思維的廣泛、深入研究過程中，逐步揭示出一些屬于計(jì)算思維的特點(diǎn)，計(jì)算思維與理論思維、驗(yàn)證思維的差異越來越明晰。計(jì)算思維的內(nèi)容得到不斷的豐富與發(fā)展。從思維的角度來說，計(jì)算科學(xué)主要研究計(jì)算思維的概念、方法和內(nèi)容，并發(fā)展成為解決問題的一種思維方式，極大地推動(dòng)了計(jì)算思維的發(fā)展。301.3.3計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系生物學(xué)腦科