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第1章 绪论,姚普选,计算机教学实验中心,课程内容,生活、 工作,信息利用,管理,决策,数据_二进制数、ASCII码、汉字内码、图声视频数字化,知识和技能,工作原理_冯诺依曼计算机,Page 4,学习方法,课堂VS课外学时少,需看书、网上查询 知识VS 技能如,OS_知原理可推知操作方法 经验VS训练常用并不能自然成为高手 统观VS局部认知:局部重要性整体可行性 广博VS精深相辅:方向正确解决现实问题,Page 5,学习方法_续,现状VS将来 如,Excel数据处理数据库AccessSQL Server|MySQL数据仓库|OLAP|数据挖掘 战略VS战术严整的战略规划精细的战术实施如:结构化设计数据流图系统结构图(多个模块的层次结构)程序实现每个模块的功能 (算法程序),6,S1:顶层设计,存取款 业务 系统,储户,存取单、存折,例0-1:存取款业务系统的设计,存折,7,S2:一层设计,8,S2:二层设计,9,S3:转换成程序结构图,实现: 算法 程序,10,算法,例0-2:求函数值,y=pk+x*y,开始,例0-4:Tower of Honoi 几个盘从一柱另一柱,方法: 上组盘辅助柱 最大盘目标柱 辅助柱盘目标柱,例0-5:最短的编码,欲传送电文: abaccda 等长编码: a b c d 各为 00、01、10、11 等长码的电文:00010010101100 共14位,哈夫曼编码思想:字符出现频率越高编码越短 构造哈夫曼树:字符出现频率作权值、n个叶子 本例字母频率:a b c d 各为 3、1、2、1,a b c d0 110 10 111,abaccda0110010101110,14,课时:40(课)+16(机) 上课:中2-3223 时间:上课_课表; 上机 _课堂通知 上机:计算机教学实验中心,作业:学校统一制作的作业本教材科购买 实验报告:上传到_202.117.35.239用户名、密码学号 教材:大学计算机基础大学计算机基础实验指导清华大学出版社、2011年9月,键盘,功能键,字母键,光标键,数字键,计算机键盘,定位:F J 基准键: ASDF JKL; 食指:各两排 中、无名指:各一排 左小指:左侧其余 右小指:右侧其余 右大指:空格键,Page 17,预备知识与技能,1操作系统的功能 2Windows系统的用户界面 3文件操作 4设置 5附件,1 Windows操作系统,Page 18,1. Windows操作系统的功能,计算机硬件:物质基础 软件:管理计算机;为用户提供服务;扩充计算机系统的功能 软件分类:系统软件(如Word)、应用软件 操作系统:最重要的系统软件 操作系统的功能:管理计算机的硬件、软件和数据资源;安排计算机工作流程,使各部件协同工作;提供用户与计算机之间的接口; 常用操作系统:Unix、Linux、Windows、DOS,Page 19,2Windows系统的用户界面,桌面:开始菜单、图标、任务栏 开始菜单:程序、设置、搜索、帮助、关机等 桌面上的图标:文件夹图标:我的电脑、网上邻居、我的文档等;文件;快捷方式 任务栏:按钮、指示器等,文件夹窗口:我的电脑、网上邻居、资源管理器等 剪贴板:剪_Ctrl+X、复制_Ctrl+C、粘贴_Ctrl+V 拖放操作:移动、复制_按住Ctrl键,3. 文件操作,Page 20,4. 设置,开始设置控制面板显示“显示属性”对话框 开始设置控制面板管理工具计算机管理“计算机管理”对话框 开始设置打印机“打印机”对话框添加打印机 . 