計算機文化與計算機思維基礎(chǔ).ppt

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1、大學(xué)計算機,李君陽 447222141,第一章 計算機與信息社會,1.1 引言 1.2 計算機的誕生與發(fā)展 1.3 計算思維基礎(chǔ),,教學(xué)說明,1. 學(xué)時：0學(xué)時 以自學(xué)為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹 2. 內(nèi)容： 計算機的發(fā)展 計算機的發(fā)展、分代、分類、新技術(shù)、新型計算機 信息技術(shù)概念 現(xiàn)代信息技術(shù)的定義、內(nèi)容、特點 計算機的應(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)國時代，世界上最早的計算工具 算 盤 中國唐代 第一種手動式計數(shù)器,人類在進化過程中，發(fā)明和改進了許許多多的計算工具。,計算尺 1622年，英國William Oughtred手

2、動式、減、乘、 除、指數(shù)和三角函數(shù)運算 加法器 1642年，法國Blaise Pascal機械式，只能做加法 計算器 1673年，德國Gottfried Leibniz機械式，加、減、乘、除和開方,差分機 1812年，英國Charles Babbage 分析機 1834年，英國Charles Babbage 現(xiàn)代通用計算機的雛形,1.2計算機的誕生和發(fā)展,在以機械方式運行的計算機誕生百年之后，隨著電子技術(shù)的突飛猛進，計算機開始了有機械向電子的進化 1.2.1 計算機的誕生 1.2.2 計算機的分代 1.2.3 計算機的分類 1.2.4 計算機的應(yīng)用 1.2.5 計算機文化,計算機科學(xué)奠基人

3、英國科學(xué)家 阿蘭.圖靈,1.2.1 計算機的誕生,1. 圖靈機,姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年圖靈獎得主，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： 建立圖靈機模型，奠定可計算理論基礎(chǔ) 提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念,美國計算機學(xué)會(ACM)1966年設(shè)立圖靈獎（計算機界的諾貝爾）,圖靈機模型： 由無限長紙帶和讀寫頭組成紙帶用于無限存儲，讀寫頭可讀、寫和左右移動。 圖靈機具有最強大的計算能力，其功能與高級程序設(shè)計語言等價。,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

4、認(rèn)為是人類所答，則電腦通過測試。 回答了什么樣的機器具有智能， 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,機械姬,圖靈測試：,2. 世界上第一臺電子計算機--ENIAC,1946年2月由賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC標(biāo)志著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,每秒5千次加減運算 沒有存儲器 采用十進制,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720

5、0根水晶二極管，1500 個中轉(zhuǎn)，70000個電阻器，10000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關(guān),阿塔納索夫-貝瑞計算機（Atanasoff-Berry Computer，簡稱ABC）,缺點 一： 沒有存儲器 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，18萬多個電子管,電子計算機之父： 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)計算機,馮.諾依曼體系計算機的特點 采用二進制表示數(shù)據(jù)； 存儲程序； 由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。,主要貢獻： 與同事研制人類第二臺計算機EDVAC “存儲程序”概念 馮諾依曼計算機 奠定現(xiàn)代

6、計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理,1.2.2 計算機的分代(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 計算機的分類,,按綜合性能指標(biāo)分類,,,,,,高性能計算機（巨型機或大型機）： 速度最快、處理能力最強,工作站：介于PC與小型機之間高檔微機系統(tǒng) 高分辨率、大容量內(nèi)外存，圖形功能較強,微型計算機： 臺式機、筆記本、平板計算機等,服務(wù)器：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個用戶提供服 務(wù)的計算機系統(tǒng),,嵌入式計算機： 嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的計算機，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算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次

7、雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首，以高于亞軍美國“泰坦”一倍之多的浮點運算性能第五次成為全球最快超級計算機,天河二號超級計算機系統(tǒng)由170個機柜組成，占地面積720平方米，內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié)，存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié)，最大運行功耗17.8兆瓦。費用30萬一天,科學(xué)計算,又稱數(shù)值計算，指用于完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計算。 電子計算機的重要應(yīng)用領(lǐng)域。 科學(xué)計算的特點是計算量大且數(shù)值變化范圍大。 主要應(yīng)用于天文學(xué)、量子化學(xué)、空氣動力學(xué)、核物力和天氣預(yù)報等領(lǐng)域。,1.2.4計算機的應(yīng)用,數(shù)據(jù)處理,也稱非數(shù)值計算. 數(shù)據(jù)處理指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理，例如，分析、合并、分類、

8、統(tǒng)計等。 與科學(xué)計算的不同在于數(shù)據(jù)處理涉及的數(shù)據(jù)量一般很大。 廣泛應(yīng)用于辦公自動化、企業(yè)管理、事務(wù)管理、情報檢索等方面。 科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析 家庭：家庭信息化,電子商務(wù),利用計算機和網(wǎng)絡(luò)進行的新型商務(wù)活動 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)與消費者。如京東 C2C，交易雙方是消費者與消費者。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,又稱實時控制。 指用計算機及時采集現(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行控制。 在冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天

