【计算科学导论】计算科学学科内涵.ppt

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1、计算科学学科内涵计算科学学科内涵计算科学计算科学基本问题基本问题学科特点学科特点发展主线发展主线分支学科分支学科学科范型学科范型学科形态学科形态核心概念核心概念典型方法典型方法典型实例典型实例工作流程工作流程知识结构知识结构计算科学计算科学科学科学：是关于：是关于自然自然、社会社会和和思维思维的发展与变化规的发展与变化规律的律的知识知识体系。体系。技术技术：是泛指根据生产：是泛指根据生产实践经验实践经验和和科学原理科学原理而发而发展形成的各种工艺操作展形成的各种工艺操作方法方法、技能技能和和技巧技巧。工程工程：是指将科学原理应用到工农业生产部门中：是指将科学原理应用到工农业生产部门中去而形成的

2、各门去而形成的各门学科学科的总称。的总称。计算科学计算科学：是对：是对描述描述和和变换变换信息信息的的算法算法过程的系过程的系统研究，包括其理论、分析、设计、效率分析、统研究，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用，它涵盖了实现和应用，它涵盖了计算机科学、计算机技术计算机科学、计算机技术和计算机工程和计算机工程。返回返回基本问题基本问题能行性问题1.计算的平台与环境问题2.计算过程的能行操作与效率问题3.计算的正确性问题 返回返回计算的平台与环境问题计算模型计算模型实际的计算机系统操作系统高级程序设计语言编译程序软件开发工具与环境计算机体系结构 返回能行操作与效率问题计算方法算法算法设计

3、与分析程序设计方法学密码学与快速算法演化计算数字系统逻辑设计自动布线集成电路技术RISC技术人工智能的逻辑基础 返回计算的正确性问题算法理论语言的语义学语言的语义学程序理论程序测试技术软件工程技术计算语言学电路测试技术容错理论与技术Petri网理论通信顺序进程CSP通信系统演算CCS分布式网络协议 返回学科特点学科特点1.理论性与实践性并重学科基础：数学与电子科学以离散数学为代表的应用数学是描述学科理论、方法和技术的主要工具。微电子技术和程序设计技术是反映学科产品的主要形式。2.抽象描述与具体实现相分离3.以计算模型和数学工具为龙头带动研究工作4.问题描述成为解决问题的关键5.对人才综合素质的

4、要求不断提高6.对社会影响极其深刻 返回返回发展主线发展主线发展目标发展目标1 制造各种高性能计算机系统制造各种高性能计算机系统2 拓展应用领域和提高应用水平拓展应用领域和提高应用水平发展主线发展主线1 计算模型与体系结构计算模型与体系结构 2 程序设计语言与软件开发方法学程序设计语言与软件开发方法学3 应用数学与计算机应用应用数学与计算机应用发展启示发展启示 返回返回计算模型与体系结构计算模型与体系结构 布尔代数、数理逻辑与哥德尔定理，可计算性与图灵机，算法、计算复杂性与相似性原理，冯.诺依曼与存储程序式计算机，计算机的更新换代，进程与操作系统，线程、并行与分布式计算，网络、分层协议与机群系

5、统，非冯.诺依曼型与第五代计算机，新型计算机与网格计算 返回语言与软件开发方法学语言与软件开发方法学 二进制与机器语言，汇编语言与汇编程序，高级语言与编译程序，形式语言与自动机，并发与Petri网，结构化程序与形式语义学，软件危机与程序设计方法学，自然语言处理与计算语言学，CASE与软件开发方法学 返回应用数学与计算机应用应用数学与计算机应用 科学计算与复杂系统，计算机图形学与计算机辅助处理，数据库理论与MIS，实时系统与容错处理，图灵试验与人工智能，深蓝与思维模型，定理证明与问题求解，知识工程与高级逻辑，计算可视化与虚拟现实，计算机病毒与网络安全，并行计算与演化计算 返回发展启示发展启示理论

6、上，凡是可以用计算机来处理的问题及其处理过程，都可以用应用数学来描述；凡是可以用以离散数学为代表的构造性数学描述的问题及其处理过程，只要所涉及的论域是有穷的，或虽为无穷但存在有穷表示，也一定可以用计算机来实现。智能是有穷论域吗？人工智能的三条发展道路符号主义学派、结构主义学派和行为主义学派能人工智能吗？返回分支学科分支学科构造性数学基础计算的数学理论计算机体系结构计算机应用基础计算机基本应用技术软件基础软件开发方法学 返回返回构造性数学基础数学史上的三大发明数学基础问题三大数学流派构造性数学 返回数学史上的三大发明1 解析几何：使数学思维实现了形状与数量之间的沟通。2 微积分：使数学思维进入了

