20電子計算機的產(chǎn)生發(fā)展和應用

1、第十九章,電子計算機的產(chǎn)生、發(fā)展和應用,序,電子計算機的出現(xiàn)，不僅對數(shù)學，而且對科學技術和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有劃時代的意義?！爸R爆炸”也罷，“第三次浪潮”也罷，無一不涉及電子計算機。因此，電子計算機科學已遠遠超出了數(shù)學范圍。但由于它的產(chǎn)生、發(fā)展和應用與數(shù)學聯(lián)系十分緊密，所以在這里專章簡述。,§1 電子計算機的誕生,１、歷史的回顧任何一種偉大的發(fā)明都不是一個早晨突然出現(xiàn)的。手指，結(jié)繩，刻痕，石塊計算工具：算籌、算盤巴斯卡16

2、42年設計并制成了世界上第一臺真正的機械式計算機——加法器萊布尼茨研制出一臺能進行加、減、乘、除運算的手搖計算機；最早提出了二進制。,巴貝奇（C.Babbage,1792-1871）,巴貝奇是世界上提出通用程序控制數(shù)字計算機設計思想的第一人。巴貝奇在1812年創(chuàng)建“劍橋分析學會”，對19世紀英國數(shù)學的復興貢獻良多。巴貝奇為研制他所設計的計算機付出了后半生的主要精力和財產(chǎn)，甚至不惜辭去榮譽極高的盧卡斯教授席位。,評價,巴貝奇的努力，確如

3、曇花一現(xiàn)。他的思想，只是在一百年后才在電子學發(fā)達的二十世紀大放異彩。 他沒有成功，只是因為他看得更遠。只有三個人堅信他。他們是1867年當選為統(tǒng)一意大利總理的閔那布利（F.Menabrea）,英國著名詩人拜倫的獨生女——拉甫雷斯伯爵夫人，第三個就是巴貝奇的兒子。他創(chuàng)造的光輝的精神財富全部被鎖進了歷史博物館。巴貝奇是一位孤獨的先驅(qū)者。,艾達·拜倫（Ada Byron）,即拉甫雷斯夫人，詩人拜倫的獨生女。她是當時能理解并

4、支持巴貝奇計算機設計思想的少數(shù)人之一。艾倫·拜達為巴貝奇的“分析機”編制的某些函數(shù)計算程序，開創(chuàng)了現(xiàn)代程序設計的先河。,2、第一臺電子計算機產(chǎn)生的背景,1847年，英國著名數(shù)學家布爾創(chuàng)立了邏輯代數(shù)，為現(xiàn)代數(shù)字計算機的設計和制造奠定了理論基礎。特別在本世紀以來，電子技術趨于成熟，電器元件可以作為機器構件來代替齒輪，于是計算機的新時代開始了。在第二次世界大戰(zhàn)中，由于戰(zhàn)爭的迫切需要，火箭、原子能等現(xiàn)代科學技術正迅猛地發(fā)展，急需

5、解決一些復雜的計算問題，而繼電計算機也遠遠不能勝任了。于是，電子計算機便應運而生了。,圖靈（A.Turing,1912-1954）,圖靈不僅提出了理想計算機的概念，而且參與了實際的計算機設計。他參與研制的“巨人號”（GOLOSSUS）專用電子計算機，在第二次世界大戰(zhàn)中，被用于破譯德軍密碼而立下戰(zhàn)功，圖靈因此榮獲英國最高榮譽勛章。,布爾（1815.11.2-1864.12.8）,英國數(shù)學家,邏輯學家,生于愛爾蘭的林肯城。曾在中學教書，并

6、創(chuàng)辦了一所中學。后獲柏林大學和牛津大學的名譽博士學位。1857年被選為英國皇家學會會員，并獲皇家獎章。布爾對數(shù)學的貢獻很大，并是數(shù)理邏輯的創(chuàng)始人之一。對概率論、拓撲學、控制系統(tǒng)等也取得了很大成果。,馮·諾依曼與第一臺通用程序控制電子計算機ENIAC,,第一臺電子計算機,世界上第一臺電子計算機是在1943年，由美國賓夕法尼亞大學總工程師?？颂睾臀锢韺W家莫希萊提出報告，在數(shù)學家馮·諾依曼的幫助下，于1945年底研制結(jié)

