计算机导论.1.优秀PPT.ppt

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1、课程目标与主要内容课程目标与主要内容课程目标课程目标:理解计算在问题求解中所能起的作用；理解计算在问题求解中所能起的作用；接触信息技术的基础学问；接触信息技术的基础学问；培育学习计算机及计算思维的专业技能的培育学习计算机及计算思维的专业技能的爱好，包括动手编程，为深化学习计算机爱好，包括动手编程，为深化学习计算机专业课程打下良好基础。专业课程打下良好基础。主要内容主要内容:信息与计算科学信息与计算科学计算机系统计算机系统多媒体技术基础多媒体技术基础程序数据的结构、组织与管理程序数据的结构、组织与管理数据库技术基础数据库技术基础计算机网络与应用计算机网络与应用信息系统平安与社会责任信息系统平安与

2、社会责任主要参考资料主要参考资料高校信息技术基础福建省计算机教学指导委员会计算机科学引论（影印版）（美）奥利里（Oleary T.J.）编著.高等教化出版社.附CD光盘，可当做专业英语学.Python Programming:An Introduction to Computer Science.Zelle,John.Wilsonville,OR:Franklin,Beedle&Associates,2003.(MIT):/greenteapress /thinkpython/thinkCSpy/html/chap01.html 课程的要求及说明课程的要求及说明正确处理教材与听课的关系大部分教

3、学材料在书上；绝大部分说明在课堂。课程考核方式考试（闭卷），占总成果70%平常成果占30%考勤状况 【10%】第一次扣5分；其次次扣10分；三次考勤不到，平常成果为0。作业状况 【10%】缺交一次，扣2分（补(迟)交实际成果的60(80)%记分）；三次作业不交，平常成果为0。上课状况 【10%】每次扣2分；三次上课违纪，算旷课一次；该项为0时，平常成果为0。课程的要求及说明（续）课程的要求及说明（续）附加说明平常成果为0者接着违纪，将取消考试资格。补救政策：考勤三次不到者，可申请“讲课自救”，合格者，可以复原除考勤外的其他成果。考勤不到者，可“举报”其他缺勤同学，每人次加一分。作业三次不交者，

4、可在补齐作业的前提下，申请“讲课自救”；合格者，可以复原平常成果，补齐作业按实际成果的50%记分。纪律成果为零者，在反省错误的同时，可申请“讲课自救”；合格者，可以复原平常成果；纪律成果将视后续表现评定。在条件允许的前提下，补救机会一人一次，如“自救”后再次违纪，将永久性的取消平常成果，并视情节轻重推断是否取消考试资格。讲课自救：指定内容授课，大家评分，同学占50%，老师占50%；60分及其以上为合格。本规定与学生手册上的相关纪律及规定并行。第一章信息与计算科学信息与计算科学n本章要点本章要点n探究信息的真谛探究信息的真谛n信息技术与信息科学信息技术与信息科学n计算与计算科学计算与计算科学n计

5、算机的信息表示与编码计算机的信息表示与编码n计算机的逻辑运算与逻辑门电计算机的逻辑运算与逻辑门电路路1.1 1.1 探究信息的真谛探究信息的真谛什么是信息什么是信息?消息，事实，数据，学问，见闻，通知，报告，消息，事实，数据，学问，见闻，通知，报告，情报，情报，.随着时间的推移，时代赐予了信息新的含义，信随着时间的推移，时代赐予了信息新的含义，信息是一个动态的概念。现代息是一个动态的概念。现代“信息信息”的概念，已的概念，已经与半导体技术、微电子技术、计算机技术、通经与半导体技术、微电子技术、计算机技术、通讯技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、讯技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、信息

6、产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息论等含义紧密地联系在一起。信息论等含义紧密地联系在一起。维纳(N.Wiener),1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日去世。美国数学家，限制论的创始人。信信息息是是我我们们在在适适应应外外部部世世界界，并并使使这这种种适适应应反反作作用用于于外外部部世世界界的的过过程程中中，同同外外部部世世界界进进行行交交换换的的内容的名称。内容的名称。要要有有效效的的生生活活，就就必必需需有有足足够够的的信息。信息。1.1 1.1 探究信息的真谛探究信息的真谛把人们与外界环境交换信息的过程看成是

