第1章-計(jì)算思維-導(dǎo)論-Wang Ke 2016-115

計(jì)算思維哈工大深圳研究生院導(dǎo)論第一章計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)1.1計(jì)算思維1.2算法1.3程序設(shè)計(jì)1.4計(jì)算思維案例數(shù)字化生存的智慧：計(jì)算思維一、計(jì)算改變了什么？二、什么是計(jì)算？三、什么是計(jì)算思維？1.計(jì)算改變科學(xué)家的思考方式計(jì)算生物學(xué)改變著生物學(xué)家的思考方式計(jì)算博弈理論改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式納米計(jì)算改變著化學(xué)家的思考方式計(jì)算物理學(xué)改變著物理學(xué)家的思考方式數(shù)學(xué)機(jī)械化改變數(shù)學(xué)家的思考方式社會(huì)計(jì)算改變社會(huì)學(xué)家的思考方式……計(jì)算生物學(xué)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，來(lái)研究生物學(xué)、行為學(xué)和社會(huì)群體系統(tǒng)。例如“蟻群算法”、“蜂群算法”、“螢火蟲算法”、“候鳥算法”計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)運(yùn)用計(jì)算思想分析和綜合經(jīng)濟(jì)問題分析、模型、決策計(jì)算思想在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)理論中占到70%以上的比例“霧霾經(jīng)濟(jì)計(jì)算模型”計(jì)算考古學(xué)--人臉復(fù)原2000年前的馬王堆辛追夫人與3500年前的古埃及最美麗的王妃：妮菲蒂蒂2.計(jì)算改變工作方式：數(shù)字化會(huì)議數(shù)字化醫(yī)療數(shù)字化教學(xué)(VR&AR)數(shù)字化制造-工業(yè)4.0管路設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jī)器人智能機(jī)器人也是當(dāng)前人工智能領(lǐng)域一個(gè)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(huì)效益強(qiáng),所以,其發(fā)展非常迅速。諸如工業(yè)機(jī)器人、太空機(jī)器人、水下機(jī)器人、家用機(jī)器人、軍用機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人、助理機(jī)器人、機(jī)器人足球賽、機(jī)器人象棋賽……,幾乎應(yīng)有盡有。AI計(jì)算智能--無(wú)處不在

掃地機(jī)器人擦玻璃機(jī)器人客服機(jī)器人蘋果siri微軟CortanaAlphaGo自動(dòng)駕駛智能穿戴智能家居機(jī)器翻譯無(wú)人機(jī)快遞模式識(shí)別識(shí)別是人和生物的基本智能信息處理能力之一。所謂模式識(shí)別,則指的是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物體識(shí)別。這里的物體一般指文字、符號(hào)、圖形、圖像、語(yǔ)音、聲音及傳感器信息等形式的實(shí)體對(duì)象,而并不包括概念、思想、意識(shí)等抽象或虛擬對(duì)象,后者的識(shí)別屬于心理、認(rèn)知及哲學(xué)等學(xué)科的研究范疇。經(jīng)過多年的研究,模式識(shí)別已發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)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(shí)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(hào)牌自動(dòng)識(shí)別。機(jī)器翻譯機(jī)器翻譯就是完全用計(jì)算機(jī)作為兩種語(yǔ)言之間的翻譯。機(jī)器翻譯由來(lái)已久,早在電子計(jì)算機(jī)問世不久,就有人提出了機(jī)器翻譯的設(shè)想,隨后就開始了這方面的研究。機(jī)器翻譯并非想像的那么簡(jiǎn)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(duì)語(yǔ)義理解的基礎(chǔ)上,才能做到真正的翻譯,所以機(jī)器翻譯的真正實(shí)現(xiàn),還要靠自然語(yǔ)言理解方面的突破。EmotivEpoc意念控制器腦電波是人類進(jìn)行思維活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的生物電信號(hào)，Mindwave通過采用了ThinkGear?技術(shù)的智能芯片進(jìn)行腦電波信號(hào)采集、濾波及放大，并通過NeuroSkyeSense?專利算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)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)15年前IBM的超級(jí)電腦“深藍(lán)”擊敗世界國(guó)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(jí)電腦名叫“沃森”。

