計(jì)算思維的基礎(chǔ)知識(shí)

計(jì)算思維的基礎(chǔ)知識(shí)1第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、科學(xué)的概念

達(dá)爾文對(duì)科學(xué)定義：科學(xué)就是整理事實(shí)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并做出結(jié)論。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)達(dá)爾文的定義指出了科學(xué)的內(nèi)涵，即事實(shí)與規(guī)律。科學(xué)要發(fā)現(xiàn)人所未知的事實(shí)，并以此為依據(jù)，實(shí)事求是。至于規(guī)律是指客觀事物之間內(nèi)在的本質(zhì)的必然聯(lián)系。

2第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五愛因斯坦認(rèn)為：設(shè)法將人們雜亂無(wú)章的感覺經(jīng)驗(yàn)加以整理，使之符合邏輯一致的思想系統(tǒng)，就叫科學(xué)?？茖W(xué)作為一種存在的事物和完整的事物，是人類認(rèn)知的事物中最客觀的。但科學(xué)在形成過(guò)程中，作為追求的目的，卻如同人類的其他認(rèn)知一樣，是主觀的也是受心理制約的。

1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)3第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

美國(guó)《韋伯斯特新世界詞典》對(duì)科學(xué)定義：科學(xué)是從確定研究對(duì)象的性質(zhì)和規(guī)律這一目的出發(fā)，通過(guò)觀察、調(diào)查和實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)知識(shí)。

中國(guó)《辭?！穼?duì)科學(xué)定義：科學(xué)是運(yùn)用范疇、定理和定律等思維形式反映現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象的本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)體系。

科學(xué)的定義：反映現(xiàn)實(shí)世界中各種現(xiàn)象及其客觀規(guī)律的知識(shí)體系。科學(xué)作為人類知識(shí)的最高形式，已成為人類社會(huì)普遍的文化理念。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)4第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

科學(xué)的種類：不同分類方式類別按照研究對(duì)象的不同自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、思維科學(xué)按照與實(shí)踐聯(lián)系的不同理論科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)按照人類對(duì)自然規(guī)律利用的直接程度自然科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)按照人類目標(biāo)的不同廣義的科學(xué)、狹義的科學(xué)廣義的科學(xué)概念是自然科學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等所有學(xué)科的總稱，狹義的科學(xué)概念則專指自然科學(xué)，有時(shí)甚至直指基礎(chǔ)理論科學(xué)。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)5第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五類別解釋或說(shuō)明自然科學(xué)NaturalScience以自然界為主要研究對(duì)象，運(yùn)用實(shí)證、理性和臻美等方法，揭示自然的奧秘，獲取自然的真知。人文科學(xué)humanities以人類作為主要研究對(duì)象，運(yùn)用實(shí)地考察、詮釋和啟示等方法，認(rèn)識(shí)人、人性和人生的意義，提升人的精神素質(zhì)和思想境界。社會(huì)科學(xué)SocialScience以社會(huì)領(lǐng)域?yàn)橹饕芯繉?duì)象，運(yùn)用調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和歸納等方法，把握社會(huì)規(guī)律，解決社會(huì)問題，促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)如何界定自然科學(xué)？物理學(xué)，化學(xué)，……計(jì)算科學(xué)？數(shù)學(xué)？6第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

美國(guó)能源部報(bào)告認(rèn)為：高端計(jì)算目前已經(jīng)與理論研究、實(shí)驗(yàn)手段一起，成為獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱。因此，理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的重要途徑。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)7第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、計(jì)算科學(xué)與計(jì)算學(xué)科

計(jì)算科學(xué)/ComputationalScience：一種與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、定量分析方法以及利用計(jì)算機(jī)來(lái)分析和解決科學(xué)問題的研究領(lǐng)域。(計(jì)算視角)1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)

計(jì)算科學(xué)/ComputingScience：應(yīng)用高性能計(jì)算能力預(yù)測(cè)和了解實(shí)際世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或復(fù)雜現(xiàn)象演化規(guī)律的科學(xué)，它包括數(shù)值模擬、工程仿真高效計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等。(計(jì)算機(jī)視角)8第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