7、无限小分析领域。3 群论：开创了代数研究的新纪元，即从局部性的字母与结构的计算研究转向更为抽象的系统结构的整体性分析研究。返回数 学通过对事物的抽象，运用特殊的符号或语言系统，研究事物在空间中的数量关系、位置关系、结构关系和变换规律，研究具有共同抽象概念、性质的一类事物的某些内在规律，以此指导人们从一个侧面去认识事物，解决具体问题。返回理发师悖论：有一个理发师声称自己愿意而且只为所有不给自己理发的人理发。如果有人问他你给不给自己理发？怎样回答？用式子表示为S=x x S相容性问题：一个公理系统必须要保证不会导出矛盾的结论，即不会同时证明在该系统中一个定理和该定理的否定都成立。无穷总体的存在性结

8、论：以逻辑为基础 返回数学基础问题三大数学流派逻辑主义学派：罗素，怀特，认为数学可以从逻辑推导出来，是逻辑的一种扩展。形式主义学派：希尔伯特，认为数学是一堆形式系统，各自建立自己的逻辑体系（概念、公理和推演规则），数学知识的真理性在于数学体系的无矛盾性。直觉主义学派：布劳威尔，认为数学中的所有概念和证明都可以从最基本的直观的无须作进一步说明的本原概念出发，一步一步地构造出来。返回构造性数学概念：从最直观的概念，概念的构造性定义和定理证明的构造性方法出发，运用直觉和感觉合理的构造性证明规则所发展起来的数学。组成：1 数理逻辑 2 代数系统 3 图论 4 组合数学 返回构造性数学研究领域数理逻辑：

9、用数学的方法研究推理的科学。代数系统：对字母和由字母构成的结构的计算。图论：研究由点和线组成的结构问题，哥尼斯堡七桥。组合数学：主要研究按照一定规则来安排事物的问题，如某种安排的存在性、计数、构造性和最优化等。返回哥尼斯堡七桥计算的数学理论概念：指一切关于能行性问题（计算与计算模型问题）的数学理论的总和。主要研究领域：1 计算理论 2 高等逻辑 3 形式语言与自动机 4 形式语义学 返回计算机体系结构计算机组成原理计算机元器件计算机设计计算机体系结构 返回计算机应用基础算法基础程序设计数据结构数据库基础微机原理与接口技术 返回计算机基本应用技术数值计算图形学与图像处理计算机网络多媒体技术计算可

10、视化与虚拟现实人工智能 返回软件基础高级语言编译原理程序设计数据结构数据库原理操作系统原理软件工程 返回软件开发方法学并行与分布式计算机系统人工智能计算机系统并行与分布式软件开发方法学 返回学科范型学科范型科学的双重含义：知识体系与研究活动科学研究的双重职能：发现与评判新知识科学研究的方式方法：库恩，范型包括：1 精神价值观 2 工作形态 3 方法工具 4 本体论基础计算科学范型：返回科学的双重含义1 科学是关于其对象领域中事物的本质、发展与变化规律的知识体系。2 科学是一定社会集团按照一套公认的信念所进行的“专业活动”，除了非常短暂的时期外，通常科学主要表现为一种在一定思想指导下的高度定向的

11、研究活动。返回科学知识体系科学知识的类型：根据获得知识的途径科学知识的结构：逻辑形态形式系统科学知识的特征：一元性、简单性、一致性、相容性、稳定性 返回科学知识的类型经验知识：是在科学观察和科学实验活动中所获得的对自然界现象和事物发展与变化的客观规律的认识。理论知识：是认识主体在对经验知识进行的理性思维活动中所取得的对自然界事物发展与变化的客观规律的认识。计算知识：是在经验知识和理论知识的基础上，通过某种自动装置的计算运行所揭示的对自然界事物发展与变化的客观规律的认识。返回科学知识的结构形式系统的组成：概念：称为词项，是对事物的范围和本质的反映。命题：由词项组成，是对事物的本质属性和发展与变化

12、规律的陈述。逻辑关系：包括构成命题的规则和得到新命题的推理规则。返回计算科学范型精神价值观：以构造性数学为基础工作形态：理论、抽象与设计方法工具：基本问题，发展主线，学科形态，核心概念，典型方法，典型实例，工作流程等本体论：检验和构建科学理论真理性的基础，如元概念、元方法等 返回学科形态学科形态三种学科形态 1 理论：是以形式化方式揭示对象的性质和相互之间的关系。2 抽象：是以实验方式揭示对象的性质和相互之间的关系。3 设计：是以生产方式对这些性质和关系的一些特定实现，完成具体而有用的任务。三种形态间的关系：抽象和设计阶段出现了理论；理论和设计阶段需要模型化；而理论和抽象阶段离不开设计，它们必

