1、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 引言引言1.2 計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展 1.3 計(jì)算思維基礎(chǔ)計(jì)算思維基礎(chǔ)教學(xué)說明教學(xué)說明 1. 1. 學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：0 0學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 以自學(xué)為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹以自學(xué)為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹 2. 2. 內(nèi)容：內(nèi)容：計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(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)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)概念信息技術(shù)概念現(xiàn)代信息技術(shù)的定義、內(nèi)容、特點(diǎn)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)用的類型在各行各業(yè)中的應(yīng)用、應(yīng)用的類型 3. 3.

2、 考核：選擇題、填充題考核：選擇題、填充題 1.1 引言引言 算算 籌籌 春秋戰(zhàn)國時(shí)代，世界上最早的計(jì)算工具春秋戰(zhàn)國時(shí)代，世界上最早的計(jì)算工具 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。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Char

3、les 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1.2.1 1.2.1 計(jì)算機(jī)的誕生計(jì)算機(jī)的誕生1. 圖靈機(jī)圖靈機(jī)姚期智姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年圖靈獎(jiǎng)得主，美國科學(xué)年圖靈獎(jiǎng)得主，美國科學(xué)院院士，美國科學(xué)與藝

4、術(shù)學(xué)院院士，中國科學(xué)院外籍院士，清院院士，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)高等研究中心教授華大學(xué)高等研究中心教授主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)： 建立圖靈機(jī)模型，奠定可計(jì)算建立圖靈機(jī)模型，奠定可計(jì)算理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智提出圖靈測(cè)試，闡述了機(jī)器智能的概念能的概念美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)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）年設(shè)立圖靈獎(jiǎng)（計(jì)算機(jī)界的諾貝爾）圖靈機(jī)模型：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)，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)。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

5、級(jí)程圖靈機(jī)具有最強(qiáng)大的計(jì)算能力，其功能與高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言等價(jià)。序設(shè)計(jì)語言等價(jià)。如果電腦能在如果電腦能在5 5分鐘內(nèi)回答由人類測(cè)試者提出的一分鐘內(nèi)回答由人類測(cè)試者提出的一系列問題，且其超過系列問題，且其超過30%30%的回答讓測(cè)試者誤認(rèn)為是人類的回答讓測(cè)試者誤認(rèn)為是人類所答，則電腦通過測(cè)試。所答，則電腦通過測(cè)試?；卮鹆耸裁礃拥臋C(jī)器具有智能，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)奠定了人工智能的基礎(chǔ)。在英國雷丁大學(xué)的在英國雷丁大學(xué)的“圖靈測(cè)圖靈測(cè)試試2014”中，電腦程序中，電腦程序“尤金尤金古古斯特曼斯特曼”成功成功“偽裝偽裝”成一名成一名13歲歲男孩，通過了圖靈測(cè)試男孩，通過了圖靈測(cè)

6、試機(jī)械姬機(jī)械姬圖靈測(cè)試：圖靈測(cè)試：2. 2. 世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)-ENIAC-ENIAC19461946年年2 2月由賓夕法尼亞大學(xué)研月由賓夕法尼亞大學(xué)研制制ENIACENIAC標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來的到來 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)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)制長長30.4830.48米，寬米，寬6 6米，高米，高2.42.4米，米，占地面積約占地面積約170170平方米，耗電量平方米，耗電量1

7、50150千瓦。包含了千瓦。包含了1746817468根真空根真空管管72007200根水晶二極管，根水晶二極管，1500 1500 個(gè)個(gè)中轉(zhuǎn)，中轉(zhuǎn)，7000070000個(gè)電阻器，個(gè)電阻器，1000010000個(gè)電容器，個(gè)電容器，15001500個(gè)繼電器，個(gè)繼電器，60006000多個(gè)開關(guān)多個(gè)開關(guān)阿塔納索夫阿塔納索夫- -貝瑞計(jì)算機(jī)貝瑞計(jì)算機(jī)（Atanasoff-Berry Atanasoff-Berry ComputerComputer，簡稱，簡稱ABCABC）缺點(diǎn)一：一：沒有存儲(chǔ)器沒有存儲(chǔ)器二：二：布線接板控制布線接板控制三：三： 除了體積大，耗電多以外，電子管易于損除了體積大，耗電多以外

8、，電子管易于損壞，壞，1 18 8萬多個(gè)電子管萬多個(gè)電子管電子計(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3. 3. 馮馮. .諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)馮馮. .諾依曼體系計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)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)；采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)； 存儲(chǔ)程序；存儲(chǔ)程序； 由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、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。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。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)EDVAC “存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”概念概念 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī) 奠定現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

