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标题: [转帖]理解计算 [打印本页]

作者: xiaogao    时间: 2005-4-30 23:09
标题: [转帖]理解计算
信人: CleverWang(小鱼儿), 信区: CFD* f6 K d S5 o; P! X3 V, s 标 题: 理解计算% S+ U8 ^' O. g1 ?& p9 x9 `( [ 发信站: 瀚海星云 (2004年10月14日10:21:11 星期四), 站内信件 2 I+ W6 S) G4 t; h3 N# u3 G$ J% g5 ^9 V2 T! C# X* W, T http://combinatorics.net.cn/readings/lijie.htm / w0 W) h- C9 U Y( X2 d摘自《科学》2003年7月(55卷4期) ' P% u: K% w; G7 {4 k! w1 S. \ 9 l2 z! ?# o# Y( Y! c 理解计算 郝宁湘 " X3 Y8 s+ w' b 5 x" `! |/ A" f1 ]4 t 随着计算机日益广泛而深刻的运用,计算这个原本专门的数学概念已经泛化到 # g- G; @' o E" F1 }4 Y; B了人类的整个知识领域,并上升为一种极为普适的科学概念和哲学概念,成为人们 ) o4 m0 S2 g9 @& U! q; Q/ p# z认识事物、研究问题的一种新视角、新观念和新方法。 2 {2 F% U. U+ Q6 O6 B4 F' k7 _$ v" N" [- K $ V/ m: Y9 v. Y, `, G 什么是计算与计算的类型( W/ b z x7 I7 ` 3 l0 V/ Y. _) y9 Z" A2 l" W 在大众的意识里,计算首先指的就是数的加减乘除,其次则为方程的求解、函 - J. ?5 W' n$ i- P% v数的微分积分等;懂的多一点的人知道,计算在本质上还包括定理的证明推导。可 ! z7 A0 _ a; w4 f( }0 t以说,“计算”是一个无人不知元人不晓的数学概念,但是,真正能够回答计算的 : m+ H. Y' I+ ]本质是什么的人恐怕不多。事实上,直到1930年代,由于哥德尔(K.Godel ,1906- N: j A% F+ k; R8 H" L 1978)、丘奇(A.Church,1903-1995 )、图灵(A.M.TUI-ing ,1912-1954 )等 # j! s. N, P! q" J; d0 h" c数学家的工作,人们才弄清楚什么是计算的本质,以及什么是可计算的、什么是不+ H& Q8 _( ^. h9 o# v( X; A: E 可计算的等根本性问题。4 A4 ]" }; U. ]+ T' } : g* D5 s' |0 e) Q* S 抽象地说,所谓计算,就是从一个符号串f 变换成另一个符号串g.比如说,从& n2 Q; L: s" i( f0 a& o 符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f 是,而符号串g 是2x,从f % n6 m$ ]: @8 Z& V: H! m6 m到g 的计算就是微分。定理证明也是如此,令f 表示一组公理和推导规则,令g 是 % s. }% i( D0 [& U Q一个定理,那么从f 到g 的一系列变换就是定理g 的证明。从这个角度看,文字翻 3 R! d" N0 P7 _3 u/ _译也是计算,如f 代表一个英文句子,而g 为含意相同的中文句子,那么从f 到g 7 E0 ]/ G7 q* C就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点?为什么把它们都叫做计算?因+ w9 l8 K; E+ F- `) ^ 为它们都是从己知符号(串)开始,一步一步地改变符号(串),经过有限步骤, 0 \3 {5 V& O p1 A/ X最后得到一个满足预先规定的符号(串)的变换过程。 , D. O7 c: g: ?$ l% g " K, F) n' K l& [. z 从类型上讲,计算主要有两大类:数值计算和符号推导。数值计算包括实数和 : v7 V' d P! \# X1 T函数的加减乘除、幕运算、开方运算、方程的求解等。符号推导包括代数与各种函" |& r4 @% `4 _8 B" F( { 数的恒等式、不等式的证明,几何命题的证明等。但无论是数值计算还是符号推导, 3 Q- v' g: m2 v: t7 H* P它们在本质上是等价的、一致的,即二者是密切关联的,可以相互转化,具有共同 / `4 i5 R- x n E+ H的计算本质。随着数学的不断发展,还可能出现新的计算类型。4 t% {" r5 Q3 _1 A& m $ I+ d: p# d; |$ J/ x) G, x0 K 8 [7 L& l+ b6 Y4 S 计算的实质与E 奇-图灵论点 ! O- w" c) y" K. G) ^ ( l6 s- o; L0 z/ P; q+ f 为了回答究竟什么是计算、什么是可计算性等问题,人们采取的是建立计算模 % E& N+ C- e8 B型的方法。从20世纪30年代到40年代,数理逻辑学家相继提出了四种模型,它们是4 n x# X) A7 D& `- J7 m 一般递归函数、λ可计算函数、图灵机和波斯特(E.L.Post,1897-1954 )系统。" s9 ^) k$ C J, r; G$ G: \ + u% R1 A1 R: ^ 这种种模型完全从不同的角度探究计算过程或证明过程,表面上看区别很大,6 b, U9 w: l( a6 t! Z 但事实上却是等价的,即它们完全具有一样的计算能力D 在这一事实基础上,最终 . _/ R7 |& T0 [3 A: c& v形成了如今著名的丘奇- 图灵论点:凡是可计算的函数都是一般递归函数(或是图 ( @' C0 X. ? g5 I/ F7 c灵机可计算函数等)。