13、须考虑到现实是否能行。返回理论研究 基于计算科学的数学基础和计算科学理论，广泛采用数学的研究方法。按照统一的、合理的理论发展过程，包含以下四个步骤：1 对研究对象的概念抽象（定义）；2 假设对象的基本性质和对象之间可能存在的关系（定理）；3 确定这些性质和关系是否正确（证明）；4 解释结果（与计算机系统或研究对象形成对应）。返回模型抽象 基于计算科学的实验科学方法，广泛采用实验物理学的研究方法。按照对客观现象和规律的实验研究过程，包含以下四个步骤：1 确定可能世界（环境）并形成假设；2 构造模型并做出预言；3 设计实验并收集数据；4 分析结果。返回系统设计 基于工程，广泛采用工程科学的研究方法

14、。按照为解决某一个问题构作系统或装置的过程，包含以下四个步骤：1 叙述要求；2 给定技术条件；3 设计并实现该系统或装置；4 测试和分析该系统。返回核心概念核心概念特点：1 在本学科的不少分支学科中经常出现，甚至在学科中普遍出现；2 在计算科学理论、抽象和设计这三个过程的各个层面上都有许多示例；3 在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上具有高度的独立性。分类：1 计算模型与能行性 2 抽象与构造性描述 3 系统特征 4 计算方法 5 实现技术 返回计算模型与能行性计算模型 （Computational Model）可计算性 （Computability）计算复杂性（Computational

15、 Complexity）最优性 （Optimum）相似性与对偶性（Similarity and Duality）返回抽象与构造性描述论域与计算对象（Domain and Computing Object）枚举与有穷表示（Enumeration and Finite Representation）分层与抽象的级（Hierarchy and Levels of Abstraction）内涵与外延 （Intension and Extension）递归 （Recursion）归纳 （Induction）自由与约束 （Freedom and Restriction）返回系统特征相容性（Consiste

16、ncy）完备性（Completeness）单调性（Monotonousness）透明性（Transparence）容错与安全性（Fault-Tolerant and Security）开放性（Openness）稳定性（Stability）健状性（Robustness）返回计算方法折衷（Compromise）分解（Decomposition）集成（Integration）类比（Analogy）推导（Inference or Reasoning）变换（Transformation）扩展（Extension and Expansion）返回实现技术类型（Type）进程（Process）线程（Thre

17、ad）顺序（Sequence）并发（Concurrent）代理（Agent）关联（Binding）实例化（Inatantiation）现役（Active）虚拟（Virtual）编码（Coding）模式匹配（Pattern Matching）分杈（Branching）合一（Unification）循环与迭代（Loop and Iteration）重用（Reuse）协议（Protocol）规范与标准化（Standardization）返回典型方法典型方法内涵与外延法构造性方法公理化方法快速原型法演化方法展开与规约法 返回内涵与外延法内涵：指概念所反映的事物的本质属性的总和，也就是概念的内容。外延：

18、指概念所界定的所有对象的集合，也就是所有满足概念定义的对象的集合。例：倚数与偶数的定义。外延定义：1，3，5，7，2，4，6，8，内涵定义：x x N&(x mod 2)=1 x x N&(x mod 2)=0 返回构造性方法构造性方法：是一种能够对论域为无穷的客观事物按其有限构造特征进行处理的方法。典型技术：递归、归纳与迭代例1：谓词逻辑系统中合式公式的定义（命题的识别与构造）。例2：斐波那契数的判别。返回合式公式的定义1 F(a1,a2,an)是合式公式，其中，ai是表示不空论域中个体的形式符号；2 如果A是合式公式，则A是合式公式；3 如果A和B是合式公式，则AB，AB，AB，AB是合式

19、公式；4 如果A（a）是合式公式，a在其中出现，x不在其中出现，则 xA(x),xA(x)是合式公式；返回斐波那契数的判别 设有一个数的集合S=0，1，1，2，3，5，8，13，21，34，对任意给定的正整数x，试设计一个判别x是否在S中的算法。解：1 给出S的递归表示 f0=0 f1=1 fn=fn-1+fn-2,n2 2 算法：从f0，f1开始，不停的求下一个并判断是否为x,直到相等输出“真”，或大于输出“假”，结束。返回公理化方法公理化方法：是从尽可能少的无需定义的原始概念（基本概念）和一组公认的命题（基本公理）出发，使用可反映科学推理的逻辑推理规则，用演绎推理来对一门学科进行科学研究的