1993：高性能計(jì)算與通信--HPCC計(jì)劃

1996：加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新--ASCI計(jì)劃

2002：高性能計(jì)算系統(tǒng)--HPCS計(jì)劃1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)2005：計(jì)算科學(xué)--確保美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力報(bào)告建議：應(yīng)將計(jì)算科學(xué)長(zhǎng)期置于國(guó)家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。計(jì)算科學(xué)是運(yùn)用高級(jí)計(jì)算能力來(lái)理解和處理復(fù)雜問題的學(xué)科，已經(jīng)成為對(duì)科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力以及國(guó)家安全都至關(guān)重要的一門科學(xué)。我們相信計(jì)算科學(xué)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域之一，因?yàn)樗鼘?duì)整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步都是十分重要的。計(jì)算科學(xué)為研究者提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口，他們可以通過(guò)它來(lái)研究那些不切實(shí)際或很難解決的問題，為高經(jīng)濟(jì)效益提供高級(jí)工業(yè)方法，如高效設(shè)計(jì)比價(jià)格昂貴又費(fèi)時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)更有效的機(jī)翼計(jì)算試驗(yàn)。9第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

學(xué)科：指高校中講授或研究知識(shí)的分科。

計(jì)算學(xué)科/ComputationalDiscipline:利用計(jì)算科學(xué)對(duì)其他學(xué)科中的問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或者其他形式的計(jì)算而形成的諸如計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)等學(xué)科統(tǒng)稱為計(jì)算學(xué)科。(計(jì)算視角)1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)

計(jì)算學(xué)科/ComputingDiscipline:是對(duì)描述和變換信息的算法過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，它包括算法過(guò)程的理論、分析、設(shè)計(jì)、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等。(計(jì)算機(jī)視角)10第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

計(jì)算學(xué)科是在數(shù)學(xué)和電子科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科，它既是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。

1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)11第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)科1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)/ComputerScience：研究計(jì)算機(jī)及其周圍各種現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)。分類：理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)。

計(jì)算機(jī)學(xué)科/ComputerDiscipline：即計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，它是研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、儲(chǔ)存、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)側(cè)重研究現(xiàn)象與揭示規(guī)律。計(jì)算機(jī)技術(shù)側(cè)重研制計(jì)算機(jī)及使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法和技術(shù)手段。

12第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、思維的概念思維是精神地球上最美麗的花朵。1.2思維與科學(xué)思維

2.思維的組成思維原料(自然界)、思維主體(人腦)思維工具(認(rèn)識(shí)的反映形式)

1.思維的定義

思維是人腦對(duì)客觀事物的一種概括的、間接的反映，它反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律。13第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3.思維的特征

特征解釋或說(shuō)明概括性思維是在人的感性基礎(chǔ)上，將一類事物的共同本質(zhì)的特征和規(guī)律抽取出來(lái)，加以概括。如人們感知(日出東方、日落西山)，通過(guò)思維概括揭示是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果。間接性指非直接的，以其它事物做媒介來(lái)反映客觀事物。如根據(jù)醫(yī)學(xué)知識(shí)和臨床經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生詢問病史和輔助檢查，判斷病情，作出治療。能動(dòng)性不僅能認(rèn)識(shí)和反映世界，而且還能對(duì)客觀世界進(jìn)行改造。如人們不僅能認(rèn)知宇宙速度，還能制造宇宙飛船飛向太空。1.2思維與科學(xué)思維14第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

4.思維的類型不同分類方式類別按照思維的進(jìn)程方向橫向思維、縱向思維發(fā)散思維、收斂思維按照思維的抽象程度直觀行動(dòng)思維具體形象思維抽象邏輯思維按照思維的形成和應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)思維日常思維1.2思維與科學(xué)思維15第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、科學(xué)思維