7、一种广义的通信过程。评述在诸多信息定义当中，维纳的定义是很重要的。其重要性就在他指出构成系统要有三个要素，即物质、能量和信息。物质、能量和信息分别从不同侧面反映了系统三项性质，三者缺一不行，但又相互联系。香农（香农（C.E.Shannon)1916年年4月月30日诞生于美国密歇根州，日诞生于美国密歇根州，2001年年2月月26日去世。美国数学家、信日去世。美国数学家、信息论的创始人。息论的创始人。信息是能够削减或消退不确定性的信息是能够削减或消退不确定性的东西。东西。(1948)信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消退或削减。平均信息量，熵 Page6返回书目返回书目1.1 1.1

8、 探究信息的真谛探究信息的真谛1.1 1.1 探究信息的真谛探究信息的真谛朗格（G.Longe）：用变异量来衡量信息信息就是差异，差异越大，信息量越大。钟义信：信息是“事物运动状态和方式，也就是事物内部结构和外部联系的状态和方式”。辞源：信息就是收信者事先所不知道的报导。韦氏字典：信息是指对消息接受者来说预先不知道的报道。信息论是信息科学的重要基础！香农（C.E.Shannon）的探讨成果标记着信息论（Information Theory）的诞生。A Mathematical Theory of Communication，1948.Communication in the Presence

9、of Noise，1949.Referrence：:/wapedia.mobi/en/Hartleys_law主要贡献：阐明白通信的基本问题；提出了通信系统的模型；给出了信息量的数学表达式；解决了信道容量、信源统计特性、信源编码和信道编码等问题。信息论的三个发展阶段信息论的三个发展阶段香农对信息的定义香农对信息的定义 信息是有秩序的量度，是人们对事信息是有秩序的量度，是人们对事物了解的不确定性的消退或削减。信息是物了解的不确定性的消退或削减。信息是对组织程度的一种测度，信息能使物质系对组织程度的一种测度，信息能使物质系统有序性增加，削减破坏、混乱和噪音。统有序性增加，削减破坏、混乱和噪音。通信

10、系统模型：通信系统模型：信源信源信道信道编码编码信宿信宿解码解码信息信息信息信息信号信号信号信号干扰干扰信道：在物理线路上信道：在物理线路上划分的逻辑通道。划分的逻辑通道。香香农农将将“熵熵”的的概概念念引引入入信信息息领领域域。一一个个系系统统的的熵熵就就是是它它的的无无组组织织程程度度的的度度量量。而而一一个个系系统统中中的的信信息息量量是是它它的的组组织织化化程程度度的的度度量量，这这说说明明信信息息与与熵熵恰恰好好是是一一个个相反的量，信息是负熵。相反的量，信息是负熵。启启示示：不不行行能能用用少少于于熵熵的的比比特特数数来来准准确确表达某一事物。（无损压缩的基础）表达某一事物。（无损

11、压缩的基础）信息的度量信息的度量 自信息量及其计算自信息量及其计算若某事务的基本空间可能出现的元素分别为若某事务的基本空间可能出现的元素分别为x1x1，x2x2，xmxm；且每一个可能值的概率为：；且每一个可能值的概率为：P P（X=xiX=xi）p p i=1,2,m i=1,2,m 则定义一个随机事务则定义一个随机事务x x所含的信息量所含的信息量称为称为x x的自信息量：的自信息量：其中，其中，I(x)I(x)代表代表x x的自信息量，的自信息量，p(x)p(x)为事务为事务x x出出现的概率现的概率,当底数为当底数为2 2时，信息的计量单位为时，信息的计量单位为比特（比特（bitbit

12、）。）。n 事务的分类n 必定事务：在确定条件下必定要发生的事务如:星期一过后是星期二，其发生的概率为1；n 不行能事务：在确定条件下必定不会发生的事务如:太阳从西边升起，其发生的概率为0；n 随机事务：在相同条件下，可能发生也可能不发生的事务，其概率介于0到1之间。例例1 1：假设我们想由甲地告知乙地关于甲地的：假设我们想由甲地告知乙地关于甲地的状态，如甲地共有状态，如甲地共有8 8种状态，每种状态发生的种状态，每种状态发生的概率是相等的，即概率是相等的，即1/81/8。假如甲告知乙，甲处。假如甲告知乙，甲处于第于第i i种状态，这时甲传给乙的信息量是多少种状态，这时甲传给乙的信息量是多少？