20、方法。公理系统的特征：无矛盾性，完备性和独立性例：自然数公理系统 返回自然数公理系统 皮亚诺，1889，令N表示自然数的集合，于是有：0是自然数，即0N；每个自然数n均有一个确定的后继n+；没有以0为后继的自然数；若n+=m+,则n=m；若子集SN，且具有如下性质：0S；若nS，那么n的后继n+S；则S=N。返回快速原型法基本思想：对于一个待开发的新系统，对其结构“去粗取精”，先开发一个原理性的验证系统，在验证了其构思确实可行之后，再按照规范的、工程化的要求进行开发，在开发中基本按照快速原型验证开发中的设计思想进行细化。例：葛洲坝三峡大坝 返回基本思想：针对具体问题，首先找到解决该问题的初步办

21、法或初步解，然后通过各种有效的技术方法改进初步办法或初步解，以获得一个满意解。例：遗传算法：选择，杂交与变异大自然演化规律：因缘互立，因果相续对人工智能研究的启示 返回演化方法展开与规约法展开：是从一个较为抽象的目标（对象）出发，通过一系列的过程操作或变换，将抽象的目标（对象）转换为具体的细节描述。规约：展开的逆过程。例：自顶向下，自底向上 返回典型实例典型实例典型实例是指那些反映学科某一方面内在规律和典型问题本质内容的实例，在学科研究中常常被用来辅助说明思想、原理、方法和技术或比较其优劣。一组典型实例：哲学家进餐问题，饮料问题，最小费用流问题，货郎担问题，生产与消费问题，文法二义性问题，上下

22、文语义问题，最小生成树问题，子集和数问题，八皇后问题，九宫排定问题，三个中国人问题，作业调度问题，路由选择问题，图的最小覆盖问题，荷兰国旗问题，等等。返回哲学家进餐问题1 思考问题2 饿了3 拿左手的筷子4 拿右手的筷子5 吃面条6 放右手的筷子7 放左手的筷子8 转到1 返回基本工作流程方式基本工作流程方式对现实世界中被研究的对象进行抽象，建立必要的基本概念，运用数学工具和对其进行基础和应用基础研究，研究（对象）概念的基本性质、概念与概念之间的关系，由此揭示对象发展变化的内在规律，为实验设计和工程设计与实现提供方法和技术，并开展实验和工程设计与实现工作。意义：使科学研究有章可循，能帮助人们认

23、识学科、发展学科、应用学科例：以进程为基础的操作系统的发展历程。返回知识结构及其演变知识结构及其演变3050年代 主流方向：计算模型、计算机设计、高级语言和科学计算 专业基础：数学、电子学、高级语言和程序设计6070年代8090年代21世纪开始20年 返回6070年代研究问题：设计高级语言，实现编译系统，提高计算机运算速度和存储容量，设计操作系统，设计和实现数据库管理系统，保证软件的质量等理论方法技术：形式语言与自动机，形式语义学，程序设计方法学，软件工程，算法理论，高级语言理论，并发程序设计，大、中、小、微型计算机技术，程序理论，Petri网，CSP，CCS等发展特点：1 需求推动 2 软硬

24、互动专业基础：计算机原理，编译技术，操作系统，高级语言与程序设计，数据库原理，数据结构与算法设计，数字逻辑 返回8090年代研究问题：集成电路芯片设计极限，软件工程，计算模型，计算语言学，大规模复杂问题的计算与处理，大规模数据存储与检索，超大规模计算机网络的控制与信息安全，人工智能，计算可视化等理论方法技术：光子计算机技术，计算机体系结构，形式语义学，非经典逻辑及计算模型，软件开发方法学，并行与分布式算法，计算机基本应用技术，并行计算机，计算机网络，图形学与图像处理技术，计算几何，多媒体技术，虚拟实现技术，神经网络与神经计算 返回21世纪开始20年发展方向：1并行与分布式计算模型与体系结构：神

25、经元计算，计算机设计与制造，网络与信息安全技术，大容量存储设备的研究，容错理论，算法理论，计算模型等 2 并行与分布式软件开发方法学：数理逻辑，计算理论，形式语义学，高级语言与程序设计理论，系统软件设计，软件工程，容错理论等 3 并行与分布式计算机应用技术：人工智能理论及其应用（数理逻辑，高等逻辑，知识工程，神经元计算等），计算机应用关键技术（计算可视化与虚拟现实，演化计算，计算几何，科学计算，数据库技术，计算机图形学，自然语言处理与机器翻译，模式识别与图像处理等）专业基础：计算理论，体系结构，高等逻辑，形式语义学返回第五章作业1、简述科学、技术、工程与计算科学的概念。2、计算科学的基本问题是什么？3、试述计算科学的学科特点。4、计算科学的二级专业有哪些？5、简述构造性数学的概念与组成。6、科学的双重含义是什么？7、简谈科学知识的分类。8、简谈科学知识的结构。9、简述计算科学的学科形态。10、简述内涵与外延的概念。11、简述构造性方法。12、简述公理化方法。13、简述计算科学的基本工作流程方式。