7、束，1946年2月15日第一次公開表演，宣告正式運行。這臺電子計算機“電子數(shù)值積分和自動計算機”，簡稱ENIAC。 ENIAC占地170平方米，重30噸，擁有18000個電子管，每小時耗電150千瓦，費用48萬美圓，運算速度為每秒5000次。存在有不能令人滿意的地方，但它畢竟是計算工具革命性發(fā)展的開始，從而開辟了電子計算機的新紀元。,§2 電子計算機的迅速發(fā)展,電子計算機從誕生至今，僅有60余年，但它的發(fā)展日新月異，現(xiàn)已更

8、新了四代。目前，一些先進國家已著手進行第五代高智能化的電子計算機的研究。,第一代是電子管時代（1946—1956）。,第一代是電子管時代（1946—1956）。這一代計算機所采用的電子元件基本上是電子管。其二進制程序貯存等基本技術思想，奠定了現(xiàn)代電子計算機的技術基礎。由于這一代計算機的造價高，數(shù)量少，應用范圍局限于與軍事有關的科研計算,第二代晶體管時代（1956—1962）。,第二代晶體管時代（1956—1962）。這一代計算機的邏輯元

9、件和邏輯線路均采用分立的晶體管元件。,第三代是中小規(guī)模集成電路時代（1962—1972）。,第三代是中小規(guī)模集成電路時代（1962—1972）。人們把多個晶體管、電阻器等元件集合為一個整體，做在一個很薄的硅片上，而制成門電路、觸發(fā)器等具有一定邏輯功能的電路器件，這就是所謂中小規(guī)模集成電路。,第四代是大規(guī)模集成電路時代（1970至今）。,第四代是大規(guī)模集成電路時代（1970至今）。一般來說，在一塊硅片上集成100個門電路以上或上千個晶體管

10、元件以上的集成電路叫做大規(guī)模集成電路。,第五代人工智能計算機,現(xiàn)在，人們競相研制的第五代人工智能計算機是超大規(guī)模集成電路計算機，其集成程度超過10000個門或由達100000個元件的集成電路組成的電子計算機，將突破傳統(tǒng)的馮·諾依曼的設計思想和傳統(tǒng)的技術束縛，而采用與人腦思維并行處理方式相接近的工作方式。它將具有推理—學習—聯(lián)想的能力。,我國計算機的發(fā)展歷程簡介,1958年，中科院計算所研制成功我國第一臺小型電子管通用計算機10

11、3機(八一型),標志著我國第一臺電子計算機的誕生；1965年，中科院計算所研制成功第一臺大型晶體管計算機109乙，之后推出109丙機，該機為兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用； 1974年，清華大學等單位聯(lián)合設計、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計算機，運算速度達每秒100萬次； 1983年，國防科技大學研制成功運算速度每秒上億次的銀河-I巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程1985年，電子工業(yè)部計算機管理局研制成功與IB

12、M PC機兼容的長城0520CH微機； 1992年，國防科技大學研究出銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達每秒4億次浮點運算(相當于每秒10億次基本運算操作)，為共享主存儲器的四處理機向量機，其向量中央處理機是采用中小規(guī)模集成電路自行設計的，總體上達到80年代中后期國際先進水平。它主要用于中期天氣預報；,1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心（后成立北京市曙光計算機公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)

13、模集成電路的通用微處理器芯片和標準UNIX操作系統(tǒng)設計開發(fā)的并行計算機； 1995年，曙光公司又推出了國內(nèi)第一臺具有大規(guī)模并行處理機(MPP)結(jié)構的并行機曙光1000(含36個處理機)，峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機體系結(jié)構與實現(xiàn)技術相近，與國外的差距縮小到5年左右； 1997年，國防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型