13、信息量信息量 I I-log-log2 2(1/8)(1/8)3(bit)3(bit)信息熵及其计算信息熵及其计算 信信息息熵熵：定定义义平平均均信信息息量量来来作作为为信信息息总总 体的测度。体的测度。设设X为为一离散随机一离散随机变变量，在集合量，在集合 x1，x2，xn中取中取值值，其概率分布，其概率分布为为定定义义：称称H(X)为为离散离散变变量量X的信息的信息熵熵。例例2 2：某信源有：某信源有8 8种相互独立的状态，其发生概种相互独立的状态，其发生概率分别是率分别是1/4,0,0,1/4,0,0,0,1/2,1/4,0,0,1/4,0,0,0,1/2,这时信源传这时信源传给信宿的信

14、息熵是多少？给信宿的信息熵是多少？信息熵信息熵 =1.5(bit)香农信息论的局限性香农信息论的局限性香农对信息的定义的动身点是假定事物状态可香农对信息的定义的动身点是假定事物状态可以用一个以经典集合论为基础的概率模型来描以用一个以经典集合论为基础的概率模型来描述。然而实际存在的某些事物运动状态要找寻述。然而实际存在的某些事物运动状态要找寻一个合适的概率模型往往是特别困难的。这个一个合适的概率模型往往是特别困难的。这个定义和度量缺少考虑收信者的主观性和信息的定义和度量缺少考虑收信者的主观性和信息的具体内容。具体内容。数据、消息、信号与信息的区分数据、消息、信号与信息的区分数据是对客观实体的一种

15、描述形式，是数据是对客观实体的一种描述形式，是信息的载体。数据是未加工的信息，信信息的载体。数据是未加工的信息，信息是经过加工的数据，将数据加工为数息是经过加工的数据，将数据加工为数据的过程称为信息加工或处理。数据分据的过程称为信息加工或处理。数据分为模拟数据和数字数据。为模拟数据和数字数据。数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系数据（原材料木头）与信息（加工以形成的结构）的关系数据、消息、信号与信息的区分数据、消息、信号与信息的区分(续续)l消息消息l信信息息是是包包含含在在消消息息中中的的抽抽象象量量，消消息息是是具具体体的的，其其中中蕴含着信息。蕴含着信息。l在在通通信信过过

16、程程中中，信信息息总总是是经经过过编编码码（符符号号化化)成成为为消消息息以以后后，才才能能经经由由媒媒介介传传播播的的，而而信信息息的的接接收收者者收收到到信息后，总是要经过译码信息后，总是要经过译码(解读解读)才获得其中的信息。才获得其中的信息。l信号信号l把把消消息息变变换换成成适适合合信信道道传传输输的的物物理理量量，这这种种物物理理量量称称为信号。为信号。l信号携带着消息，它是消息的运载工具。信号携带着消息，它是消息的运载工具。l是数据的电磁或光脉冲编码。是数据的电磁或光脉冲编码。l信号可以分为模拟信号和数字信号。信号可以分为模拟信号和数字信号。l模拟信号是一种随时间而连续变更的信号

17、。模拟信号是一种随时间而连续变更的信号。l数字信号则是在时间上的一种离散信号。数字信号则是在时间上的一种离散信号。信信 息息信息就是差异信息就是差异 【LongoLongo】评评述述此指信息量，而量与此指信息量，而量与质质是相关的，没有差异就是相关的，没有差异就没有没有结结构，也就没有信息。因而信息量是构，也就没有信息。因而信息量是结结构的差异。构的差异。(狭狭义义)是收信者事先不知道的是收信者事先不知道的报报道道 【辞源】【辞源】(广广义义)是是对对各种事物的存在方式、运各种事物的存在方式、运动动状状态态和相互和相互联联系特征的一种表达和系特征的一种表达和陈陈述，是自然界、人述，是自然界、人

18、类类社会和人社会和人类类思思维维活活动动普遍存在的一切物普遍存在的一切物质质和事物的属性。和事物的属性。确定性的增加（不确定的削减）【确定性的增加（不确定的削减）【Shannon Shannon】信息就是信息，是物信息就是信息，是物质质、能量、信息的、能量、信息的标标示【示【Wiener Wiener】（标标准化）信息是事物及其属性准化）信息是事物及其属性标识标识的集合的集合 【邓邓宇宇】1.2 1.2 信息技术与信息科学信息技术与信息科学迄今为止，人类社会已经发生过四次信息技术革命：迄今为止，人类社会已经发生过四次信息技术革命：第一次革命是人类创建了语言和文字，接着现出了文献。第一次革命是人