附件 开始程序附件写字板 开始程序附件画图 开始程序附件娱乐录音机,Page 21,2 Word内容,1. Office用户界面主窗口、文档窗口:菜单、工具栏、定制; 2文档操作打开、创建、保存、关闭 3录入输入法工具条、插入符号、自动图文集、自动更正 4格式编排字样、段落、页面、分栏、页眉、页脚、模板、样式(标题等),Page 22,5表格制作插入表格、表格与边框工具栏、文字与表格转换、自动套用格式 6作图绘图工具条、微调、组合、环绕方式等 7数学公式上标、下标、插入公式、插入域 8图文混排插入图片、图片格式、图片工具栏、裁剪缩放,Word内容_续,Page 23,实验报告格式,1题目例:文档操作与格式编排实验报告 2暑名学号 姓名 班级 3任务课堂布置 4实验条件计算机硬件、软件配置等 5实验过程详细说明操作步骤及解决问题的过程 6总结,第一次实验,24, 微机总线结构 CPU和内存 外存储器 总线和IO设备 软件分类与功能 计算机的应用,上网查询、编辑Word文档并上传:,第一章 绪论, 什么是计算计算、图灵机、可计算性 计算工具的发展和电子计算机算筹、算盘、机械计算机、计算尺、电子数字计算机 计算科学学科形态、基本概念 计算科学的应用例:人工智能;云计算、网格计算、普适计算,26,本章内容,什么是计算执行算法 哪些问题是可计算的?哪些是不可计算的? 如何衡量问题的复杂性? 历史上的计算工具与计算机有哪些共同的思想? 计算科学的根本问题是什么?算法、可计算性、软硬件实现 了解计算科学的应用范围数值计算、数据处理、实时控制、智能模拟;CAD(计算机辅助设计),姚普选,27,1.1 什么是计算,思考: 求解 x2+2x-3=0 ? 求解 ax2+bx+c=0 ? 有4个嫌疑人: a说:“我不是小偷。“ b说:“c是小偷。“ c说:“小偷肯定是d。“ d说:“c冤枉人!“ 4人中3人说的是真话,问到底谁是小偷? 总结:什么是计算?,28,1.1.1 计算,计算_ computation:算法的执行,从包含算法和输入数据的初始状态开始,经过一系列中间状态直到最终的目标状态的过程,算法_algorithm:若干条指令组成的有穷序列,姚普选,29,计算 VS 产品的加工/生产过程,可比之处?,函数_function:一组可能的输入值和一组可能的输出值之间的映射关系 函数为每个可能的输入赋予单一的输出 函数的计算:对于一个给定的输入,确定其具体输出的值的过程通过对函数的计算来解决问题 计算机科学的一个基本问题_找到一种技术,并用之于计算哪些解决问题的函数,即y=f(x) 能否确定,如何确定加工过程,如何实现加工过程?,30,思考:,实现下列函数的计算,有什么特点和问题? 去年每天的平均气温 投资额P,利率r,投资n年后的金额 = P(1+r)n 计算 sin(x) 的值 计算 22,23,24,210,2100,函数越复杂,需要的技术支持越强,结论:,问题:,任意复杂的函数,总能找到系统来计算它吗?,姚普选 2011,31,函数的可计算与不可计算,可计算:如果一个函数可依据输入值和一定的计算步骤来确定输出值,则称其为可计算的(computable) 不可计算:如果根据输入找不到定义好的、一步一步的过程来确定输出值,这样的函数称为不可计算的(uncomputable),如果一个问题是可计算的,不管它有多复杂,总能制造出一种机器对其进行求解 而如果问题是不可计算的,意味着它超出了机器的能力范围,姚普选 2011,32,(计算机解题)例1:求 解 ax2+bx+c=0, 变量a、b、c 输入各次项系数 变量delta 计算 b*b-4*a*c 判断(delta=0?), 是则变量sdelta 计算 sqrt(delta);否则,变量sdelta 计算 sqrt(-delta) 变量real 计算 -b/(2*a); 变量imag 计算 sdelta/(2*a) 判断(delta=0?),是则x1real+imag; x2real-imag否则, x1real+ jimag; x2real- jimag 输出变量x1和x2的值,姚普选 2011,33,(计算机解题)例2:求 n!, 变量n终值10变量mul 初值1 变量I 初值1 