第1章_計算思維-導(dǎo)論-Wang Ke 2016--115.

1、計算思維計算思維哈工大深圳研究生院哈工大深圳研究生院導(dǎo)導(dǎo) 論論第一章第一章 計算思維與程序設(shè)計計算思維與程序設(shè)計1.1 計算思維計算思維1.2 算法算法1.3 程序設(shè)計程序設(shè)計1.4 計算思維計算思維案例案例一、計算改變了什么？一、計算改變了什么？二、什么是計算？二、什么是計算？三、什么是計算思維？三、什么是計算思維？計算生物學(xué)改變著生物學(xué)家的思考方式計算生物學(xué)改變著生物學(xué)家的思考方式計算博弈理論改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式計算博弈理論改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式納米計算改變著化學(xué)家的思考方式納米計算改變著化學(xué)家的思考方式計算物理學(xué)改變著物理學(xué)家的思考方式計算物理學(xué)改變著物理學(xué)家的思考方式數(shù)學(xué)機械化改

2、變數(shù)學(xué)家的思考方式數(shù)學(xué)機械化改變數(shù)學(xué)家的思考方式社會計算改變社會學(xué)家的思考方式社會計算改變社會學(xué)家的思考方式計算生物學(xué)計算生物學(xué)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、數(shù)學(xué)建模和的方法、數(shù)學(xué)建模和計算機仿真技術(shù)，來計算機仿真技術(shù)，來研究生物學(xué)、行為學(xué)研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會群體系統(tǒng)。和社會群體系統(tǒng)。例如例如“蟻群算法蟻群算法”、“蜂群算法蜂群算法”、“螢火蟲螢火蟲算法算法” 、“候鳥算法候鳥算法”計算經(jīng)濟(jì)學(xué)計算經(jīng)濟(jì)學(xué)運用計算思想分析和綜合經(jīng)濟(jì)問運用計算思想分析和綜合經(jīng)濟(jì)問題題分析、模型、決策分析、模型、決策計算思想在諾貝爾獎獲獎理論中計算思想在諾貝爾獎獲獎理論中占到占到70%以上的比例以上

3、的比例“霧霾經(jīng)濟(jì)計算模型霧霾經(jīng)濟(jì)計算模型”計算考古學(xué)計算考古學(xué)-人臉復(fù)原人臉復(fù)原2000年前的馬王堆辛追夫人與年前的馬王堆辛追夫人與3500年前的年前的古埃及最美麗的王妃：妮菲蒂蒂古埃及最美麗的王妃：妮菲蒂蒂 2.計算改變工作方式：數(shù)字化會議計算改變工作方式：數(shù)字化會議數(shù)字化醫(yī)療數(shù)字化醫(yī)療數(shù)字化教學(xué)數(shù)字化教學(xué)(VR&AR)數(shù)字化制造數(shù)字化制造-工業(yè)工業(yè)4.0管路設(shè)計強度分析結(jié)構(gòu)分析數(shù)字預(yù)裝配CAM裝配過程仿真裝配過程仿真智能機器人智能機器人智能機器人也是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域一個十分重要的應(yīng)用領(lǐng)域和熱門的研究方向。 由于它直接面向應(yīng)用, 社會效益強, 所以, 其發(fā)展非常迅速。諸如工業(yè)機器人、

4、太空機器人、 水下機器人、家用機器人、軍用機器人、服務(wù)機器人、醫(yī)療機器人、運動機器人、助理機器人、機器人足球賽、機器人象棋賽 , 幾乎應(yīng)有盡有。 AI計算智能計算智能-無處不在無處不在 掃地機器人擦玻璃機器人客服機器人蘋果siri微軟CortanaAlphaGo自動駕駛智能穿戴智能家居機器翻譯無人機快遞模式識別模式識別識別是人和生物的基本智能信息處理能力之一。 所謂模式識別, 則指的是用計算機進(jìn)行物體識別。這里的物體一般指文字、符號、圖形、 圖像、語音、聲音及傳感器信息等形式的實體對象,而并不包括概念、思想、意識等抽象或虛擬對象, 后者的識別屬于心理、認(rèn)知及哲學(xué)等學(xué)科的研究范疇。 經(jīng)過多年的研