科學(xué)思維：指理性認(rèn)識(shí)及其過(guò)程，即經(jīng)過(guò)感性階段獲得的大量材料，通過(guò)整理和改造，形成概念、判斷和推理，以便反映事物本質(zhì)和規(guī)律。簡(jiǎn)而言之，科學(xué)思維是人腦對(duì)科學(xué)信息的加工活動(dòng)。

科學(xué)思維的主要表現(xiàn)：①科學(xué)的理性思維②科學(xué)的邏輯思維③科學(xué)的系統(tǒng)思維④科學(xué)的創(chuàng)造性思維

1.2思維與科學(xué)思維16第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、科學(xué)思維的分類1.2思維與科學(xué)思維類別解釋或說(shuō)明理論思維理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是其精髓，公理化方法是最重要的理論思維方法實(shí)驗(yàn)思維實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)是意大利科學(xué)家伽利略，被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。與理論思維不同，實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備，使用它們來(lái)獲取數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析。計(jì)算思維計(jì)算思維是思維過(guò)程或功能的計(jì)算模擬方法論，其研究目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒?，使人們能借助?jì)算機(jī)逐步達(dá)到人工智能的較高目標(biāo)。17第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

三種科學(xué)對(duì)應(yīng)著三種思維：

理論科學(xué)←→理論思維

理論思維又稱邏輯思維，它以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。

實(shí)驗(yàn)科學(xué)←→實(shí)驗(yàn)思維實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，它以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。

計(jì)算科學(xué)←→計(jì)算思維計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，它以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。1.2思維與科學(xué)思維18第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、計(jì)算思維的定義計(jì)算思維(ComputationalThinking，CT)

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)和理解人類行為的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。1.3計(jì)算思維的概念19第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

針對(duì)上述定義解釋如下：

①求解問題中的計(jì)算思維利用計(jì)算手段求解問題的過(guò)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，可能是一組偏微分方程，其次將PDE離散為一組代數(shù)方程組，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。1.3計(jì)算思維的概念20第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

②設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維

R.Karp認(rèn)為：任何自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)都可視為一個(gè)動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可以映射為符號(hào)變換，使之能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散的符號(hào)處理。當(dāng)動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號(hào)系統(tǒng)后，就可以采用形式化的規(guī)范描述，建立模型、設(shè)計(jì)算法和開發(fā)軟件來(lái)揭示演化的規(guī)律，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的演化并自動(dòng)執(zhí)行。

1.3計(jì)算思維的概念21第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

③理解人類行為中的計(jì)算思維

王飛躍認(rèn)為(中科院)：計(jì)算思維是基于可計(jì)算的手段，以定量化的方式進(jìn)行的思維過(guò)程。計(jì)算思維就是應(yīng)對(duì)信息時(shí)代新的社會(huì)動(dòng)力學(xué)和人類動(dòng)力學(xué)所要求的思維。在人類的物理世界、精神世界和人工世界等三個(gè)世界中，計(jì)算思維是建設(shè)人工世界需要的主要思維方式。利用計(jì)算手段來(lái)研究人類的行為，可視為社會(huì)計(jì)算，即通過(guò)各種信息技術(shù)手段，設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)估人與環(huán)境之間的交互。1.3計(jì)算思維的概念22第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五波爾普的三個(gè)世界觀點(diǎn)1.3計(jì)算思維的概念23第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、計(jì)算思維的詳細(xì)描述計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問題重新闡釋成一個(gè)人們知道怎樣解決的問題。計(jì)算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。計(jì)算思維是一種采用抽象和分解來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是一種基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法。1.3計(jì)算思維的概念24第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模并使其易于處理的思維方法。計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)和糾錯(cuò)方式，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。計(jì)算思維是利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法。1.3計(jì)算思維的概念25第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、計(jì)算思維的特征1.3計(jì)算思維的概念

1.概念化，不是程序化

計(jì)算機(jī)科學(xué)不是計(jì)算機(jī)編程。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅限于計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)注計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)注麥克風(fēng)一樣。

2.根本的，不是刻板的技能

計(jì)算思維是一種根本技能，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?？贪宓募寄芤馕吨?jiǎn)單的機(jī)械重復(fù)。26第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

