华中科技大学 计算机科学与技术方法论 3计算学科中的三个学科形态

第3章 计算学科中的三个学科形态 文坤梅 E-Mail:kunmei.wen@ 智能与分布计算实验室 Intelligence and Distributed Computing Lab 设计形态与抽象、理论两个形态存在的联系 设计源于工程，用于系统或设备的开发，实现给定的任务 设计形态和抽象、理论两个形态都须以对自然规律的认识为前提 设计必须创造出相应的人工系统和人工条件，还必须认识自然规律的具体表现形式 设计形态的主要特征与抽象、理论两个形态的主要区别： 设计形态具有较强的实践性、社会性、综合性 三个学科形态的内在联系 在计算机科学与技术方法论的原始命题中，蕴含着人类认识过程的两次飞跃，第一次飞跃是从物质到精神，从实践到认识的飞跃。这次飞跃包括两个决定性的环节：一个是科学抽象，另一个是科学理论。 第二次飞跃是从精神到物质，从认识到实践的飞跃。这次飞跃的实质对技术学科(计算学科就是一门技术学科)而言，其实就是要在理论的指导下，以抽象的成果为工具来完成各种设计工作。 三个学科形态的内在联系 抽象源于现实世界。建立对客观事物进行抽象描述的方法，建立具体问题的概念模型，实现对客观世界的感性认识。 理论源于数学。建立完整的理论体系，建立具体问题的数学模型，从而实现对客观世界的理性认识。 设计源于工程。对客观世界的感性认识和理性认识的基础上，完成一个具体的任务；对工程设计中所遇到的问题进行总结，提出问题，由理论界去解决它。 计算机语言在裸机级所取得的主要成果 歧义性； 不够严格和不够统一的语法结构。 他的发理得好。 他的理发水平高； 理发师理他的发理得好。 他的小说看不完。 他写的小说看不完； 他收藏的小说看不完； 他是个小说迷。 高级语言的歧义性问题 高级程序设计语言其实也有语义的歧义性问题,高级程序设计语言存在较少的歧义性而已 例3.4 IF (表达式1) THEN IF (表达式2) THEN 语句1 ELSE 语句2。 IF (表达式1) THEN (IF (表达式2) THEN 语句1 ELSE 语句2)； IF (表达式1) THEN (IF (表达式2) THEN 语句1) ELSE 语句2。 形式语言 有一组初始的、专门的符号集； 有一组精确定义的，由初始的、专门的符号组成的符号串转换成另一个符号串的规则。 在形式语言中，不允许出现根据形成规则无法确定的符号串。 2. 图灵机 图灵的观点及结论： 凡是能用算法方法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。 与图灵机等价的计算模型： 递归函数 λ-演算 POST规范系统 图灵机是从过程这一角度来刻画计算的本质，其结构简单、操作运算规则也较少，从而为更多的人所理解。 图灵机 图灵机由一条两端可无限延长的带子、一个读写头以及一组控制读写头工作的命令组成， 图灵机 写在带子上的符号为一个有穷字母表：{S0，S1，S2，…，Sp}。 可以认为这个有穷字母表仅有S0、S1两个字符， 其中S0可以看作是“0”，S1可以看作是“1”， 由 “0”和“1”组成的字母表可以表示任何一个数。 一个给定机器的“程序” 机器内的五元组(qiSjSkR(或L或N)ql)形式的指令集，五元组定义了机器在一个特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。5个元素的含义如下： qi表示机器目前所处的状态； Sj表示机器从方格中读入的符号； Sk表示机器用来代替Sj写入方格中的符号； R、L、N分别表示向右移一格、向左移一格、不移动； ql表示下一步机器的状态。 一个机器计算的结果是从机器停止时带子上的信息得到的。容易看出，q1S2S2Rq3指令和q3S3S3Lq1指令如果同时出现在机器中，当机器处于状态q1，第一条指令读入的是S2，第二条指令读入的是S3，那么机器会在两个方块之间无休止地工作。 另外，如果q3S2S2Rq4和q3S2S4Lq6指令同时出现在机器中，当机器处于状态q3并在带子上扫描到符号S2时，就产生了二义性的问题，机器就无法判定。 例3.9 b表示空格，q1表示机器的初始状态， q4表示机器的结束状态，设带子上的输入信息读入头位对准最右边第一个为0的方格，状态为初始状态q1。规则如下。 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 计算过程如下： 计算结果是