14、計算機系統(tǒng)，采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結(jié)構，由130多個處理結(jié)點組成，峰值性能為每秒130億次浮點運算，系統(tǒng)綜合技術達到90年代中期國際先進水平； 1997至1999年，曙光公司先后在市場上推出具有機群結(jié)構(Cluster)的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超級服務器，峰值計算速度已突破每秒1000億次浮點運算，機器規(guī)模已超過160個處理機；,1999年，國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威I計算機通過

15、了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。系統(tǒng)有384個運算處理單元，峰值運算速度達每秒3840億次；2000年，曙光公司推出每秒3000億次浮點運算的曙光3000超級服務器；2001年，中科院計算所研制成功我國第一款通用CPU——“龍芯”芯片； 2002年，曙光公司推出完全自主知識產(chǎn)權的“龍騰”服務器，龍騰服務器采用了“龍芯-1”CPU，采用了曙光公司和中科院計算所聯(lián)合研發(fā)的服務器專用主板，采用曙光LINUX操作系統(tǒng)，該服務器是國

16、內(nèi)第一臺完全實現(xiàn)自有產(chǎn)權的產(chǎn)品，在國防、安全等部門將發(fā)揮重大作用； 2003年，百萬億次數(shù)據(jù)處理超級服務器曙光4000L通過國家驗收，再一次刷新國產(chǎn)超級服務器的歷史紀錄，使得國產(chǎn)高性能產(chǎn)業(yè)再上新臺階。,§3 電子計算機的廣泛應用,到目前為止，特別是在21世紀的信息社會，電子計算機已經(jīng)全面應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、交通、運輸、文化教育、科學研究和國防建設等各個領域。電子計算機已經(jīng)應用于現(xiàn)代社會的每一項活動。 一般認為

17、，計算機的應用領域主要有：,1、科學計算(或數(shù)值計算) 科學計算是指利用計算機來完成科學研究和工程技術中提出的數(shù)學問題的計算。在現(xiàn)代科學技術工作中，科學計算問題是大量的和復雜的。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運算的能力，可以實現(xiàn)人工無法解決的各種科學計算問題。 例如，建筑設計中為了確定構件尺寸，通過彈性力學導出一系列復雜方程，長期以來由于計算方法跟不上而一直無法求解。而計算機不但能求解這類方程，

18、并且引起彈性理論上的一次突破，出現(xiàn)了有限單元法。 應用數(shù)學 純粹數(shù)學,2、數(shù)據(jù)處理(或信息處理) 數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80％以上的計算機主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，決定了計算機應用的主導方向。 數(shù)據(jù)處理從簡單到復雜已經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，它們是： ①電子數(shù)據(jù)處理(Electronic Data Proces

19、sing,簡稱EDP),它是以文件系統(tǒng)為手段，實現(xiàn)一個部門內(nèi)的單項管理。,②管理信息系統(tǒng)(Management Information System,簡稱MIS),它是以數(shù)據(jù)庫技術為工具，實現(xiàn)一個部門的全面管理，以提高工作效率。 ③決策支持系統(tǒng)(Decision Support System,簡稱DSS),它是以數(shù)據(jù)庫、模型庫和方法庫為基礎，幫助管理決策者提高決策水平，改善運營策略的正確性與有效性。 目前，數(shù)據(jù)處理已

20、廣泛地應用于辦公自動化、企事業(yè)計算機輔助管理與決策、情報檢索、圖書管理、電影電視動畫設計、會計電算化等等各行各業(yè)。信息正在形成獨立的產(chǎn)業(yè)，多媒體技術使信息展現(xiàn)在人們面前的不僅是數(shù)字和文字，也有聲情并茂的聲音和圖像信息。,3、輔助技術(或計算機輔助設計與制造) 計算機輔助技術包括CAD、CAM和CAI等。 ⑴計算機輔助設計(Computer Aided Design,簡稱CAD) ⑵計算機輔助制造(Computer Aided M