3.是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。計(jì)算機(jī)賦予人類強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類應(yīng)該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題。

4.是思想，不是人造物不只是將生產(chǎn)的軟硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是計(jì)算概念，它被人們用來(lái)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)。1.3計(jì)算思維的概念27第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

5.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，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)。所以設(shè)計(jì)思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。

6.面向所有的人，所有地方當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會(huì)被使用。1.3計(jì)算思維的概念28第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、計(jì)算思維的本質(zhì)

抽象(Abstract)、自動(dòng)化(Automation)。它反映了計(jì)算的根本問題，即什么能被有效的自動(dòng)進(jìn)行。1.3計(jì)算思維的概念

計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化需要某種計(jì)算機(jī)去解釋抽象。從操作層面上講，計(jì)算就是如何尋找一臺(tái)計(jì)算機(jī)去求解問題，隱含地說(shuō)就是要確定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動(dòng)化。

29第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系1.3計(jì)算思維的概念計(jì)算思維雖然具有計(jì)算機(jī)的許多特征，但是計(jì)算思維本身并不是計(jì)算機(jī)的專屬。實(shí)際上，即使沒有計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維也會(huì)逐步發(fā)展，甚至有些內(nèi)容與計(jì)算機(jī)沒有關(guān)系。但是，正是由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的發(fā)展帶來(lái)了根本性的變化。

30第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、生物學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)許多領(lǐng)域滲透到生物信息學(xué)中的應(yīng)用研究，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、算法、圖形學(xué)、軟件工程、并行計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都被用于生物計(jì)算的研究。

1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域從各種生物的DNA數(shù)據(jù)中挖掘DNA序列自身規(guī)律和DNA序列進(jìn)化規(guī)律，可以幫助人們從分子層次上認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)及其進(jìn)化規(guī)律DNA序列實(shí)際上是一種用四種字母表達(dá)的“語(yǔ)言”。31第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、腦科學(xué)腦科學(xué)是研究人腦結(jié)構(gòu)與功能的綜合性學(xué)科它以揭示人腦高級(jí)意識(shí)功能為宗旨，與心理學(xué)、人工智能、認(rèn)知科學(xué)和創(chuàng)造學(xué)等有著交叉滲透。1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家羅杰·斯佩里進(jìn)行了裂腦實(shí)驗(yàn)，提出大腦兩半球功能分工理論。他認(rèn)為：大腦左右半球完全可以以不同的方式進(jìn)行思維活動(dòng)，左腦側(cè)重于抽象思維，如邏輯抽象、演繹推理和語(yǔ)言表達(dá)等；右腦側(cè)重于形象思維，如直覺情感、想象創(chuàng)新等。32第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、化學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用包括：化學(xué)中的數(shù)值計(jì)算、化學(xué)模擬、化學(xué)中的模式識(shí)別、化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及檢索、化學(xué)專家系統(tǒng)等。1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和分區(qū)并行算法，為求解多組分化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)守恒方程組開發(fā)了單程序多數(shù)據(jù)流形式的并行程序，對(duì)己有的預(yù)混可燃?xì)怏w中高速飛行的彈丸的爆轟現(xiàn)象進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬。33第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算博弈論正在改變?nèi)藗兊乃季S方式。

囚徒困境是博弈論專家設(shè)計(jì)的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用來(lái)描述兩家企業(yè)的價(jià)格大戰(zhàn)等許多經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域百事可樂可口可樂高價(jià)低價(jià)低價(jià)高價(jià)106060103030505034第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，它包括繪畫、音樂、舞蹈、影視、廣告、書法模擬、服裝設(shè)計(jì)、圖案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和建筑造型設(shè)計(jì)以及電子出版物等眾多領(lǐng)域。