15年后，Google的”AlphaGo”擊敗了圍棋國(guó)際冠軍李世石?！吧钏{(lán)”與“AlphaGo”窮盡算法演變?yōu)樯疃葘W(xué)習(xí)2016年3月9日12點(diǎn)，谷歌人工智能系統(tǒng)AlphaGo和圍棋世界冠軍李世石的在韓國(guó)首爾正式開始。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(jī)器學(xué)習(xí)方法和樹搜索算法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)提升技能，這一過程被叫做強(qiáng)化學(xué)習(xí)。經(jīng)上百萬(wàn)次重復(fù)后，AlphaGo就可以進(jìn)行對(duì)戰(zhàn)了。圍棋的第一步有361種下法，而一局大約可長(zhǎng)達(dá)150個(gè)回合。在此之前，大多數(shù)電腦依賴還是窮舉法，計(jì)算機(jī)每走一步都要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，這樣下去根本連普通選手都下不過。二、什么是計(jì)算計(jì)算是人類文明最古老而又最時(shí)新的成就之一計(jì)算方法及計(jì)算工具不斷地發(fā)展，對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮了巨大作用計(jì)算的本質(zhì)就是基于規(guī)則的符號(hào)串變換手動(dòng)計(jì)算工具時(shí)代手動(dòng)式計(jì)算工具——算籌圖

1.3手動(dòng)式計(jì)算工具——算盤

機(jī)械式計(jì)算工具時(shí)代法國(guó)著名數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、近代概率論的奠基者和他的計(jì)算工具——帕斯卡加法器1642年機(jī)電計(jì)算工具時(shí)代美國(guó)哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)教授霍華德·艾肯和他的機(jī)電式計(jì)算機(jī)——MARKI

電子計(jì)算機(jī)時(shí)代第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)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、?？颂亍疤旌右惶?hào)”是我國(guó)首臺(tái)千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算是基于規(guī)則的符號(hào)串變換1+2+3

→（1+2）+3 ：結(jié)合律

→

3+3 ：加法口訣，替換規(guī)則

→

6 ：加法口訣從一個(gè)已知的符號(hào)串開始，按照一定的規(guī)則，一步一步地改變符號(hào)串，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)串，這種變換過程就是計(jì)算。三、什么是計(jì)算思維笛卡爾（ReneDescartes）：解析幾何之父

我思故我在思維是對(duì)某個(gè)問題或事物的思考過程以及產(chǎn)生的想法或見解思維是人腦對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)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)系思維是與時(shí)俱進(jìn)的人類的思維水平也必然隨著認(rèn)識(shí)工具的進(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)展我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力計(jì)算無(wú)處不在的時(shí)代思維：計(jì)算思維艾茲格·W·迪科斯徹（1930~2002）（Edsger

Wybe

Dijkstra，）荷蘭計(jì)算機(jī)科學(xué)家，荷蘭Leiden大學(xué)1972年獲得圖靈獎(jiǎng)【例】在中央電視臺(tái)的《幸運(yùn)52》節(jié)目中，要求參與者快速猜出物品的價(jià)格。主持人出示某件物品，參與者每次估算出一個(gè)價(jià)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(tái)價(jià)值在1000元以內(nèi)的隨身聽，并開始了競(jìng)猜。下面是主持人和參與者的一段對(duì)話：….如果你是參與者，你接下來(lái)會(huì)怎么猜？800元！高了400元！600元！低了高了參與者主持人：李詠計(jì)算思維—猜猜猜計(jì)算思維的定義運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想、方法和技術(shù)進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)周以真（JeannetteM.Wing）美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授ACM與IEEE會(huì)士計(jì)算思維的核心是算法思維

為解決一個(gè)問題而采取的方法和步驟，就稱為算法。

算法

一個(gè)農(nóng)夫帶著一只狼、一只羊和一棵白菜，身處河南岸，要把東西全部運(yùn)到北岸。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(dú)留下羊和白菜，也不能單獨(dú)留下羊和狼。例如：農(nóng)夫過河算法帶羊到對(duì)岸空手回本岸帶菜到對(duì)岸帶羊回本岸帶狼到對(duì)岸空手回本岸帶羊到對(duì)岸帶羊到對(duì)岸空手回本岸帶狼到對(duì)岸帶羊回本岸帶菜到對(duì)岸空手回本岸帶羊到對(duì)岸或采用算法思維求解問題分為以下幾個(gè)基本步驟：