9、等部門得到廣泛應(yīng)用。,計算機輔助系統(tǒng),包括CAD、CAM、CBE等。 計算機輔助設(shè)計CAD，即利用計算機幫助各類設(shè)計人員進行設(shè)計 計算機 輔助制造CAM，即用計算機進行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的技術(shù)。 計算機輔助教育CBE，包括計算機輔助教學(xué)CAI。 計算機集成制造系統(tǒng)以計算機為中心的現(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),以計算機技術(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

10、、電影特技,人工智能,人工智能AI，一般指模擬人腦進行演繹推理和采取決策的思維過程。 在計算機中存儲一些定理和推理規(guī)則，然后設(shè)計程序，讓計算機自動探索解決的方法。 人工智能是計算機應(yīng)用研究的前沿科學(xué)。,,1.2.5 計算機文化,人類社會的生存方式因使用計算機而發(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：計算機軟硬件設(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計算思維基礎(chǔ),1.3.1 計算思維概述 1.3.2 計算思維內(nèi)涵 1.3.3 計算思維的應(yīng)用,理論、實驗和計算

11、是科學(xué)研究的三大方法，對應(yīng)的三大思維是理論思維、實驗思維和計算思維。,計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。,實證思維（重現(xiàn)、自治、預(yù)見）實驗：物理 邏輯思維（公理、規(guī)則、結(jié)論）推理：數(shù)學(xué) 計算思維（能行、構(gòu)造、模擬）使自動：計算機,1,本質(zhì)：抽象、自動化,抽象：完全超越物理的時空觀，完全使用符號來表示 在哥尼斯堡的一個公園里，有七座橋?qū)⑵绽赘駹柡又袃蓚€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？,自動化：機械地一步一步的執(zhí)行,1.3.1 計算思維概述,,例子：求函數(shù)

12、f(x)的積分。 高等數(shù)學(xué)方法：牛頓-萊布尼茲公式。 計算機方法：黎曼積分方法(區(qū)間等分求和)。,計算思維的關(guān)鍵：用計算機模擬現(xiàn)實世界,實驗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算模擬來實現(xiàn) 核爆炸、蛋白質(zhì)生成、大型飛機、艦艇設(shè)計,如何使用計算思維,利用計算手段求解問題的過程是： 首先要把實際的應(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)計算法和編程實現(xiàn)，最后在實際的計算機中運行并求解 前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化,2.計算思維的特征 計算思維是人的思維方式； 計算思維的過程可以由人執(zhí)行，也可以由計算機執(zhí)

13、行； 計算思維是思想，不是人造物； 計算思維是概念化，不是程序化。,1.3.2 計算思維的內(nèi)涵,1. 計算思維的基本問題,可計算性：可以使用計算機在有限步內(nèi)解決的問題。 并不是所有問題都是可計算 的，如圖靈機的停機問題、歌 德巴赫猜想等是不可以計算的。,如何判定： 邱奇圖靈論題一切直覺上能行、可計算的函數(shù)都可用圖靈機計算，反之亦然,計算復(fù)雜性：用計算機求解問題的難易程度，包括時間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性。 如兩個n階矩陣相乘的時間復(fù)雜性是O(n3)。,圖靈測試：用以解決機器是否有智能的問題。 結(jié)果表明，目前計算機想和人類真正談話還比較困難。,矩陣相乘：,,根據(jù)公式,計算C中的一個元素需要n

14、次乘法和n-1次加法,所以計算C中所有的元素需要n3次乘法和n*n*（n-1）次加法。執(zhí)行乘法所需的時間數(shù)倍于加法。所以兩個矩陣的時間復(fù)雜性記為O(n3),,2. 計算思維的基本方法,數(shù)學(xué)和工程的方法(黎曼積分、迭代、遞歸、大系統(tǒng)設(shè)計與評估等)和計算機科學(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、糾錯的方法，從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的方法； 啟發(fā)式推理方法； 折中處理的方法；(時間和空間的折中),當(dāng)你上課時，把當(dāng)天需要的東西放進背包，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，你應(yīng)當(dāng)去排哪個隊呢？這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型； 為什么停電時你的電話仍然可用？這就是失敗的無關(guān)性和設(shè)計的冗余性；,,1.3.3 計算思維的應(yīng)用,計算物理：采用數(shù)值模擬方法，作為探索自然規(guī)律的工具。 計算化學(xué)：根據(jù)基本的物理化學(xué)理論，以大量數(shù)值運算探討化學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)。 計算生物學(xué)：應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論方法建模，計算機仿真，研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會群體系統(tǒng)的學(xué)科。 計算經(jīng)濟學(xué)：一切與經(jīng)濟研究有關(guān)的計算。,,,,,