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第五章 计算科学内容和方法 李陶深 tshli@gxu.edu.cn 第5章　计算学科的内容 与方法 5.1 计算科学的基本问题 能行性 能行性：什么能（有效地）自动进行，什么不能（有效地）自动进行。 “能行性”这个计算学科的根本问题决定了计算机本身的结构和它处理的对象都是离散型的，甚至许多连续型的问题也必须在转化为离散型问题以后才能被计算机处理。 例如，计算定积分就是把它变成离散量，再用分段求和的方法来处理的。 计算科学的发展主线 具体来说，有三大问题： 1）计算的平台和环境问题（计算模型问题） 2）计算过程的能行操作和效率问题（算法问题） 3）计算的正确性问题（语义学问题） 计算机研究的目标是:拓展和提高计算机的应用领域和应用水平。 围绕学科的三个基本问题使学科的发展形成了三条相对独立的主线，形成了许多相对独立的分支学科和研究方向。 不同时期，围绕着学科的一些重大问题和基本问题，若干方向便构成了所谓的主流方向，由主流方向又形成了学科的发展主线。 计算的平台与环境问题 计算的平台与环境问题是指描述计算问题的计算模型，或者实际制造出来的针对各种待处理问题特点和要求的自动计算机器。 不难看出，理论研究中提出的各种计算模型，各种实际的计算机系统，各种高级程序设计语言，各种计算机体系结构，各种软件开发工具与环境，编译程序与操作系统，数据库系统等都是围绕这一基本问题发展而来的，其内容实质可归结为计算的模型问题，也就是说，这个基本问题实际上关心的是计算问题在理论上是否能行的问题。 计算过程的能行操作与效率问题 含义是：当一个问题在判明为可计算的性质后，从具体解决这个问题着眼，必须按照能行可构造的特点与要求，给出实际解决该问题的一步一步的具体操作，同时还必须确保这样一种过程的开销成本是我们能够承受的。 相关的分支学科有：数值与非数值计算方法，算法设计与分析，结构化程序设计技术，密码学与快速算法，演化计算，程序设计方法学，自动布线，RISC技术，人工智能的逻辑基础等。 计算的正确性问题 计算的正确性是指：一个计算问题在给出了能行操作序列并解决了其效率问题之后，必须确保计算的正确性，否则，计算是无意义的，也是容易产生不利影响的。 这一基本问题相关的分支学科有：算法理论，程序设计方法学，程序设计语言的语义学，进程代数与分布式事件代数，程序测试技术，电路测试技术，软件工程技术，计算语言学，容错理论与技术，Petri网理论，CSP理论，CCS理论，分布式网络协议等。 今天，计算的正确性问题常常归结为各种语言的语义问题。 计算科学的三大基本问题 计算学科的三个基本问题普遍出现在学科的各个分支学科和研究方向之中，是学科研究与发展中经常面对而又必须解决的问题。 循着这一线索，我们不难看出，整个学科正是在围绕这些基本问题和不同时期重大问题而展开的研究与发展中形成了学科的发展主线与主流方向。 第5章　计算学科的内容 与方法 5.2 计算科学内容的三个层面 计算科学的应用层 包括人工智能应用与系统，信息、管理与决策系统，移动计算、计算可视化、科学计算等计算机应用的各个方向。其中，人工智能应用与系统涵盖人工智能，机器人，神经元计算，知识工程，自然语言处理与机器翻译，自动推理等方向；信息、管理与决策系统涵盖数据库设计与数据管理技术，数据表示与存储（包括多媒体技术），数据与信息检索，管理信息系统，计算机辅助系统，决策系统等方向；计算可视化涵盖计算机图形学，计算几何，模式识别与图像处理等方向。 计算科学的专业基础层 它是为应用层提供技术和环境的一个层面，包括软件开发方法学，计算机网络与通信技术，程序设计科学，计算机体系结构，电子计算机系统基础。其中，软件开发方法学涵盖顺序、并行与分布式软件开发方法学，如软件工程技术，软件开发工具和环境等方向；计算机网络与通信技术涵盖计算机网络互联技术，数据通信技术，以及信息必威体育官网网址与安全技术等方向；程序设计科学涵盖数据结构技术，数值与符号计算，算法设计与分析，程序设计语言，程序设计语言的文法与语义，程序设计方法学，程序理论等方向；电子计算机系统基础涵盖数字逻辑技术，计算机组成原理，故障诊断与器件测试技术，操作系统，编译技术，数据库系统实现技术，容错技术等方向。 计算科学的基础层 它包括计算的数学理论，高等逻辑等内容。其中，计算的数学理论涵盖可计算性（递归论）与计算复杂性理论，形式语言与自动机理论，形式语义学（主要指代数语义，公理语义等），Petri网理论等方向；高等逻辑涵盖模型论，各种非经典逻辑与公理集合论等方向。 支撑这三个层面的是计算科学这一学科的理工科基础科目，包括物理学（主要是电子技术科学）、基础数学（含离散数学）等。 第5章　计算学科的内容 与方法