判断(i=10?), 是则 mul 计算mul*i否则,转到 i 计算i+1转到 输出变量mul的值 算法结束,34,计算设备模型图灵机 依程序命令及内部状态移动、读写,阅读,35,图灵机组成,纸带,两端无限长,划为一个个格子_存储单元 读写头_大盒子,可左/右移,读/改写当前格符号 状态寄存器_盒子上的方块 0、1、8、9等,保存有限个状态(可能的内部状态、初始状态、停机状态) 控制规则_程序,按当前机器状态及格子上符号确定读写头下一步动作,改变状态寄存器值,令机器进入新状态,图灵机计算:预存的程序依据机器当前状态和当前格内容确定控制单元动作,控制单元一步步执行 每一步:观察当前格的符号,必要时写入符号、左移/右移一格,然后改变状态,阅读,36,例:本步操作现状态 操作 新状态 当前状态为 q4, A 改写为 E左移一格,进入 q3 状态 指令:q4 A E L q3,工作方式,读写头_读出当前格符号 依据_当前状态及读取的符号查表(一连串指令) 确定_是否改写符号、如何移动读写头、是否停机 机器_进入程序指定的新状态,阅读,37,图灵机:输入信息 变换 输出信息,最简信息形式、运算:0、1、布尔运算_与或非,构造图灵机:信息可0、1编码;变换可分解为0、1编码的变换;0、1编码的运算可分解为_与/或/非 布尔电路可组成任意图灵机,阅读,姚普选 2011,38,预先输入,指令,阅读,姚普选 2011,39,图灵可计算:,将二进制形式输入值放在纸带上,运行机器直至停止,即可从带上读取输出值。由图灵机这样计算的函数称为图灵可计算的。即,存在一个图灵机,给它一个空纸带,可打印出任意逼近该函数的结果 丘奇图灵论题(图灵猜想):图灵可计算函数与可计算函数是一样的,即,图灵机的计算能力囊括了任何算法系统的能力还可以说,图灵机概念提供了一个环境,在此环境下,所有可计算函数的解都可表示出来 图灵猜想的意义:可将图灵机的能力作为一种标准,若一个计算系统能够计算所有的图灵可计算函数,即可认为其能力相当于任何计算系统的能力,阅读,40,元胞自动机_冯诺依曼研究可自我复制的自动机时提出,空间分成元胞(方、六边形等离散的格子)。元胞处于若干可能状态之一、可随时间演化且其演化受临近元胞状态影响。传统元胞自动机中,每个元胞的变化都同时进行,例: J. H. Conway _ 生命游戏二维空间划为方格_元胞,元胞仅死/活二态,记为0/1,,姚普选 2011,冯诺依曼邻居,Moore邻居,邻居,可考虑上下左右,或四周,或其他类型,整个空间初始状态可人为设计,也可随机设定。随时间推移,每个元胞或死或生,然而空间整体却出现了非常复杂的状态演化,阅读,41,生命游戏,J. H. Conway_60年代末设计,单人玩计算机游戏产生动态图案和动态结构能力的元胞自动机模型,给定初始状态分布。经若干步运算:有的图案很快消失有的图案固定不动,有的周而复始重复两个或几个图案有的婉蜒而行有的保持图案定向移动,形似阅兵阵 等价于通用图灵机,选择不同初始条件,可完成一切计算机可完成的算法演算http:/www.swarmagents.cn/complex/models/gameoflife.htm,姚普选 2011,阅读,42,生命游戏的构成及规则,(1)元胞分布在规则划分的网格上; (2)元胞具有0,1两种状态,0代表“死”,l代表“生”; (3)元胞以相邻8个元胞为邻居。即Moore邻居形式; (4)一个元胞的生死由该时刻本身生死状态和周围8个邻居的状态 (确切讲是状态的和)决定: 当前时刻,若一元胞状态为“生”,且8个相邻元胞中有2或3个的状态为“生”,则下一时刻该元胞继续保持 “生”,否则“死” ; 当前时刻,若一元胞为“死”。且8个相邻元胞中正好有3个为“生”。则该元胞下一时刻 “复活”。否则保持为“死” 演示,
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