《大學信息技術（第三版）》計算思維

大學信息技術（第三版）2信息技術基礎1.1信息技術概述1.2計算機系統(tǒng)1.3計算思維1.4新一代信息技術1.5信息安全與信息素養(yǎng)31.3計算思維1.3.1計算思維概述1.3.2計算思維的本質1.3.3計算思維與計算機的關系1.3.4計算思維的應用領域1.3.5習題1.3.1計算思維概述“計算思維”是美國卡內基梅隆大學周以真教授提出的一種理論。周以真認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為，它涵蓋了計算機科學的一系列思維活動。周以真（英文名JeannetteM.Wing，），美國計算機科學家?？▋然?梅隆大學教授。美國國家自然基金會計算與信息科學工程部助理部長。ACM和IEEE會士。

1.3.1計算思維概述求解問題中的計算思維系統(tǒng)設計問題求解人類行為理解建立問題模型選擇算法編程實現(xiàn)警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷，審訊記錄如下：A說：我不是小偷B說：c是小偷C說：小偷肯定是dD說：c在冤枉人四個人中，三個人說的是真話，一個人說的是假話，請問誰是小偷？6問題分析1依次假設每個人是小偷的情況一一代入四句供詞2依次檢驗“四個人中三個人說真話，一個人說假話”是否成立3如果成立，小偷找到7數(shù)學建模將a,b,c,d四個人進行編號為1,2,3,4。用變量x存放小偷的編號。依次將x=1,x=2,x=3,x=4代入問題系統(tǒng)，檢驗“三真一假”是否成立。8計算1A說：我不是小偷2B說：c是小偷3C說：小偷肯定是d4D說：c在冤枉人5三真一假1X≠11or02X=31or03X=41or04X≠41or0539編程實現(xiàn)Forx=1to4If(x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3)thenPrintxNextx10計算機解題方法計算機解決問題步驟：理解問題，尋找解決問題的條件；從問題抽象出適當?shù)臄?shù)學模型，然后設計解決這個數(shù)學模型的算法；按照算法編寫程序，并調試、測試、運行程序，得到最終解答。問題發(fā)現(xiàn)問題分析問題預見問題解決問題11設計系統(tǒng)中的計算思維

將系統(tǒng)中的變換過程映射為符號變換——形式化，然后就可以用計算機進行處理。系統(tǒng)設計問題求解人類行為理解121.3.1計算思維概述囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境問題描述警方逮捕了A、B兩名嫌疑犯，但沒有足夠證據(jù)指控二人有罪。于是警方分開囚禁嫌疑犯，并向雙方提供以下相同的選擇（如表所示）：（1）如果一人認罪并檢控對方（背叛），而對方保持沉默，則此人將獲釋，沉默者將判監(jiān)禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），則二人同樣判監(jiān)1年。（3）如果二人都互相檢舉（背叛），則二人同樣判監(jiān)8年。策略A沉默（合作）A認罪（背叛）B沉默（合作）二人同服刑1年A即時獲釋；B服刑10年B認罪（背叛）A服刑10年；B即時獲釋A和B二人同服刑8年13囚徒困境——博弈策略建模囚徒的策略選擇困境兩名囚徒的選擇：（1）若對方沉默，背叛會讓我獲釋，所以我會選擇背叛。（2）若對方背叛我，我也要指控對方才能得到較低刑期，所以選擇背叛。結果：兩人都選擇背叛，結果二人服刑8年。如果兩個囚徒合作保持沉默，總體利益會更高。而兩個囚徒追求個人利益，選擇背叛時，總體利益較低。這就是困境所在。14囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學建模（1）策略的符號化將囚徒各種選擇獲得的收益和支付轉換為數(shù)值，獲得表所示符號表。符號分數(shù)英文中文說明T5Temptation背叛收益單獨背叛成功所得R3Reward合作報酬共同合作所得P1Punishment背叛懲罰共同背叛所得S0Suckers受騙支付被單獨背叛所獲15囚徒困境——博弈策略建模（2）建立收益和支付矩陣根據(jù)以下規(guī)則確定博弈雙方的收益和支付：一人背叛，一人合作時，背叛者得5分（背叛收益），合作者得0分（受騙支付）；二人都合作時，雙方各得3分（合作報酬）；二人都背叛時，各得1分（背叛懲罰）。從表可見：5>3>1>0，得出：T>R>P>S。囚徒的收益和支付矩陣以符號表示的策略策略A合作A背叛策略A合作A背叛B合作A=3，B=3A=5，B=0B合作R，RT，SB背叛A=0，B=5A=1，B=1B背叛S，TP，P符號分數(shù)T5R3P1S016囚徒困境——博弈策略建模（3）建立數(shù)學模型A=R，B=R時，A=3，B=3；A=T，B=S時，A=5，B=0；A=S，B=T時，A=0，B=5；A=P，B=P時，A=1，B=1。17囚徒困境——博弈策略建?！景咐可钪械摹扒敉嚼Ь场爆F(xiàn)象。幼兒園小朋友互相分享玩具（給他玩，不給他玩）；夫妻雙方對家庭的態(tài)度（忠誠，背叛）；公共衛(wèi)生的維持（不扔垃圾，亂扔垃圾）；老板與下屬的關系（信任，不信任）；商場上的君子協(xié)定（不違約，違約）；競爭對手的價格戰(zhàn)（不降價，降價）；國家之間的對抗（和平，戰(zhàn)爭）等。雖然括號內的前者選擇是大家想要達到的目標，但自私的結果往往是大家要接受后者。18人類行為中的計算思維

