【计算科学导论】计算科学学科内涵

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1、计算科学学科内涵,计算科学 基本问题 学科特点 发展主线 分支学科 学科范型,学科形态 核心概念 典型方法 典型实例 工作流程 知识结构,计算科学,科学：是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。 技术：是泛指根据生产实践经验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：是指将科学原理应用到工农业生产部门中去而形成的各门学科的总称。 计算科学：是对描述和变换信息的算法过程的系统研究，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用，它涵盖了计算机科学、计算机技术和计算机工程。 返回,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

2、确性问题返回,计算的平台与环境问题,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 算法设计与分析 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 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,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

3、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.对人才综合素质的要求不断提高 6.对社会影响极其深刻返回,发展主线,发展目标 1 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 发展主线 1 计算模型与体系结构 2 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 发展启示返回,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

4、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,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,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

5、回,发展启示,理论上，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,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,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

6、间的沟通。 2 微积分：使数学思维进入了无限小分析领域。 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

7、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

8、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：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

9、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,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

10、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

11、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,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

12、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

13、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。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,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

14、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 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）

15、 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（Consistency） 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,