计算机科学方法论.ppt

文坤梅博士讲师E Mail kunmei wen 智能与分布计算实验室IntelligenceandDistributedComputingLab 计算机科学与技术方法论 思想与方法 2020 2 3 2 关于本课程 关于 四年之内学什么 的课程学习方法老师 导读课堂学习与自学的结合要求到课 边看 边写 边思考课后看书消化理解不深入 放一放 四年内自然求解 重点把握学科特点 学科形态 历史 发展趋势 方法 知识组织结构和分类体系等 2020 2 3 3 课程的目的 对计算机科学的误解 这门学科的主要工作就是编程和游览网络本课程的目的 寻求一种统一的思想来认知计算机学科的本质对计算机学科进行系统化和科学化的描述关注在计算学科中具有共同的 本质特征的内容对将来四年学习内容有一个框架性的了解 2020 2 3 4 董荣胜 古天龙 计算机科学与技术方法论 人民邮电出版社 2002 9黄德修主编 徐重阳 卢正鼎 朱光喜 孙德宝 张天序等参编 信息科学导论 中国电力出版社 2001 5赵致琢 计算科学导论 第三版 科学出版社 2004 J G Brookshear 布鲁克希尔 美国 计算机科学概论 译本清华大学出版社 第9版 2007 教材与参考 2020 2 3 5 课程评分方法 平时成绩 期末考试 总评开卷考试 2020 2 3 6 课程内容 计算学科发展沿革及二维定义矩阵计算学科中的科学问题计算学科中的三个学科形态计算学科中的核心概念计算学科中的数学方法计算学科中的系统科学方法 2020 2 3 7 什么是计算学科 P22 计算学科是对描述和变换信息的算法过程 包括对其理论 分析 设计 效率 实现和应用等进行的系统研究 它来源于对算法理论 数理逻辑 计算模型 自动计算机器的研究 并与存储式电子计算机的发明一起形成于20世纪40年代初期 2020 2 3 8 计算学科的研究包括从算法与可计算性的研究到根据可计算硬件和软件的实际实现问题的研究 科学与工程技术两方面 两者互为作用 高度融合 计算学科的根本问题是 什么能被 有效地 自动执行 2020 2 3 9 计算机的历史作用 开辟了一个新时代 信息时代孵化了一类新产业 信息产业创立了一门新学科 计算机科学与技术形成了一种新文化 计算机文化 把人类社会从工业时代推向信息时代 从物质产业时代推向信息产业时代 将极为深刻地改变人们的生产方式 生活方式与学习方式 2020 2 3 10 第1章计算学科发展沿革及二维定义矩阵 追求一种会算 会听 会看 会说 会想的工具计算学科的根本问题是 什么能被 有效地 自动执行与理论 工业 制造水平 商业 应用水平 的发展同步 一 发展沿革 2020 2 3 11 第1章计算学科发展沿革及二维定义矩阵 1 计算机的发展线索 1623 1952 手指 结绳 算筹 算盘1623年 什卡尔特 Schikad 第一个演算机 加 乘法1641年 帕斯卡 Pascal 齿轮 加 减法计算器1672年 莱布尼兹 G W Leibniz 手摇计算机奠基1820年 托马斯 C Thomas 生产100台演算机1842 1848年 巴贝奇 C Babbage 差分机和解析机 提出程序控制计算的思想 助手Ada 一 发展沿革 2020 2 3 12 1946年 宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系 第一台通用电子数字计算机 ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 占地170平米 重30吨 长30 48米 宽1米 30个操作台 约相当于10间普通房间的大小 耗电量150千瓦 造价48万美元主要元器件 电子管 二极管和三极管 它包含了17 468真空管7 200水晶二极管 1 500中转 70 000电阻器 10 000电容器 1500继电器 6000多个开关每秒执行5000次加法或400次乘法 是继电器计算机的1000倍 手工计算的20万倍 缺点 未实现babbage关于 程序控制计算的思想 2020 2 3 13 1945 1952年 冯 诺依曼 Von Neuman 第一台存储程序的通用电子数字计算机EDVAC ElectronicDiscretVariableAutomaticComputer 为现代计算机奠定了基础1951年 威尔斯 M V Wilkes 批量生产EDSAC ElectronicDelayStorageAutomaticComputer 面包公司投资 2020 2 3 14 康托尔 G Cantor 1845 1918 集合论P98罗素 B Russell 悖论 s x x s P19布尔 G Boole 代数P103希尔伯特 D Hilbert 纲领P20图灵 A M Turing 1912 1954 机 20世纪30年代后期 P21P62可计算性 图灵可计算性任一过程是能行的 能够具体表现在一个计算中 当且仅当它能够被一台图灵机实现 2 理论奠基 2020 2 3 15 计算学科中的诺贝尔奖 图灵奖 1966 1912年出生于英国伦敦 1954年去世1936年发表论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 提出图灵机理论1950年发表论文 计算机与智能 阐述了计算机可以具有智能的想法 提出图灵测试1966年为纪念图灵的杰出贡献 ACM设立图灵奖 第一位华人图灵奖获得者 姚期智 2020 2 3 16 3 