计算思维操作性定义.ppt
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1、HPM&S计算思维操作性定义计算思维操作性定义李波 13709218618 高效能建模与仿真研究小组西安交通大学 2012年11月HPM&S汇报提纲汇报提纲缘与使命对计算本质认识的变革计算思维主要定义对问题求解的认识引起对计算机教学的再认识计算机学科的本质特点计算思维操作性定义HPM&S缘与使命缘与使命图灵诞生100周年龙女计算思维西安首届1912年6月23日生于伦敦HPM&S Dragon LadyIn 1983,I went to China for two months with a Chinese-American student tour group.We spent two wee
2、ks in Xian,where we were each handed a sword,and every morning we had to wake up at 5 oclock and we were supposed to learn this sword dance.I really took to it.To me,it was like ballet.Doing a Chinese sword dance,which I learned in Xian,ChinaHPM&S缘与使命缘与使命图灵诞生100周年龙女计算思维西安首届使命使命传承计算文化传承计算文化弘扬计算之美弘扬计算
3、之美培养计算思维培养计算思维HPM&S汇报提纲汇报提纲缘与使命对计算本质认识的变革计算思维主要定义对问题求解的认识引起对计算机教学的再认识计算机学科的本质特点计算思维操作性定义HPM&SPeter J.DenningCOMMUNICATIONS OF THE ACM July 2007/Vol.50,No.7HPM&S对计算本质认知的变革对计算本质认知的变革1940s工具阶段11980s方法阶段22000s基本过程阶段3电子数字计算机时代1.Computation was seen as a tool for solving equations,cracking codes,analyzing
4、 data,managing business processes,running simulations,and solving models.2.Computation soon established itself as a powerful tool that made formerly intractable analyses tractable.3.It took many technologies to new heights,such as atomic energy,advanced aircraft and ship design,drug design,structura
5、l analyses of buildings,and weather prediction.HPM&S对计算本质认知的变革对计算本质认知的变革1940s工具阶段11980s方法阶段22000s基本过程阶段3Computation had advanced from a tool to exploit existing knowledge to a means of discovering new knowledge.Nobel Physics Laureate Ken Wilson was among the first to say that computation had become
6、a third leg of science,joining the traditions of theory and experiment.He and others coined the term“computational science”to refer to the search for new discoveries using computation as the main method.HPM&S1940s工具阶段11980s方法阶段22000s基本过程阶段3Scientists from many fields were saying they had discovered
7、information processes in the deep structures of their fields.BiologyNobel Laureate and Caltech President David Baltimore“Biology is today an information science.The output of the system,the mechanics of life,are encoded in a digital medium and read out by a series of reading heads.Biology is no long
8、er solely the province of the small laboratory.Contributions come from many directions.”(The Invisible Future,Wiley,2001,p.45.)对计算本质认知的变革对计算本质认知的变革HPM&SNatural information processes.:nature long ago learned how to encode information about organisms in DNA and then to generate new organisms from DNA