9、體系結(jié)構(gòu)和工作原理奠定現(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)的分代計(jì)算機(jī)的分代(按物理器械按物理器械)電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路時(shí)代年份器件軟件運(yùn)算速度應(yīng)用一一 46-5846-58電子管電子管機(jī)器語言匯編語機(jī)器語言匯編語言言 幾千次幾千次科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算二二58-6458-64晶體管晶體管高級(jí)語言高級(jí)語言幾十萬次幾十萬次數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理工業(yè)控制工業(yè)控制 三三64-7164-71集成電路集成電路操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)幾百萬次幾百萬次文字處理文字處理圖形處理圖形處理四四7171年迄今年迄今大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)等 億億

10、次億億次社會(huì)的各個(gè)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)域1.2.3 1.2.3 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 按綜合性能指按綜合性能指標(biāo)分類標(biāo)分類高性能計(jì)算機(jī)（巨型機(jī)或大型機(jī)）：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)速度最快、處理能力最強(qiáng)工作站工作站：介于介于PCPC與小型機(jī)之間高檔微機(jī)系統(tǒng)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)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)微型計(jì)算機(jī)： 臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板計(jì)算臺(tái)式機(jī)、筆記本、平板計(jì)算機(jī)等機(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)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個(gè)用戶提供服服 務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按用途分類按用途分類通用機(jī)通用機(jī)專用機(jī)

11、專用機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)：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)量超過廣泛，數(shù)量超過PCPC?！疤旌佣?hào)天河二號(hào)”是由國防科大研是由國防科大研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值制的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒計(jì)算速度每秒5.495.49億億次、持億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒續(xù)計(jì)算速度每秒3.393.39億億次雙億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，以高于亞軍美國榜首，以高于亞軍美國“泰坦泰坦”一倍之多的浮點(diǎn)運(yùn)算性能第一倍之多的浮點(diǎn)運(yùn)算性能第五次成為全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)五次成為全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)系天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)

12、系統(tǒng)由統(tǒng)由170170個(gè)機(jī)柜組成，個(gè)機(jī)柜組成，占地面積占地面積720720平方米，平方米，內(nèi)存總?cè)萘績?nèi)存總?cè)萘?4001400萬億字萬億字節(jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘抗?jié)，存儲(chǔ)總?cè)萘?240012400萬億字節(jié)，最大運(yùn)行功萬億字節(jié)，最大運(yùn)行功耗耗17.817.8兆瓦。費(fèi)用兆瓦。費(fèi)用3030萬萬一天一天科學(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)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。學(xué)問題的計(jì)算。電子計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。電子計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?？茖W(xué)計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算量大且數(shù)值變化范圍大?？茖W(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)

13、、核物力和天氣主要應(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。預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。1.2.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用數(shù)據(jù)處理也稱非數(shù)值計(jì)算也稱非數(shù)值計(jì)算. .數(shù)據(jù)處理指對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，例如，分析、合數(shù)據(jù)處理指對(duì)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。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。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。等方面?？蒲校簲?shù)據(jù)采集、計(jì)算分析科研：數(shù)據(jù)采集、計(jì)算分析家庭：家庭信息化家庭：家庭信息化

14、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)利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的新型商務(wù)活動(dòng)B2BB2B，交易雙方是企業(yè)與企業(yè)。如阿里巴巴，交易雙方是企業(yè)與企業(yè)。如阿里巴巴B2CB2C，交易雙方是企業(yè)與消費(fèi)者。如京東，交易雙方是企業(yè)與消費(fèi)者。如京東C2CC2C，交易雙方是消費(fèi)者與消費(fèi)者。如淘寶，交易雙方是消費(fèi)者與消費(fèi)者。如淘寶商務(wù)部公布商務(wù)部公布20142014年電子商務(wù)交易額年電子商務(wù)交易額( (包括包括B2BB2B和和網(wǎng)絡(luò)零售網(wǎng)絡(luò)零售) )達(dá)到約達(dá)到約1313萬億元，同比增長萬億元，同比增長25%25%。應(yīng)用領(lǐng)域：電子政府應(yīng)用領(lǐng)域：電子政府過程控制又稱實(shí)時(shí)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(chǎng)數(shù)據(jù)，將