計算思維不僅能夠反映人類思維活動，還能夠通過計算手段來研究人類的行為。系統(tǒng)設計問題求解人類行為理解191.3.1計算思維概述例如：張女士孩子已經(jīng)上大學，為改善自己的居住條件，想在某樓盤買房。售樓員推薦7號樓的一套房子，推薦語如下：

7號在小區(qū)“樓王”位置，景觀好；距離X中學步行5分鐘；經(jīng)理在這棟樓共預留了8套，現(xiàn)在僅剩2套，且昨天已有客戶意向訂了一套；這套房還贈送陽臺面積；價格上稍高于其他樓，這棟樓均價為9500元/m2，其他樓有9000元/m2、8500元/m2。人類行為中的計算思維首先按照結構化程序設計中的“自頂向下，逐層分解”，利用信息的特征，將一個大問題分解為若干小問題；其次再將小問題細化，得出解決方案。

人類行為中的計算思維人類行為中的計算思維預置和緩存

小學生早晨去學校時，她把當天需要的東西放進背包；回推小男孩弄丟他的手套時，你建議他沿走過的路回尋；多服務器系統(tǒng)的性能模型在超市付賬時你應當去排哪個隊呢？失敗的無關性和設計的冗余性

為什么停電時你的電話仍然可用？22重要理論計算思維的本質：抽象、自動化（程序、算法）計算思維能力：建立起利用計算機技術解決問題的思路，并理解問題的可求解性。問題抽象、模型建立、算法設計、實現(xiàn)抽象自動化231.3.2計算思維的本質1是概念化的抽象思維而不是程序設計抽象多層次思維計算機科學不等于計算機編程。所謂像計算機科學家那樣去思維，其含義不僅限于計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層面上思維。241.3.2計算思維的本質2是根本的而不是刻板的技能現(xiàn)代社會每個人都必須掌握的技能根本技能是每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的。刻板技能意味著機械地重復。計算思維是一種創(chuàng)新能力。251.3.2計算思維的本質3是人的而不是計算機的思維方式人類賦予計算機以激情創(chuàng)造性的使用計算機計算思維是人類求解問題的一條途徑，人類聰穎且富有想象力，人類賦予計算機以激情。配置了計算設備，就能用自己的智慧去解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題。261.3.2計算思維的本質4是數(shù)學和工程思維的互補與融合計算機科學在本質上源自數(shù)學思維，構建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界去打造各種系統(tǒng)。271.3.2計算思維的本質5是思想而不是人造物計算思維不僅體現(xiàn)在以物理形式呈現(xiàn)并時時刻刻觸及人們生活硬件、軟件等人造物上，更重要的是計算的概念，這種概念被人們用于問題求解、日常生活的管理以及與他人進行交流和互動。281.3.2計算思維的本質6面向所有人和所有地方計算思維已真正融入人類活動的整體，而不再表現(xiàn)為一種顯示哲學，它作為一個問題解決的有效供給，需要在所有地方、所有學校的課堂教學中都得到應用。291.3.2計算思維的本質計算機促進計算思維的研究與發(fā)展

計算機對信息的處理快速、記憶力強的特點，使得原本只能理論上實現(xiàn)的過程，變成實際可行的實現(xiàn)過程計算思維研究推動計算機的發(fā)展

在對計算思維的廣泛、深入研究過程中，逐步揭示出一些屬于計算思維的特點，計算思維與理論思維、驗證思維的差異越來越明晰。計算思維的內容得到不斷的豐富與發(fā)展。從思維的角度來說，計算科學主要研究計算思維的概念、方法和內容，并發(fā)展成為解決問題的一種思維方式，極大地推動了計算思維的發(fā)展。301.3.3計算思維與計算機的關系生物學腦科