19、类创建了语言和文字，接着现出了文献。意义：使信息沟通成为了可能意义：使信息沟通成为了可能其次次革命是造纸和印刷术的出现。其次次革命是造纸和印刷术的出现。意义：扩大了信息沟通的范围意义：扩大了信息沟通的范围第三次革命是电报、电话、电视及其他通讯技术的独创和应第三次革命是电报、电话、电视及其他通讯技术的独创和应用。用。意义：加快了信息传递的速度意义：加快了信息传递的速度第四次革命是电子计算机和现代通讯技术在信息工作中的应第四次革命是电子计算机和现代通讯技术在信息工作中的应用。用。意义：对信息的处理和利用的实力空前提高意义：对信息的处理和利用的实力空前提高正在进行中的第五次革命：计算机及计算机网络与

20、通信卫星、正在进行中的第五次革命：计算机及计算机网络与通信卫星、光纤等等现代通讯技术的结合。光纤等等现代通讯技术的结合。1.2.1 1.2.1 信息技术的定义信息技术的定义定定义义1 1：信信息息技技术术是是指指有有关关信信息息的的收收集集、识识别别、提提取取、变变换换、存存贮贮、传传递递、处处理理、检检索索、检检测测、分分析和利用等的技术。析和利用等的技术。定定义义2 2：现现代代信信息息技技术术“以以计计算算机机技技术术、微微电电子子技技术和通信技术为特征术和通信技术为特征”。定定义义3 3：信信息息技技术术是是指指在在计计算算机机和和通通信信技技术术支支持持下下用用以以获获得得、加加工工

21、、存存储储、变变换换、显显示示和和传传输输文文字字、数数值值、图图像像以以及及声声音音信信息息，包包括括供供应应设设备备和和供供应应信息服务两大方面的方法与设备的总称。信息服务两大方面的方法与设备的总称。1.2.1 1.2.1 信息技术的定义（续）信息技术的定义（续）定定义义4 4：信信息息技技术术指指“应应用用在在信信息息加加工工和和处处理理中中的的科科学学，技技术术与与工工程程的的训训练练方方法法和和管管理理技技巧巧；上上述述方方法法和和技技巧巧的的应应用用；计计算算机机及及其其与与人人、机机的的相相互互作作用用，与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。与人相应的社会、经济和文化等诸种事物。

22、”定定义义5 5：信信息息技技术术包包括括信信息息传传递递过过程程中中的的各各个个方方面面，即即信信息息的的产产生生、收收集集、交交换换、存存储储、传传输输、显显示示、识别、提取、限制、加工和利用等技术。识别、提取、限制、加工和利用等技术。信信息息技技术术是是人人类类开开发发和和利利用用信信息息资资源源的的全全部部手手段段的的总总和和。从从技技术术的的本本质质意意义义上上讲讲，信信息息技技术术就就是是能能够够扩展人的信息器官功能的一类技术。扩展人的信息器官功能的一类技术。人类的信息器官与功能人的信息器官主要包括以下四类：人的信息器官主要包括以下四类：感感觉觉器器官官：包括视觉、听觉、嗅觉、味觉

23、、触觉和平衡感觉等器官；传传导导神神经经网网络络：分为导入神经网络和导出神经网络以及中间传导神经网络等；思思维维器器官官：包括记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等；效效应应器器官官：包括操作器官(手)、行走器官(脚)和语言器官(口)等。获得信息获得信息传递信息传递信息加工加工 再生信息再生信息运用信息运用信息信息器官及其功能信息器官及其功能信息技术对人类信息器官的扩展信息技术对人类信息器官的扩展:1.2.2 信息技术的核心（1/5）计计算算机机技技术术：扩扩展展了了思思维维器器官官处处理理信信息息和和决决策策的的功能功能1.2.2 信息技术的核心（2/5）微微电电子子技技术术：扩扩展展了了

24、人人对对信信息息的的存存储储和和运运用实力用实力1.2.2 信息技术的核心（3/5）通通信信技技术术：扩扩展展了了扩扩展展人人的的神神经经系系统统传传递递信息的功能信息的功能1.2.2 信息技术的核心（4/5）传传感感技技术术：扩扩展展了了人人的的感感觉觉器器官官收收集集信信息息的功能的功能能够检测爆炸物的微型化学传感器1.2.2 信息技术的核心（4/5）限限制制技技术术：扩扩展展了了人人的的效效应应器官功能器官功能会聚技术（会聚技术（NBICNBIC）1/21/22001年12月，美国商务部、NSF、国家科学技术委员会提出“会聚四大技术，提升人类实力”。会聚技术（Nano-Bio-Info-