21、anufacturing,簡稱CAM) ⑶計算機輔助教學(Computer Aided Instruction,簡稱CAI) 計算機輔助教學是利用計算機系統(tǒng)使用課件來進行教學。課件可以用著作工具或高級語言來開發(fā)制作，它能引導學生循環(huán)漸進地學習，使學生輕松自如地從課件中學到所需要的知識。CAI的主要特色是交互教育、個別指導和因人施教。,4、過程控制(或?qū)崟r控制) 過程控制是利用計算機及時采集檢測數(shù)據(jù)，按

22、最優(yōu)值迅速地對控制對象進行自動調(diào)節(jié)或自動控制。采用計算機進行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以提高控制的及時性和準確性，從而改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量及合格率。因此，計算機過程控制已在機械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等部門得到廣泛的應用。 例如，在汽車工業(yè)方面，利用計算機控制機床、控制整個裝配流水線，不僅可以實現(xiàn)精度要求高、形狀復雜的零件加工自動化，而且可以使整個車間或工廠實現(xiàn)自動化。,5、人工智能

23、(或智能模擬) 人工智能(Artificial Intelligence)是計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學習、問題求解和圖像識別等。現(xiàn)在人工智能的研究已取得不少成果，有些已開始走向?qū)嵱秒A段。例如，能模擬高水平醫(yī)學專家進行疾病診療的專家系統(tǒng)，具有一定思維能力的智能機器人等等。,6、網(wǎng)絡應用 計算機技術與現(xiàn)代通信技術的結(jié)合構成了計算機網(wǎng)絡。計算機網(wǎng)絡的建立，不僅解決了一個單位、一個地區(qū)

24、、一個國家中計算機與計算機之間的通訊，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數(shù)據(jù)的傳輸與處理。,兩個典型代表,一、機器人的研制：高度自動化的標志,機器人的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人，第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人。,第一代機器人,第一代機器人屬于示教再

25、現(xiàn)型。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機械手，把應當完成的任務做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應當完成的各個動作。,第二代機器人,第二代是有感覺的機器人：它們對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸覺等功能。機器人工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。,第三代機

26、器人,第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復雜的動作。,發(fā)展趨勢,1.機器人會越來越小 　 目前各國的研究現(xiàn)狀而言，表明微型機器人大多還處于實驗室或原型開發(fā)階段，但可以預見，將來微型機器人將廣泛出現(xiàn)。 　　由德國工程師萊納爾·格茨恩發(fā)明的微型機器人，可直接由針頭注射進入人體血管、尿道、膽囊或腎臟。它依靠微型磁鐵驅(qū)動器前進，由醫(yī)生通過

27、遙控器指揮，既可用于疾病診斷，也可用于如動脈硬化、膽結(jié)石等管腔阻塞類疾病治療。還能聽從醫(yī)生指揮，將藥物直接送達到需要醫(yī)治的患病器官，以取得更好的治療效果。當這種微型機器人工作完成后，醫(yī)生便可以像抽血那樣用針頭將它抽出來?！　∥磥?，將會有可以進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)的功能齊全的醫(yī)用微型機器人，能進入工業(yè)上的小管道甚或裂縫，進行檢測與維護的工業(yè)用微型機器人，以及各種微型傳感器、微型機電產(chǎn)品，如掌上電視等。在軍事上，將有小如昆蟲的飛行器，用于偵

28、察敵情；裝有自動駕駛系統(tǒng)，能在海底航行數(shù)年的微型潛艇…… （納米人）,2.機器人會越來越聰明 　　現(xiàn)在的智能機器人，它的智力最高也只相當于兩三歲幼兒的智力水平。在將來，高智能的機器人將越來越多，其智力水平也一定會不斷提高，慢慢地達到七八歲、十幾歲少年甚至青年人的智力水平。 　　20世紀90年代后期，為促進智能機器人的發(fā)展，日本、韓國等國家相繼發(fā)起舉行機器人足球世界杯賽，并成立了相應的協(xié)會。機器人足球賽涉及多機器人的動作協(xié)調(diào)、