5、究, 模式識別已發(fā)展成為一個獨立的學(xué)科, 其應(yīng)用十分廣泛, 諸如信息、遙感、醫(yī)學(xué)、影像、安全、軍事等領(lǐng)域, 模式識別已經(jīng)取得了重要成效。 如：微軟的從照片判斷年齡HowOld、汽車號牌自動識別。機器翻譯機器翻譯 機器翻譯就是完全用計算機作為兩種語言之間的翻譯。 機器翻譯由來已久,早在電子計算機問世不久, 就有人提出了機器翻譯的設(shè)想, 隨后就開始了這方面的研究。 機器翻譯并非想像的那么簡單,單純地依靠“查字典”的方法不可能解決翻譯問題,只有在對語義理解的基礎(chǔ)上,才能做到真正的翻譯, 所以機器翻譯的真正實現(xiàn), 還要靠自然語言理解方面的突破。 Emotiv Epoc意念控制器腦電波是人類進(jìn)行思維活動

6、時產(chǎn)生的生物電信號，Mindwave 通過采用了ThinkGear技術(shù)的智能芯片進(jìn)行腦電波信號采集、濾波及放大，并通過NeuroSky eSense專利算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實時解讀出使用者當(dāng)前的心理狀，也使得意念控制成為可能。人類的智力面臨挑戰(zhàn)人類的智力面臨挑戰(zhàn) 15年前IBM的超級電腦“深藍(lán)”擊敗世界國際象棋冠軍加里卡斯帕羅夫，這次IBM向人類的冠軍發(fā)出挑戰(zhàn)的超級電腦名叫 “沃森”。 15年后，Google的”AlphaGo” 擊敗了圍棋國際冠軍李世石。“深藍(lán)”與“AlphaGo”窮盡算法 演變?yōu)?深度學(xué)習(xí)2016年3月9日12點，谷歌人工智能系統(tǒng)AlphaGo和圍棋世界冠軍李世石的在韓國首爾

7、正式開始。第一戰(zhàn)中，李世石執(zhí)黑終盤失利，總比分0-1落后。AlphaGo人工智能程序結(jié)合了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)方法和樹搜索算法。簡單來說，就是先讓AlphaGo觀察人類下圍棋，然后通過將不同決策進(jìn)行比較來提升技能，這一過程被叫做強化學(xué)習(xí)。經(jīng)上百萬次重復(fù)后，AlphaGo就可以進(jìn)行對戰(zhàn)了。圍棋的第一步有361種下法，而一局大約可長達(dá)150個回合。在此之前，大多數(shù)電腦依賴還是窮舉法，計算機每走一步都要耗費大量時間進(jìn)行計算，這樣下去根本連普通選手都下不過。計算是人類文明最古老而又最時新的成就之一計算是人類文明最古老而又最時新的成就之一計算方法及計算工具不斷地發(fā)展，對推動社會進(jìn)步計算方法及計算工具不斷

8、地發(fā)展，對推動社會進(jìn)步發(fā)揮了巨大作用發(fā)揮了巨大作用計算的本質(zhì)就是基于規(guī)則的符號串變換計算的本質(zhì)就是基于規(guī)則的符號串變換手動計算工具時代手動計算工具時代手動式計算工具手動式計算工具算籌圖算籌圖 1.3 手動式計算工具手動式計算工具算盤算盤 機械式計算工具時代機械式計算工具時代 法國著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、近代概率論的奠基者法國著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、近代概率論的奠基者和和他的計算工具他的計算工具帕斯卡加法器帕斯卡加法器1642 年年機電計算工具時代機電計算工具時代 美國哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德美國哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德艾肯艾肯和他的機電式計算機和他的機電式計算機MARK I 電子計算機時代電子

