《大学信息技术（第三版）》计算思维

大学信息技术（第三版）2信息技术基础1.1信息技术概述1.2计算机系统1.3计算思维1.4新一代信息技术1.5信息安全与信息素养31.3计算思维1.3.1计算思维概述1.3.2计算思维的本质1.3.3计算思维与计算机的关系1.3.4计算思维的应用领域1.3.5习题1.3.1计算思维概述“计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出的一种理论。周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一系列思维活动。周以真（英文名JeannetteM.Wing，），美国计算机科学家。卡内基-梅隆大学教授。美国国家自然基金会计算与信息科学工程部助理部长。ACM和IEEE会士。

1.3.1计算思维概述求解问题中的计算思维系统设计问题求解人类行为理解建立问题模型选择算法编程实现警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其中只有一人是小偷，审讯记录如下：A说：我不是小偷B说：c是小偷C说：小偷肯定是dD说：c在冤枉人四个人中，三个人说的是真话，一个人说的是假话，请问谁是小偷？6问题分析1依次假设每个人是小偷的情况一一代入四句供词2依次检验“四个人中三个人说真话，一个人说假话”是否成立3如果成立，小偷找到7数学建模将a,b,c,d四个人进行编号为1,2,3,4。用变量x存放小偷的编号。依次将x=1,x=2,x=3,x=4代入问题系统，检验“三真一假”是否成立。8计算1A说：我不是小偷2B说：c是小偷3C说：小偷肯定是d4D说：c在冤枉人5三真一假1X≠11or02X=31or03X=41or04X≠41or0539编程实现Forx=1to4If(x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3)thenPrintxNextx10计算机解题方法计算机解决问题步骤：理解问题，寻找解决问题的条件；从问题抽象出适当的数学模型，然后设计解决这个数学模型的算法；按照算法编写程序，并调试、测试、运行程序，得到最终解答。问题发现问题分析问题预见问题解决问题11设计系统中的计算思维

将系统中的变换过程映射为符号变换——形式化，然后就可以用计算机进行处理。系统设计问题求解人类行为理解121.3.1计算思维概述囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境问题描述警方逮捕了A、B两名嫌疑犯，但没有足够证据指控二人有罪。于是警方分开囚禁嫌疑犯，并向双方提供以下相同的选择（如表所示）：（1）如果一人认罪并检控对方（背叛），而对方保持沉默，则此人将获释，沉默者将判监禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），则二人同样判监1年。（3）如果二人都互相检举（背叛），则二人同样判监8年。策略A沉默（合作）A认罪（背叛）B沉默（合作）二人同服刑1年A即时获释；B服刑10年B认罪（背叛）A服刑10年；B即时获释A和B二人同服刑8年13囚徒困境——博弈策略建模囚徒的策略选择困境两名囚徒的选择：（1）若对方沉默，背叛会让我获释，所以我会选择背叛。（2）若对方背叛我，我也要指控对方才能得到较低刑期，所以选择背叛。结果：两人都选择背叛，结果二人服刑8年。如果两个囚徒合作保持沉默，总体利益会更高。而两个囚徒追求个人利益，选择背叛时，总体利益较低。这就是困境所在。14囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的数学建模（1）策略的符号化将囚徒各种选择获得的收益和支付转换为数值，获得表所示符号表。符号分数英文中文说明T5Temptation背叛收益单独背叛成功所得R3Reward合作报酬共同合作所得P1Punishment背叛惩罚共同背叛所得S0Suckers受骗支付被单独背叛所获15囚徒困境——博弈策略建模（2）建立收益和支付矩阵根据以下规则确定博弈双方的收益和支付：一人背叛，一人合作时，背叛者得5分（背叛收益），合作者得0分（受骗支付）；二人都合作时，双方各得3分（合作报酬）；二人都背叛时，各得1分（背叛惩罚）。从表可见：5>3>1>0，得出：T>R>P>S。囚徒的收益和支付矩阵以符号表示的策略策略A合作A背叛策略A合作A背叛B合作A=3，B=3A=5，B=0B合作R，RT，SB背叛A=0，B=5A=1，B=1B背叛S，TP，P符号分数T5R3P1S016囚徒困境——博弈策略建模（3）建立数学模型A=R，B=R时，A=3，B=3；A=T，B=S时，A=5，B=0；A=S，B=T时，A=0，B=5；A=P，B=P时，A=1，B=1。17囚徒困境——博弈策略建模【案例】生活中的“囚徒困境”现象。幼儿园小朋友互相分享玩具（给他玩，不给他玩）；夫妻双方对家庭的态度（忠诚，背叛）；公共卫生的维持（不扔垃圾，乱扔垃圾）；老板与下属的关系（信任，不信任）；商场上的君子协定（不违约，违约）；竞争对手的价格战（不降价，降价）；国家之间的对抗（和平，战争）等。虽然括号内的前者选择是大家想要达到的目标，但自私的结果往往是大家要接受后者。18人类行为中的计算思维

