華中科技大學 計算機科學與技術方法論 3計算學科中的三個學科形態

第3章 計算學科中的三個學科形態 文坤梅 E-Mail:kunmei.wen@ 智能與分布計算實驗室 Intelligence and Distributed Computing Lab 設計形態與抽象、理論兩個形態存在的聯系 設計源于工程，用于系統或設備的開發，實現給定的任務 設計形態和抽象、理論兩個形態都須以對自然規律的認識為前提 設計必須創造出相應的人工系統和人工條件，還必須認識自然規律的具體表現形式 設計形態的主要特征與抽象、理論兩個形態的主要區別： 設計形態具有較強的實踐性、社會性、綜合性 三個學科形態的內在聯系 在計算機科學與技術方法論的原始命題中，蘊含著人類認識過程的兩次飛躍，第一次飛躍是從物質到精神，從實踐到認識的飛躍。這次飛躍包括兩個決定性的環節：一個是科學抽象，另一個是科學理論。 第二次飛躍是從精神到物質，從認識到實踐的飛躍。這次飛躍的實質對技術學科(計算學科就是一門技術學科)而言，其實就是要在理論的指導下，以抽象的成果為工具來完成各種設計工作。 三個學科形態的內在聯系 抽象源于現實世界。建立對客觀事物進行抽象描述的方法，建立具體問題的概念模型，實現對客觀世界的感性認識。 理論源于數學。建立完整的理論體系，建立具體問題的數學模型，從而實現對客觀世界的理性認識。 設計源于工程。對客觀世界的感性認識和理性認識的基礎上，完成一個具體的任務；對工程設計中所遇到的問題進行總結，提出問題，由理論界去解決它。 計算機語言在裸機級所取得的主要成果 歧義性； 不夠嚴格和不夠統一的語法結構。 他的發理得好。 他的理發水平高； 理發師理他的發理得好。 他的小說看不完。 他寫的小說看不完； 他收藏的小說看不完； 他是個小說迷。 高級語言的歧義性問題 高級程序設計語言其實也有語義的歧義性問題,高級程序設計語言存在較少的歧義性而已 例3.4 IF (表達式1) THEN IF (表達式2) THEN 語句1 ELSE 語句2。 IF (表達式1) THEN (IF (表達式2) THEN 語句1 ELSE 語句2)； IF (表達式1) THEN (IF (表達式2) THEN 語句1) ELSE 語句2。 形式語言 有一組初始的、專門的符號集； 有一組精確定義的，由初始的、專門的符號組成的符號串轉換成另一個符號串的規則。 在形式語言中，不允許出現根據形成規則無法確定的符號串。 2. 圖靈機 圖靈的觀點及結論： 凡是能用算法方法解決的問題，也一定能用圖靈機解決；凡是圖靈機解決不了的問題，任何算法也解決不了。 與圖靈機等價的計算模型： 遞歸函數 λ-演算 POST規范系統 圖靈機是從過程這一角度來刻畫計算的本質，其結構簡單、操作運算規則也較少，從而為更多的人所理解。 圖靈機 圖靈機由一條兩端可無限延長的帶子、一個讀寫頭以及一組控制讀寫頭工作的命令組成， 圖靈機 寫在帶子上的符號為一個有窮字母表：{S0，S1，S2，…，Sp}。 可以認為這個有窮字母表僅有S0、S1兩個字符， 其中S0可以看作是“0”，S1可以看作是“1”， 由 “0”和“1”組成的字母表可以表示任何一個數。 一個給定機器的“程序” 機器內的五元組(qiSjSkR(或L或N)ql)形式的指令集，五元組定義了機器在一個特定狀態下讀入一個特定字符時所采取的動作。5個元素的含義如下： qi表示機器目前所處的狀態； Sj表示機器從方格中讀入的符號； Sk表示機器用來代替Sj寫入方格中的符號； R、L、N分別表示向右移一格、向左移一格、不移動； ql表示下一步機器的狀態。 一個機器計算的結果是從機器停止時帶子上的信息得到的。容易看出，q1S2S2Rq3指令和q3S3S3Lq1指令如果同時出現在機器中，當機器處于狀態q1，第一條指令讀入的是S2，第二條指令讀入的是S3，那么機器會在兩個方塊之間無休止地工作。 另外，如果q3S2S2Rq4和q3S2S4Lq6指令同時出現在機器中，當機器處于狀態q3并在帶子上掃描到符號S2時，就產生了二義性的問題，機器就無法判定。 例3.9 b表示空格，q1表示機器的初始狀態， q4表示機器的結束狀態，設帶子上的輸入信息讀入頭位對準最右邊第一個為0的方格，狀態為初始狀態q1。規則如下。 q1 0 1 L q2 q1 1 0 L q3 q1 b b N q4 q2 0 0 L q2 q2 1 1 L q2 q2 b b N q4 q3 0 1 L q2 q3 1 0 L q3 q3 b b N q4 計算過程如下： 計算結果是

總結

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