计算思维导论

《计算思维导论》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第1章引论23第1章引论本章要点：1.什么是计算；2.计算机科学与计算科学的区别；3.来自计算机发展史的启示；4.计算机应用；5.计算机发展趋势。1.1什么是计算？简单计算，如我们从幼儿就开始学习和训练的算术运算，如“3+2=5”“3´2=6”等，是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数据变换。我们不断学习和训练的是各种运算符的“规则”及其组合应用，目的是通过计算得到正确的结果。广义地讲，一个函数如“”把x变成了f(x)就可认为是一次计算，在高中及大学阶段我们不断学习各种计算“规则”并应用这些规则来求解各种问题，得到正确的计算结果。如对数与指数、微分与积分等。“规则”可以学习与

2、掌握，但应用“规则”进行计算则可能超出了人的计算能力，即人知道规则但却没有办法得到计算结果。如何解决呢？一种办法是研究复杂计算的各种简化的等效计算方法(数学)使人可以计算，另一种办法是设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算，即考虑能否用机械来代替人按照“规则”自动计算。例如：能否机械地判断方程“a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c”是否有整数解?”，即机械地证明一个命题是否有解?是否正确?类似的上述问题，促进了计算机科学和计算科学的诞生和发展，促进了人们思考：u什么能够被有效地自动计算？现实世界需要计算的问题是很多的，哪些问题是可以自动计算的，哪些问题是可以在有限时间有

3、限空间内自动计算的？这就出现了计算及计算复杂性问题。以现实世界的各种思维模式为启发，寻找求解复杂问题的有效规则，就出现了算法及算法设计与分析问题。例如观察人的思维模式而提出的遗传算法、观察蚂蚁行动的规律而提出的蚁群算法等。u如何低成本、高效地实现自动计算？如何构建一个高效的计算系统：计算机器的构建问题和软件系统的构建问题。u如何方便有效地利用计算系统进行计算？利用已有计算系统，面向各行各业的计算问题求解。什么能、且如何被有效地自动计算问题就是计算学科的科学家不断在研究和解决的问题。第1章引论231.2计算机科学与计算科学一般而言，“计算机科学”是研究计算机和可计算系统的理论方面的学科[1]

4、，包括软件、硬件等计算系统的设计和建造，发现并提出新的问题求解策略、新的问题求解算法，在硬件、软件、互联网方面发现并设计使用计算机的新方式和新方法等。简单而言，计算机科学围绕着“构造各种计算机器”和“应用各种计算机器”进行研究。当前，计算手段已发展为与理论手段和实验手段并存的科学研究的第三种手段[2]。理论手段是指以数学学科为代表，以推理和演绎为特征的手段，科学家通过构建分析模型和理论推导进行规律预测和发现。实验手段是指以物理学科为代表，以实验、观察和总结为特征的手段，科学家通过直接的观察获取数据，对数据进行分析进行规律的发现。计算手段则是以计算机学科为代表，以设计和构造为特征的手段，科学

5、家通过建立仿真的分析模型和有效的算法，利用计算工具来进行规律预测和发现。技术进步已经使得现实世界的各种事物都可感知可度量，进而形成数量庞大的数据或数据群，使得基于庞大数据形成仿真系统成为可能，因此依靠计算手段发现和预测规律成为不同学科的科学家进行研究的重要手段。例如生物学家利用计算手段研究生命体的特性，化学家利用计算手段研究化学反应的机理，建筑学家利用计算手段来研究建筑结构的抗震性，经济学家社会学家利用计算手段研究社会群体网络的各种特性等。由此计算手段与各学科结合形成了所谓的计算科学，如计算物理学、计算化学、计算生物学、计算经济学等。著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主EdsgerDi

6、jkstra[3]说：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力”。各学科人员在利用计算手段进行创新研究的同时，也在不断地研究新型的计算手段。这种结合不同专业的新型计算手段的研究需要专业知识与计算思维的结合，1998年JohnPople便因成功地研究出量子化学综合软件包Gaussian[4]而获得诺贝尔奖，Gaussian已成为研究化学领域许多课题的重要的计算手段。另一个典型的计算手段如求解应力或疲劳等结构力学、多物理场耦合的有限元分析手段。以电影《阿凡达》为代表的影视创作平台也在不断利用先进的计算手段(如捕捉虚拟合成扣像手段)创造意想不到的视觉效

7、果。周以真(JeannetteM.Wing)教授指出计算思维(ComputationalThinking)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的一系列思维活动的统称[5]。它是如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，都必须具备的思维能力，计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人由机器执行。因此，理解“计算机”的思维，即理解计算系统是如何工作的?计算系统的功能是如何越来越强大的，以及利用计算机的