15、數(shù)據(jù)處理后，指用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，再按系統(tǒng)要求迅速的對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。再按系統(tǒng)要求迅速的對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。在冶金、石油、化工、紡織、水電、機(jī)械、航天在冶金、石油、化工、紡織、水電、機(jī)械、航天等部門得到廣泛應(yīng)用。等部門得到廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)包括包括CADCAD、CAMCAM、CBECBE等。等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CADCAD，即利用計(jì)算機(jī)幫助各類設(shè)計(jì)人員進(jìn)，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)行設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 輔助制造輔助制造CAMCAM，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、，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)?？刂坪筒僮鞯募夹g(shù)。計(jì)算機(jī)輔助教育計(jì)算

16、機(jī)輔助教育CBECBE，包括計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，包括計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAICAI。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)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CADCAD、CAPPCAPP、CAMCAM、CAECAE、CAQCAQ、PDMSPDMS、管理與決策、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)、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

17、的接口界面術(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)程教育教育：多媒體教育、遠(yuǎn)程教育娛樂：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技娛樂：虛擬現(xiàn)實(shí)、電影特技 人工智能人工智能人工智能AIAI，一般指模擬人腦進(jìn)行演繹推理和采取，一般指模擬人腦進(jìn)行演繹推理和采取決策的思維過程。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。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)。人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的前沿科學(xué)。1.2.5 1.2.5 計(jì)算機(jī)文化計(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)生根本性人

18、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：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。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、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。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(duì)應(yīng)理論、實(shí)

19、驗(yàn)和計(jì)算是科學(xué)研究的三大方法，對(duì)應(yīng)的三大思維是理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。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)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)?？茖W(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)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)計(jì)算思維（能行、構(gòu)造、模擬）使自動(dòng)：計(jì)算機(jī)1,1,本質(zhì)：抽象、

20、自動(dòng)化本質(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(hào)來表示抽象：完全超越物理的時(shí)空觀，完全使用符號(hào)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)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島及島與河岸連接起來( (如圖如圖) )。問是否可能從這四塊陸地。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)？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)行自動(dòng)化：機(jī)械地一步一步的執(zhí)行1.3.1 1.3.1 計(jì)算思維概述計(jì)算思維概述 例子：求函數(shù)例子：求函數(shù)f(x)f(x)的積分。的積分。 高等數(shù)學(xué)方法：牛頓高

21、等數(shù)學(xué)方法：牛頓- -萊布尼茲公式。萊布尼茲公式。 計(jì)算機(jī)方法：黎曼積分方法計(jì)算機(jī)方法：黎曼積分方法( (區(qū)間等分求和區(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)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)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

22、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2.2.計(jì)算思維的特征計(jì)算思維的特征 計(jì)算思維是人的思維方式；計(jì)算思維是人的思維方式； 計(jì)算思維的過程可以由人執(zhí)行，也可計(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；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)算思維是思想，不是人造物； 計(jì)算思維是概念化，不是程序化。計(jì)算思維是概念化，不是程序化。1.3.2 1.3.2 計(jì)算思維的內(nèi)涵計(jì)算思維的內(nèi)涵 1. 1. 計(jì)算思維的基本問題計(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。題。 并不是所有問題都是可計(jì)算并不是所有問題都

23、是可計(jì)算的，如圖靈機(jī)的停機(jī)問題、歌的，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。德巴赫猜想等是不可以計(jì)算的。如何判定：如何判定：邱奇圖靈論題邱奇圖靈論題一切一切直覺上能行、可計(jì)算的函數(shù)直覺上能行、可計(jì)算的函數(shù)都可用圖靈機(jī)計(jì)算，反之亦都可用圖靈機(jī)計(jì)算，反之亦然然 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)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。雜性和空間復(fù)雜性。 如兩個(gè)如兩個(gè)n n階矩陣相乘的時(shí)間復(fù)雜性是階矩陣相乘的時(shí)間復(fù)雜性是O(nO(n3 3) )。 圖靈測(cè)試：用以解決機(jī)器是否有智能的問題。圖靈測(cè)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。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：矩陣相乘：nkkjikijbac1nnnnnnBAC根據(jù)公式根據(jù)公式計(jì)算計(jì)算C中的一個(gè)元素需要中的一個(gè)元素需要n次乘法和次乘法和n-1次加法次加法所以計(jì)算所以計(jì)算C中所有的元素需要中所有的元素需要n3次乘法和次乘法和n*n*（n-1）次加法。執(zhí)行乘法）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. 2. 計(jì)算思維的基本方法計(jì)算思維的基本方法 數(shù)學(xué)和工程的方法數(shù)學(xué)和工程的方法( (黎曼