1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域35第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五六、其他領(lǐng)域1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域工程學(xué)(電子、土木、機(jī)械、航空航天等)：計(jì)算高階項(xiàng)可以提高精度,進(jìn)而降低重量、減少浪費(fèi)并節(jié)省制造成本；波音777飛機(jī)完全是采用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試的，沒有經(jīng)過(guò)風(fēng)洞測(cè)試。社會(huì)科學(xué)：社交網(wǎng)絡(luò)是MySpace和YouTube等發(fā)展壯大的原因之一；統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)被用于推薦和聲譽(yù)服務(wù)系統(tǒng),例如Netflix和聯(lián)名信用卡等。地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律、娛樂、體育等36第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.5計(jì)算學(xué)科的典型問題一、排序問題排序是把給定數(shù)據(jù)集合中的元素按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)安排先后次序的過(guò)程。

選擇排序算法：對(duì)給定的一個(gè)數(shù)據(jù)表，算法從第一個(gè)元素開始掃描整個(gè)列表，找到最小或最大的元素，并將其與第一個(gè)位置的元素交換。然后算法從第二個(gè)位置的元素開始掃描剩下的列表，找到次小或次大的元素，并將其與第二個(gè)位置的元素交換。如此循環(huán)，直到所有的元素都被排好序?yàn)橹埂＿x擇排序算法是由一個(gè)雙層循環(huán)控制，算法時(shí)間復(fù)雜度是O(n2)37第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

部分排序算法的時(shí)間效率比較(單位：毫秒)1.5計(jì)算學(xué)科的典型問題每一種排序算法對(duì)時(shí)間的效率和空間的要求不盡相同，沒有哪一種是絕對(duì)最優(yōu)的，在實(shí)用時(shí)需要根據(jù)不同情況適當(dāng)選用，也可多種方法結(jié)合使用。排序算法101001K10K100K1M插入排序0.0002580.0086190.764565145515621冒泡排序0.0002760.0056430.545618174549432選擇排序0.0002370.0064380.488474717478694快速排序0.0002910.0030510.0300.3113.63439歸并排序0.0007230.0062250.0660.5615.4870基數(shù)排序0.0051810.0210.1651.6511.428117哈希排序0.0005220.0033720.0360.5184.1526138第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、漢諾塔問題1.5計(jì)算學(xué)科的典型問題印度古老傳說(shuō)：在世界中心貝拿勒斯的圣廟里，一塊黃銅板上插著三根寶石針A、B和C。印度教的主神梵天在創(chuàng)造世界時(shí)，在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片，這就是所謂的漢諾塔問題。不論白天黑夜，總有一個(gè)僧侶在按下面的法則移動(dòng)這些金片：一次只移動(dòng)一片，不管在哪根針上，小片必須在大片上面。僧侶們預(yù)言，當(dāng)所有金片移到另外一根針上時(shí)，世界將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡。

39第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五

不管這個(gè)傳說(shuō)的可信度有多大，如果僅考慮把64片金片，由一根針上移到另一根針上，并且始終保持上小下大的順序。這需要多少次移動(dòng)呢？這里需要使用遞歸算法。假設(shè)有n片，移動(dòng)次數(shù)是f(n)

顯然f(1)=1，f(2)=3，f(3)=7，且f(k+1)=2*f(k)+1

不難證明f(n)=2^n-1

當(dāng)n=64時(shí)，f(64)=2^64-1=18446744073709551615次如果每秒鐘移動(dòng)一次，共需多長(zhǎng)時(shí)間呢？一年有31536000秒，則18446744073709551615/31536000=5849億年1.5計(jì)算學(xué)科的典型問題40第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、國(guó)王的婚姻1.5計(jì)算學(xué)科的典型問題國(guó)王：艾述(喜愛數(shù)學(xué))宰相：孔喚石(數(shù)學(xué)家)公主：秋碧貞楠(鄰國(guó))公主：求出48770428644836899的一個(gè)真因子國(guó)王：2,3,4,┅,30000多數(shù)據(jù)(一天)公主：驗(yàn)證一下，223092871宰相：將全國(guó)百姓按自然數(shù)的順序編號(hào)，百姓用自己的編號(hào)去除公主的數(shù)，誰(shuí)除盡來(lái)領(lǐng)賞。童話說(shuō)明：①國(guó)王本人計(jì)算(串行算法，