第一代 第四代计算机的主要特征 2020 2 3 17 4 新型计算机系统 第五代计算机 人工智能计算机 面向科学计算 工程设计 模拟仿真的SIMD MISD MIMD并行多机系统 高性能计算机面向人工智能求解的LISP机 归约机 逻辑推理机量子计算机 分子计算机 DNA芯片与生物计算机光计算机 2020 2 3 18 例 深蓝 战胜卡斯帕罗夫 IBM 256 32node 8 2亿步 秒1997 5 两胜一负三平 深蓝 主管谭崇仁等 70万美元 卡40万 IBM5000万广告收益 2020 2 3 19 计算思维 美国卡内基梅隆大学 CMU JeannetteM Wing 周以真 教授的 ComputationalThinking 计算思维 计算思维是建立在计算过程的能力和限制之上的 不管这些过程是由人还是由机器执行的 计算思维涉及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的行为 计算思维涵盖了反映计算机科学之广泛性的一系列思维活动 把计算机这一从工具到思维的发展提炼到与 3R 读 写 算 同等的高度和重要性 成为适合于每一个人的 一种普遍的认识和一类普适的技能 一个人可以主修计算机科学 接着从事医学 法律 商业 政治 以及任何类型的科学和工程 甚至是艺术工作 2020 2 3 20 CDI简介 计算思维 这一概念在2006年3月提出后 引起美国科技界的高度重视 并得到美国国家科学基金会 NSF 重大基金资助计划CDI Cyber EnabledDiscoveryandInnovation Cyber能够实现的科学发现与技术创新 的支持 该计划涉及NSF所有学科部门 强调以计算思维为核心 得到NSF所有学科部门理事会的赞同 任务书2007年9月28日公布 计划五年完成 支持额度为75000万美元 其中 2008年度预算经费为5200万美元 以后逐年增加 该计划旨在使用计算思维 特别是在该领域产生的新思想 新方法 促进美国自然科学和工程技术领域产生革命性的成果 而所谓的计算思维概括起来包括 计算的概念 方法 模型 算法和工具 计算思维正在深刻的影响美国创造新知识与应用新知识的能力 该计划通过 计算思维 在富有挑战性的自然科学与工程 以及教育等学科领域的应用来进一步扩大这种影响 最终CDI的研究成果 将使人们的思维方式产生转变 这种转变反映在对美国自然科学与工程 以及社会经济与技术等学科领域创新问题的理解上 这种变化的应用将进一步保持美国在自然科学与工程等领域所具有的世界领先地位 并进一步提高美国人民的生活质量 CDI网址 http www nsf gov crssprgm cdi 2020 2 3 21 计算机模式的演进 MainframeComputing 主机计算 Client Server C S模式 Client Browser WebServer DBserver B S模式 Client Clusters 集群计算 Client Networking 网络计算 MobileComputing 移动计算 2020 2 3 22 GridComputing 网格计算 Peertopeer 对等计算 WearableComputing 可穿戴计算 PervasiveComputing 普适计算 Client VirtualServerEnvironment 虚拟服务计算 Client p4c personal computer Communication Customer Control SocialComputing 社会计算 CloudComputing 云计算 2020 2 3 23 对等计算 P2P是peer to peer的缩写 P2P就是人可以直接连接到其他用户的计算机 交换文件 而不是像过去那样连接到服务器去浏览与下载 P2P另一个重要特点是改变互联网现在的以大网站为中心的状态 重返 非中心化 并把权力交还给用户 2020 2 3 24 谁在 忽悠 谁 网格计算 学术界热 企业界不热云计算 企业界热 学术界不热 2020 2 3 25 网格计算 依托专网或互联网 将处于不同地域 不同领域的多个计算机资源组织起来 统一调度 组成一台虚拟的 超级计算机 完成一个共同的任务 如一个要求大量计算处理周期和大量数据的科学计算问题 Manyforone 2020 2 3 26 云计算 互联网上某些节点强大的信息资源 包括存储资源 计算资源 软件资源 数据资源 管理资源 通过云计算以互联网上的服务方式 变成广大用户动态 可伸缩的虚拟资源 为用户所用 强调需求驱动 用户主导 按需服务 即用即付 用完即散 不对用户集中控制 用户不关心服务者在什么地方 Oneformany 2020 2 3 27 云计算的应用 网络环境下信息资源的感知 存储 处理 发布 传播和租用 网络化数据挖掘 用户主导 面向领域的跨系统 跨媒体 即时定制的服务或者服务组合 2020 2 3 28 资源共享虚拟计算 网格计算和云计算的相同点 2020 2 3 29 2020 2 3 30 二 计算作为一门学科及二维定义矩阵 1 计算作为一门学科 计算作为一门学科 CompntingasaDiscipline ACM工作组 1989 完成了计算学科 存在性 证明 CC1991 CC2001 ComputingCurricula 报告 为整个学科核心课程的详细设计奠定了基础 P4 计算学科二维定义矩阵 体系 知识体 14个主领域 P188 与三个过程 2 二维定义矩阵 31 32 计算