29、系統(tǒng)控制等前沿的課題?？梢哉f，每一場機器人足球賽實際上都是世界各國機器人發(fā)展水平的一場較量。 　　也許在將來的某一天，就如同1996年世界國際象棋冠軍卡斯帕羅夫輸給了計算機“深藍”一樣，我們會看到世界頂尖級的球員組成的“超級聯(lián)隊”也對付不了的機器人球隊，你相信嗎？,二、數(shù)學定理的機器證明,（一）四色猜想的證明,四色問題猜想（英國古色里， 1852年）： 對平面或球面上的任意一個地圖著色，至多用四種顏色就可以使相鄰（即

30、有一段公共邊界而不是一點或有 限點）兩個國家或地區(qū)（這里所謂的“國家”或地區(qū)是指連通的區(qū)域）的顏色不同。,利用三部計算機運轉(zhuǎn)了一千多個小時，分析了兩千多個構形的可約性，并通過人工分析了約一萬個帶正電頂點的鄰近區(qū)域，終于用不可避免組的證法證明了四色問題。在證明過程中，放電過程經(jīng)過500多次的修改設計，計算機檢驗了2000多個構形并證明了1482個構形的可約性。,四色猜想的“機器證明”是否真的可靠－－方法、理念的沖突,為實現(xiàn)幾何定理的機器證

31、明，一般采用代數(shù)的方法，它需要解決以下幾個問題： 首先，引進數(shù)式與坐標系，使任何幾何定理的條件和結(jié)論都寫成代數(shù)式，從而幾何證明成為純代數(shù)問題。 其次，將定理假設部分的代數(shù)關系式進行整理， 第三，依確定的步驟，驗證定理結(jié)論部分的代數(shù)式可由假設部分的代數(shù)式推出。 最后，按上述步驟編寫程序，并在計算機上實現(xiàn)。,（二）機器證明與“吳法”,20世紀算法設計者面臨的任務是解決上述第

32、二、三兩部分的難題。 1975年，吳文俊提出了定理的機器證明的方法：“吳法”：使用變量的“三角化”、多項式除法的技巧，并給出幾何結(jié)論成立的判定準則 ，為幾何的機器證明創(chuàng)造了有效的算法。,機器證明研究一般又稱為自動推理研究，其涉及的領域相當廣泛。目前，在機器證明方面，我國處于國際領先地位。比如， 1、張景中、楊路則提出數(shù)值并行方法,在低檔微機(甚至計算器)上實現(xiàn)了非平凡幾何定理的機器證明和機器發(fā)明。2、張景中和

33、周咸青、高小山合作,提出了消點思想,于1992年實現(xiàn)了幾何定理可讀證明的自動生成。3、楊路、高小山、周咸青與作者合作,把消點法用于非歐幾何可讀證明的自動生成也獲得成功,并得到一批非歐幾何新定理。4、楊路等提出的實系數(shù)代數(shù)方程的判別式系統(tǒng)不但徹底解決了幾世紀懸而未決的關于代數(shù)方程一個基本問題,也使幾何不等式機器證明的難題得到了突破。,小結(jié),1、機器人是電子計算機應用于自動化的產(chǎn)物。機器人是生產(chǎn)高度自動化的標志。2、從數(shù)學角度講，計算

34、機實驗方法已成了學習和研究數(shù)學的一種重要的方法。3、計算機的計算代替了一般繁重的計算；4、計算機能夠從事推理證明；促進了純粹數(shù)學、計算數(shù)學、應用數(shù)學的發(fā)展。,評價與思考,電子計算機已經(jīng)代替了人腦的一部分勞動，而且還延長了人腦的活動。一張紙、一支筆、一個腦袋就研究數(shù)學的時期也許就要結(jié)束了。電子計算機與人腦的活動有什么區(qū)別？電子計算機在人工智能研究中究竟會起什么作用？且待來日回答。人類創(chuàng)造了計算機，人類也一定能控制計算機。計算機是