人工智能与未来 课件 1.3 自动计算探索

ManualtoAutomaticinCalculation第1章从手工计算到自动计算2035主讲：王红梅目录CONTENTS1.11.21.3身边的计算手工计算与工具辅助计算自动计算探索1.4自动计算实现与发展（1）脑力劳动要解放20世纪，机械化和电气化时代到来。体力劳动可以用机器，出行可以乘车，唯有脑力劳动（思考、计算、决策等）还需要“人”亲历亲为。一、自动计算的社会需求（2）计算效率亟待提高

工业化带来了巨量数据和高精度数据计算需求，以人脑为主的手工计算和工具辅助计算不能满足实践需求。二、自动计算探索过程阿兰·图灵冯·诺依曼乔治·布尔克劳德·香农贡献逻辑代数逻辑电路图灵模型冯·诺依曼体系结构解决的问题逻辑数学化逻辑电路化机器自动计算的可能性自动计算有了可行方案四位大卡的视频请移步到本课程学习通崇拜谁，追随谁，你就可能成为谁乔布斯

图灵爱因斯坦我的偶像我的偶像中国量子之父潘建伟院士

传统上，逻辑只用语言文字表达，如“如果你能说到做到，你就是言行一致的人”。乔治·布尔等人提出了用数学来描述和研究逻辑的方法，即逻辑代数（又称布尔代数）。基本内容：

①逻辑命题的真、假分别用1、0表示；

②逻辑运算的与、或、非可以用AND、OR和NOT表示；

③一系列的运算规则。三、自动计算探索（1）逻辑数学化语言文字形式的逻辑数学符号形式的逻辑如果你能说到做到，你就是言行一致(品格高尚)A=1B=1C=AANDB=1举例1：如果你能说到做到，你就是言行一致的人假设说→A，做→B，与→AND，言行一致→C三、自动计算探索（1）逻辑数学化

三、自动计算探索（1）逻辑数学化逻辑代数中的交运算处理的是命题的真假值，表示命题同时为真而集合论中的交集操作处理的是集合中的元素，表示元素归属两个集合与(AND)运算含义0AND0=0两个假命题相与，结果为假0AND1=0一个假命题和一个真命题相与，结果为假1AND0=0一个真命题和一个假命题相与，结果为假1AND1=1两个真命题相与，结果为真举例：来两个男生A姓别B性别女女0女男0男女0男男1

三、自动计算探索（1）逻辑数学化逻辑代数中的交运算处理的是命题的真假值，表示命题同时为真而集合论中的交集操作处理的是集合中的元素，表示元素归属两个集合或(OR)运算含义0OR0=0两个假命题相或，结果为假0OR1=1一个假命题和一个真命题相或，结果为真1OR0=1一个真命题和一个假命题相或，结果为真1OR1=1两个真命题相或，结果为真A姓别B性别女女0女男1男女1男男1举例：来两个学生，有男生就可以。

三、自动计算探索（1）逻辑数学化逻辑代数中的交运算处理的是命题的真假值，表示命题同时为真而集合论中的交集操作处理的是集合中的元素，表示元素归属两个集合非(NOT)运算含义NOT0=1一个假命题的非为真NOT1=0一个真命题的非为假

三、自动计算探索（1）逻辑数学化逻辑代数中的交运算处理的是命题的真假值，表示命题同时为真而集合论中的交集操作处理的是集合中的元素，表示元素归属两个集合异或(XOR)运算含义0XOR0=0两个假命题相异或，结果为假0XOR1=1一个假命题和一个真命题相异或，结果为真1XOR0=1一个真命题和一个假命题相异或，结果为真1XOR1=0两个真命题相异或，结果为假A姓别B性别女女0女男1男女1男男0举例：民政所结婚登记。

三、自动计算探索逻辑代数中的交运算处理的是命题的真假值，表示命题同时为真而集合论中的交集操作处理的是集合中的元素，表示元素归属两个集合【案例】小智所在学校下学期准备开设C语言程序设计和Python语言程序设计两门课程供学生选修。小智很喜欢程序设计，决定同时选修两门课。“小智选修了C语言程序设计”可以表示为命题X。“小智选修了Python语言程序设计”可以表示为命题Y。“小智即选修C语言程序设计又选修Python语言程序设计”可以表示为命题Z。命题X、Y与命题Z之间存在逻辑关系：XANDY=Z。1938年香农（C.E.Shannon）提出用开关电路表达逻辑代数的方法，开创了逻辑电路设计与应用。能实现一个基本逻辑运算（与、或、非）的电路单元叫做逻辑门。一个逻辑门进行一种逻辑运算，多个逻辑门按照一定逻辑规则组合起来就可以进行算术运算和复杂的逻辑运算，这就是现代计算机CPU中的基本逻辑。三、自动计算探索（2）逻辑电路化&AND≥1OR1NOT逻辑门：布尔代数运算真值表：三、自动计算探索（2）逻辑电路化与门真值表ABY000010100111或门真值表ABY000011101111非门真值表AY0110=1XOR异或门真值表ABY000011101110&AND逻辑门：布尔代数运算真值表：三、自动计算探索（2）逻辑电路化与门真值表ABY000010100111与门解释电路图逻辑门：三、自动计算探索（2）逻辑电路化或门解释电路图≥1OR或门真值表ABY000011101111三、自动计算探索（2）逻辑电路化非门解释电路图1NOT非门真值表AY0110逻辑门：课后任务：探索逻辑异或的解释电路图可能是什么样？三、自动计算探索（2）逻辑电路化上面我们了解到我们能够利用"开关电路"来模拟逻辑运算。三、自动计算探索（2）逻辑电路化异或门解释电路图=1XOR异或门真值表ABY000011101110逻辑门：A‘是A的取反B‘是B的取反

逻辑门电路可以由电子管实现，也可以由晶体管实现，还可以用集成电路实现。今天广泛使用的各种芯片，包括CPU、GPU等，都是运用超大规模集成电路技术做出来的逻辑电路器件。（2）逻辑电路化三、自动计算探索1936年阿兰·图灵发表论文“论可计算数及其在判定问题上的应用”，该文证明了机器自动计算的可能性，并设计了一个自动计算模型机图灵机。自动计算模型——图灵机三、自动计算探索（3）机器自动计算可能性判定①一条无限长的纸带，纸带被划分为一个个小格子，每个格子包含一个符号。②一个读写头。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读和改写格子上的符号。③一套控制规则（控制器）。控制读写头来回移动。三、自动计算探索（3）机器自动计算可能性判定图灵的贡献：理论证明了机器自动计算的可能性给出了造自动机的方法-模仿人，也是人工智能基本方法给出了自动机的基本框架，即输入、输出、有限控制给出了可计算问题判断标准给出了问题自动计算方法，即问题符号化、符号从输入到输出自动变换，也是人工智能基本方法。三、自动计算探索（3）机器自动计算可能性判定现实问题不可计算or可计算；理论可计算实践发现难计算。计算机科学家一直尝试解决的问题就是“什么能被有效地自动计算”。三、自动计算探索（3）机器自动计算可能性判定1945年冯·诺依曼设计出了一个自动计算方案，其内容主要包括三个方面：自动计算机将包含运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分。程序和数据以二进制代码形式存储。在控制器控制下自动地取指令并执行。三、自动计算探索（