9、through its own computational methods.PhysicsPhysicists said that quantum waves carry information that generates physical effects.They have made significant advances with quantum computation and quantum cryptography.Nobel Laureate Richard Feynman became famous for showing that quantum electrodynamic
10、s(QED)was natures computational method for combining quantum particle interactions.In his book A New Kind of Science(2002),Stephen Wolfram proclaimed that nature is written in the language of computation,challenging Galileos claim that it is written in mathematics.Jeanette Wing has concluded that co
11、mputational concepts are deeply embedded into everyday thinking in many fields.Computation is everywhere.HPM&S相关学科发展背景相关学科发展背景HPM&S中国至中国至2050年信息科技发展路线图年信息科技发展路线图 发展泛在的信息科学技术,构建泛在的信息网络,重点围绕无处不在的网络信息技术应用,信息基础设施升级换代,信息器件、设备与软件的变革性突破,新信息科学与前沿交叉科学等四个层次进行战略安排。HPM&S2020年前后年前后突破低成本器件和系统设计技术,物理世界的新型感知机理、语义检索
12、和分析技术等。发展可扩展、高可信的下一代互联网和自组织的无线传感网络,积极推进三网融合。按照延续、扩展和跨越摩尔定律摩尔定律三条途径发展微电子技术和新型信息器件,突破多核芯片设计、片上光互联和片上大规模光计算、艾级(1018)超级计算技术等。突破网络科学网络科学、分布式交互算法设计理论分布式交互算法设计理论、大规模工业软件、自然的人机界面、蛋白质结构预测等;构建“平行社平行社会会”系统系统。HPM&S2035年前后年前后突破网络信息理论网络信息理论、网络算法理论网络算法理论、网络计算模型网络计算模型等。建立可持续网络服务体系,突破低功耗芯片和系统设计、实用的知识本体与知识网格技术等。实现超越T
13、CP/IP的未来网络和具有感知与认知能力的无线通信系统,突破分组交换的全光网络技术等。突破纳米、量子等变革性器件和电路技术,实现泽级(1021)超级计算,软件开发成本平均每两年降低50%。突破可信计算系统、情感理解技术等;构建人类基因组差异数据库。HPM&S2050年前后年前后建立普适的信息科学,计算成为自然系统、人造计算成为自然系统、人造系统、社会系统领域的基本思维方式系统、社会系统领域的基本思维方式;构建可持续发展的计算基础设施和应用服务;继计算与网络融合、计算与物理系统融合之后,脑科学与认知科学取得重大突破,实现计算与智能的融合,形成较成熟成熟的信息科学。HPM&SComputation
14、al LensHPM&SHPM&S三栖学者三栖学者理查德卡普(Richard Karp)教授现任美国加州大学伯克利分校计算机科学讲座教授,美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院、欧洲科学院院士。因其在计算机科学领域的基础贡献曾获图灵奖、冯诺依曼奖、美国国家科学勋章、哈佛大学百年奖章等奖项,还担任美国科学院会刊(PNAS)等多个国际著名刊物编委。卡普之所以被称为“三栖学者”是因为他知识渊博,贯通多个学科专业,因而同时被加州大学伯克利分校的电气工程和计算机系、数学系以及工业工程和运筹学系三个系聘为教授。卡普被授予图灵奖,是因为他在算法的设计与分析、计算复杂性理论、随机化算法等诸多方面作出了创造性
15、贡献。生物信息学的开创人HPM&SRichard M.Karp提出的“计算透镜”(Computational Lens)理念被认为是未来二十年计算机科学可能的发展方向之一。其核心理念是将计算作为一种通用通用的思维方式思维方式,通过这种广义的计算广义的计算(涉及信息处理、执行算法、关注复杂度)来描述各类自然过程和社会过程,从而解决各个学科的问题。这一理念试图将计算机科学由最初的数值计算工具、仿真与可视化技术以及后来基于网络、面向多学科的e-Science平台,变成普遍适用于自然和社会领域的通用思维模式通用思维模式。HPM&SComputational Social Science计算社会科学计算
16、社会科学HPM&SComputational Social Science6 FEBRUARY 2009 VOL 323 SCIENCEDavid Lazer,Alex Pentland,Lada Adamic,Sinan Aral,Albert-Lszl Barabsi,Devon Brewer,Nicholas Christakis,Noshir Contractor,James Fowler,Myron Gutmann,Tony Jebara,Gary King,Michael Macy,Deb Roy,Marshall Van AlstyneHarvard University,MIT
17、,University of Michigan,New York University,Northeastern University,Interdisciplinary Scientific Research,Northwestern University,University of CaliforniaSan Diego,Columbia University,Cornell University,Boston UniversityHPM&SScience2009年2月发表的一篇关于计算社会科学的文章ComputationalSocial Science,该文由美国11个大学及研究机构的共