计算思维不仅能够反映人类思维活动，还能够通过计算手段来研究人类的行为。系统设计问题求解人类行为理解191.3.1计算思维概述例如：张女士孩子已经上大学，为改善自己的居住条件，想在某楼盘买房。售楼员推荐7号楼的一套房子，推荐语如下：

7号在小区“楼王”位置，景观好；距离X中学步行5分钟；经理在这栋楼共预留了8套，现在仅剩2套，且昨天已有客户意向订了一套；这套房还赠送阳台面积；价格上稍高于其他楼，这栋楼均价为9500元/m2，其他楼有9000元/m2、8500元/m2。人类行为中的计算思维首先按照结构化程序设计中的“自顶向下，逐层分解”，利用信息的特征，将一个大问题分解为若干小问题；其次再将小问题细化，得出解决方案。

人类行为中的计算思维人类行为中的计算思维预置和缓存

小学生早晨去学校时，她把当天需要的东西放进背包；回推小男孩弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路回寻；多服务器系统的性能模型在超市付账时你应当去排哪个队呢？失败的无关性和设计的冗余性

为什么停电时你的电话仍然可用？22重要理论计算思维的本质：抽象、自动化（程序、算法）计算思维能力：建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解问题的可求解性。问题抽象、模型建立、算法设计、实现抽象自动化231.3.2计算思维的本质1是概念化的抽象思维而不是程序设计抽象多层次思维计算机科学不等于计算机编程。所谓像计算机科学家那样去思维，其含义不仅限于计算机编程，还要求能够在抽象的多个层面上思维。241.3.2计算思维的本质2是根本的而不是刻板的技能现代社会每个人都必须掌握的技能根本技能是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板技能意味着机械地重复。计算思维是一种创新能力。251.3.2计算思维的本质3是人的而不是计算机的思维方式人类赋予计算机以激情创造性的使用计算机计算思维是人类求解问题的一条途径，人类聪颖且富有想象力，人类赋予计算机以激情。配置了计算设备，就能用自己的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题。261.3.2计算思维的本质4是数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界去打造各种系统。271.3.2计算思维的本质5是思想而不是人造物计算思维不仅体现在以物理形式呈现并时时刻刻触及人们生活硬件、软件等人造物上，更重要的是计算的概念，这种概念被人们用于问题求解、日常生活的管理以及与他人进行交流和互动。281.3.2计算思维的本质6面向所有人和所有地方计算思维已真正融入人类活动的整体，而不再表现为一种显示哲学，它作为一个问题解决的有效供给，需要在所有地方、所有学校的课堂教学中都得到应用。291.3.2计算思维的本质计算机促进计算思维的研究与发展

计算机对信息的处理快速、记忆力强的特点，使得原本只能理论上实现的过程，变成实际可行的实现过程计算思维研究推动计算机的发展

在对计算思维的广泛、深入研究过程中，逐步揭示出一些属于计算思维的特点，计算思维与理论思维、验证思维的差异越来越明晰。计算思维的内容得到不断的丰富与发展。从思维的角度来说，计算科学主要研究计算思维的概念、方法和内容，并发展成为解决问题的一种思维方式，极大地推动了计算思维的发展。301.3.3计算思维与计算机的关系生物学脑科