25、Cogno，NBIC)纳米技术生物技术信息技术认知科学“假如认知科学家能够想到它，纳米科学家就能够制造它，生物科学家就能够运用它，信息科学家就能够监视和限制它”。提升人类实力的会聚技术 会聚技术（会聚技术（NBICNBIC）2/22/2会聚技术与人类以往全部技术不同之处是把提升人类自身实力作为其最终目标。会聚技术不仅仅是技术的会聚，而且反映了科学的统一，体现了“科学要统一，技术要汇聚，人类要进步”的发展新思维。人类将在纳米的物质层面上重新相识和改造世界以及人类本身。人类将拥有大量的成本低廉的各种量级的传感器网络和实时信息系统，机器人和软件将实现特性化，全部的器件均由智能新型材料构成，智能系统普

26、遍应用于工厂、家庭和个人，国家也将拥有便胁式战斗系统、免受攻击的数据网络和先进的情报汇总系统，国家平安大大增加。科学(Science)与技术(Technology)科学是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系,是关于自然、社会和思维的发展与变更规律的学问体系；技术则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法，泛指依据生产实践阅历和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法、技能和技巧。工程（Engineering）是指将科学原理应用到工农业等生产部门中去而形成的各门学科的总称。1.2.3 信息科学1.2.3 信息科学起起因因：信信息息科科学学的的崛崛起起，是是信信息息现现象象日日趋趋困

27、困难难化化、信信息息爆爆炸炸性性增增长长、学学问问重重要要性性增增加加、信信息息技技术术飞飞速速发发展展等等因因素相互作用的结果。是信息时代的必定产物。素相互作用的结果。是信息时代的必定产物。特特征征：以以信信息息为为基基本本探探讨讨对对象象，传传统统科科学学都都是是以以物物质质和和能能量量为为主主要要探探讨讨对对象象，这这是是信信息息科科学学有有别别于于一一切切传传统统科科学最基本的特征。学最基本的特征。探讨信息的产生，获得，存储，传输，处理及其应用。探讨信息的产生，获得，存储，传输，处理及其应用。探探讨讨信信息息及及其其运运动动规规律律、扩扩展展人人的的信信息息功功能能(特特殊殊是是智智力

28、功能为主要探讨目标力功能为主要探讨目标)的新兴、边缘、综合性学科。的新兴、边缘、综合性学科。返回书目返回书目信息科学的探讨内容与体系将信息科学探讨的基本内容归纳为五个方面：探讨信息的基本概念和本质。探讨信息的数值度量方法。阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效(限制)等过程的一般规律。揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理。寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。信息科学的探讨范围已经远远超出了香农的信息论的领域而深化到了限制科学、系统科学、困难性科学、人工智能理论、认知科学等领域。1.2.3 信息科学从信息科学的探讨内容来划分，我们可以将信息科学的基本科学体

29、系分为三个层次：信息科学的哲学层次；信息科学的基础理论层次；信息科学的技术应用层次；信息科学以香农创立的信息论为理论基础，以现代科学方法论作为主要探讨方法、以探讨信息及其运动规律为主要内容、以扩展人的信息功能作为主要探讨目标的一门科学。1.2.3 信息科学1.2.3 信息科学在国家自然科学基金委“十一五”发展规划中曾指出：信息科学是探讨信息的产生、获得、存储、显示、处理、传输和利用的科学。信息科学应当是探讨信息的产生、获得、存储、表示、处理、传输、利用及其相互关系的科学.信息科学是探讨信息和信息活动（产生、获得、存储、表示、处理、传输、利用）的规律、原理、相互关系以及技术实现的科学。信息科学发展战略探讨中提出了15个优先发展的领域及其探讨目标，这些领域包括后摩尔时代的新型器件，纳米级集成电路，微纳光子器件与光电集成，太赫兹与新型红外、毫米波器件，高辨别率探测成像，强场与超强场激光技术，低功耗艾级超级计算机系统，多机器人协调与仿朝气器人，传感网络基础，B4G移动通信理论与技术，网络数据挖掘与理解，互联网计算（云计算），赛博空间平安，困难限制理论与技术，困难系统与困难网络。5个重大交叉学科领域生命信息检测与解读量子计算与量子调控基于光电子的精密测量空间信息网络基础面对社会发展的群智计算