9、計算機時代第一臺電子數(shù)字計算機第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC 阿塔納索夫莫齊利?？颂谽NIAC的發(fā)明人與制作人阿塔納索夫、莫齊利、?？颂氐陌l(fā)明人與制作人阿塔納索夫、莫齊利、?？颂亍疤旌右惶枴笔俏覈着_千萬億次超級計算機計算是基于規(guī)則的符號串變換計算是基于規(guī)則的符號串變換1+2+3（1+2）+3 ：結(jié)合律：結(jié)合律 3+3：加法口訣，替換規(guī)則：加法口訣，替換規(guī)則 6：加法口訣：加法口訣從一個已知的符號串開始，按照一定的規(guī)則從一個已知的符號串開始，按照一定的規(guī)則，一步一步地改變符號串，經(jīng)過有限步驟，一步一步地改變符號串，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串，這種最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符

10、號串，這種變換過程就是變換過程就是計算計算。笛卡爾（笛卡爾（Rene Descartes）：）：解析幾何之父解析幾何之父 我思故我在我思故我在思維是對某個問題或事物的思考過程以及產(chǎn)生的想法思維是對某個問題或事物的思考過程以及產(chǎn)生的想法或見解或見解思維是人腦對客觀現(xiàn)實概括的和間接的反映，它反映思維是人腦對客觀現(xiàn)實概括的和間接的反映，它反映的是事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系的是事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系人類的思維水平也必然隨著認(rèn)識工具人類的思維水平也必然隨著認(rèn)識工具的進(jìn)步而逐步地由淺入深、由單純到的進(jìn)步而逐步地由淺入深、由單純到復(fù)雜、由片面至全面發(fā)展復(fù)雜、由片面至全面發(fā)展我們所使用的我們所使用

11、的工具影響工具影響著我們的著我們的思維思維方式和思維習(xí)慣方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影，從而也將深刻地影響著我們的響著我們的思維能力思維能力計算無處不在的時代思維：計算無處不在的時代思維：計算思維計算思維艾茲格W迪科斯徹 （19302002）（Edsger Wybe Dijkstra，）荷蘭 計算機 科學(xué)家，荷蘭Leiden大學(xué)1972年獲得圖靈獎【例】在中央電視臺的幸運52節(jié)目中，要求參與者快速猜出物品的價格。主持人出示某件物品，參與者每次估算出一個價格，主持人只能回答高了、低了或者正確。在某次節(jié)目中，主持人出示了一臺價值在1000元以內(nèi)的隨身聽，并開始了競猜。下面是主持人和參與者的一段對

12、話：.如果你是參與者，你接下來會怎么猜？800元！高了400元！600元！低了高了參與者主持人：李詠計算思維計算思維猜猜猜猜猜猜運用計算機科學(xué)的運用計算機科學(xué)的思想、方法和技術(shù)思想、方法和技術(shù)進(jìn)行問進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及、以及人類行為理解人類行為理解等涵等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動周以真（Jeannette M. Wing）美國計算機科學(xué)家卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授ACM與IEEE會士 為解決一個問題而采取的方法和步驟，為解決一個問題而采取的方法和步驟，就稱為就稱為算法算法。 算算 法法 一個農(nóng)夫帶著一只狼、一只羊和一棵白一個農(nóng)夫帶著

13、一只狼、一只羊和一棵白菜，身處河南岸，要把東西全部運到北岸。菜，身處河南岸，要把東西全部運到北岸。約束條件是只有一條能容下他和一件物品的約束條件是只有一條能容下他和一件物品的小船，只有農(nóng)夫能撐船。不能單獨留下羊和小船，只有農(nóng)夫能撐船。不能單獨留下羊和白菜，也不能單獨留下羊和狼。白菜，也不能單獨留下羊和狼。例如：例如：農(nóng)夫過河算法農(nóng)夫過河算法帶羊到對岸空手回本岸帶菜到對岸帶羊回本岸帶狼到對岸空手回本岸帶羊到對岸帶羊到對岸空手回本岸帶狼到對岸帶羊回本岸帶菜到對岸空手回本岸帶羊到對岸或采用算法思維求解問題分為以下幾個基本步驟：采用算法思維求解問題分為以下幾個基本步驟： 問題的抽象。問題的抽象。 問題的符號化表示。問題的符號化表示。 問題求解的算法。問題求解的算法。 算法的實現(xiàn)。算法的實現(xiàn)。 計