18、15名研究人员共同编写。文章从计算社会科学的数据获取、研究方法、制约因素、人才培养4个方面,描述了计算社会科学的发展、讨论了社会科学研究的特点等。其主要目的是想借此文向广大读者介绍计算社会科学这一学科理念,推动、提高社会科学研究水平,进一步繁荣社会科学研究工作。HPM&S数字印记数字印记(Digital Traces)目前人们广泛地以各种不同形式、方式生活在各种网络中:人们频繁地检查电子邮件和使用搜索引擎随时随地拨打移动电话和发送短信每天刷卡乘坐交通工具经常使用信用卡购买商品。写博客、发微薄、通过SNS来维护人际关系在公共场所,监视器可以记录人们的活动情况在医院,人们的医疗记录以数字形式被保存
19、以上的种种事情都留下了人们的数字印记(踪迹)数字印记(踪迹)。HPM&S这些数据中蕴含的关于个人和群体行为的规律可能足以改变我们对个人生活、组织机构乃至整个社会的认知。相比较生物和物理等其他学科领域,数据驱动的“计算社会科学”要出现的晚一些,而随着对这种大量社会数据的记录和分析,就逐步产生了计算社会科学。随着信息化和网络化的不断普及与深入,社会动态变化的速度和规模已经提高到一个前所未有的水平,计算社会科学成为新的热点。定义A field is emerging that leverages the capacity to collect and analyze data at a scale
20、that may reveal patterns of individual and group behaviors.一个新兴的领域:利用大规模数据收集和分析能力揭示个人和群体的行为模式行为模式。HPM&S与传统社会科学通过问卷调查形式获得的数据不同,我们可以借助以上种种新技术获得长时间的、连续的、大量人群的各种行为和互动的数据。这些数据为研究动态的人际交流、大型社会网络的演化演化等方面的问题提供了坚实的基础。例如:可以通过电子邮件的记录研究一个群体是趋向稳定还是趋向变化、成员之间什么样的交流模式有利于提高效率、接收信息的多样化是否会提高成员的活力和表现等问题;可以通过给成员佩戴实时记录位置、
21、移动等信息的小电子装置收集数据,研究成员的流动和相互交流的模式对于团体产出的影响;可以通过电子商务网站的查询和交易记录,以及网上电话记录等范围覆盖全球的人际互动数据研究人际互动在经济生产力、公众健康等方面产生的影响;可以利用互联网上的搜索和浏览记录研究什么是当前公众关心的焦点;可以通过网络社区上的帖子研究个体在网络中的位置对他们的品味爱好、情绪和健康的影响;可以通过移动电话追踪人们的位置,研究传染病的传播等等。HPM&SAgent-based-ModellingHPM&SWhy did nobody notice it?HPM&S Luis Garicano at LSE shows Quee
22、n Elizabeth II a chart explaining how the credit crunch was caused.A group of eminent economists has come to the Queens rescue after she asked why no one had predicted the credit crunch during a visit to the London School of Economics in November.HPM&SPage.302016年的一天早上,电子显示屏上的橙色报警灯突然不停闪烁着,美国政府的专家们探测
23、到一个关乎国家安全的预警信号。由于这个电子显示屏背后关联着世界上最大的一些金融机构,包括银行、政府、对冲基金、网络银团等。而橙色预警灯闪烁表明美国的对冲基金已经积聚在相同的金融资产上,此时,如果某个基金突然变现卖出,警示信号就会出现,而这种下挫价格的行为,迫使其他基金尾随卖出,加速资产价格下挫。很多基金可能在短短的30分钟内就会破产,对整个金融系统造成极大的威胁。但是,运用高性能计算机对海量的数据运行并处理后,可以对不可预知的风险进行“情景”预现,此时,金融监管部门及时介入从而可以安全平息此次潜在的金融风险事件。Buchanan,M.(2009),Meltdown modelling,Natu
24、re 460,680-682.HPM&SMark Buchanan,Meltdown modelling:Could agent-based computer models prevent another financial crisis?Nature,2009。该文认为,传统的经济模型已经失败了多次,到现在为止,在没有任何前期试验下,我们还在建立新的经济估算;专家之间的不同知识,可以互撞,并产生新的知识;基于智能体的建模也许可以来预防下一次金融危机。EURACEEURACE是是欧欧盟盟经经济济体体共共同同投投资资开开发发中中的的研研究究欧欧盟盟宏宏观观经经济济政政策策的的仿仿真真系系统统。其
25、其主主要要科科学学目目标标是是建建立立一一个个以以微微观观经经济济为为基基础础的的宏宏观观经经济济分分析析框框架架,提提供供分分析析全全球球规规则则涌涌现现的的新新视视角角。其其主主要要的的社社会会目目标标是是通通过过仿仿真真分分析析财财政政政政策策和和货货币币政政策策的的协协调调、外外部部环环境境震震荡荡下下稳稳定定宏宏观观经经济济的的政政策策、鼓鼓励励科科技技变变革革和和创创新新等等经经济济政政策策的的影影响响,以不断调整和改善经济政策以不断调整和改善经济政策在在EURACEEURACE平平台台中中,其其市市场场的的构构建建分分为为劳劳动动力力市市场场、资资本本产产品品市市场场和和消消费费
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