这就确立了计算与可计算性的数学含义。下面主要对一般递 7 M4 A4 I2 X( L4 P归函数作一简要介绍。 + U- I$ L+ g% @: }) R' q! n* n- B# T' J; P, N& c& O 哥德尔首先在1931年提出了原始递归函数的概念。所谓原始递归函数,就是由 1 T" x* D ]$ b7 q4 t1 B4 j初始函数出发,经过有限次的使用代人与原始递归式而做出的函数。这里所说的初 + l# a+ X' g: M/ I6 G始函数是指下列三种函数: & O& L a3 Q1 v5 ~ ^( f6 O+ K# S0 b; ^ (1 )零函数0 (x )=0(函数值恒为零);(2 )射影函数(x1,x2,…, , Y# U) z; @0 gxn)=xi (1 ≤i ≤n )(函数的值与第i 个自变元的值相同);后继函数S (x )7 f1 j7 R! z3 {8 f4 v =x+1(其值为x 的直接后继数)。 ) d, C4 f) h- F, B) v! z6 c 代人与原始递归式是构造新函数的算子。+ }$ u9 n; J7 b3 B3 E, ]1 P 代人(又名叠置、迭置),它是最简单又最重要的算子,其一般形式是:由一 : m/ n2 V b. b( ?) o个m 元函数f 与m 个n 元函数g1,g2,…,gm造成新函数f (g1(x1,x2,…,xn), . q% t- i9 |- |$ [g2(x1,x2,…,xn),…,gm(x1,x2,…,xn))。; |6 b6 F7 ? K7 G; A1 _ - K$ S* I: f5 J% A) F8 w 原始递归式,其一般形式为 7 t; {- x: u- d d & e- j: p' ]! y4 @9 [2 K 特殊地为 0 m! ]( c; A. x $ ]! D3 q& T: ^# c/ a 其特点是,不能由g ,h 两已知函数直接计算新函数的一般值f (u ,x )," G9 Y6 } c$ l. ` 而只能依次计算f (u ,0 ),f (u ,1 ),f (u ,2 ),…;但只要依次计 4 ~6 C5 L3 q* k) Y8 ~6 h+ S算,必能把任何一个f (u ,x ),对值都算出来。换句话说,只要g ,h 有定义1 u$ L7 v2 E( C2 s& R 且可计算,则新函数f 也有定义且可计算。 : U4 y- j% Z9 j" ~9 G) ?* w5 o# c. v 根据埃尔布朗(J.Herbrand,1908-1931 )一封信的暗示,哥德尔于1934年引 1 ]1 e- F# d. a" r4 ^5 c进了一般递归函数的概念。后经克林(S.C.Kleene,1909-1994 )的改进与阐明, + R8 c8 e. b) B$ J3 n便出现了现在普遍采用的定义。所谓一般递归函数,就是由初始函数出发,经过有 8 m$ p1 q8 @& ]限次使用代人、原始递归式和μ算子而做成的有定义的函数。这里的μ算子就是造 ( f M. U3 V) [6 |) \ ^5 N逆函数的算子或求根算子。 5 k' S4 W+ r; `7 A 7 E* e* J( ]) ?3 V& I, e* N5 q 如此定义的一般递归函数比原始递归函数更广,这是没有任何疑问的。但是,' _) Y3 }* w+ F$ U$ \ 人们还是可以问:这样定义的函数是否已经包括了所有直观上的可计算函数?如果0 q& I/ M) y, `0 [ 还有更广的可计算函数又该怎样定义?在受到这类问题困惑的同时,丘奇、克林又 3 s. ]9 i+ S& y5 z* n提出了一类可计算函数,叫做λ可计算函数。但事隔不久,丘奇和克林便分别证明! w ~& g5 o1 ?5 m 了λ可计算函数正好就是一般递归函数,即这两类可计算函数是等价的、一致的。' ?5 {" d3 m' n- R c) d 在这一有力的证据基础上,丘奇于1936年公开发表了他早在两年前就孕育过的" M3 b# ]+ x5 e- a3 r 一个论点,即著名的丘奇论点:每个能行地可计算的函数都是一般递归函数。 " p# M$ | Z2 u" a' z & ~8 d: }" ]; y0 m, E8 B) S 与此同时,图灵定义了另一类可计算函数,叫做图灵机可计算性函数,并且提' H ~ {1 _ |/ t' U 出了著名的图灵论点:能行可计算函数都是用图灵机可计算的函数。图灵机是图灵5 {" I( e% L. Q& l$ D M+ L. H# s2 B j 提出的一种计算模型,或一台理论计算机口它可以说是对人类计算与机器计算的最 # ~; ^5 h! J, _& C6 F+ g一般、最高度的抽象。一年后,图灵进一步证明了图灵机可计算函数与λ可定义函) `/ @9 d& `% O' v/ W 数是一致的,当然也就和一般递归函数一致、等价。于是,表面上不同的三类可计 . V" ] i8 i( _算函数在本质上就是一类。这样一来,丘奇论点和图灵论点也就是一回事了,现将 ; P* }% T1 o2 M! U' D它们合称为丘奇- 图灵论点,即直观的能行可计算函数等同于一般递归函数、可λ1 V `( v, j# }% w! ~ 定义函数和图灵机可计算函数。8 Z( l( n1 Z. j Z9 e % u7 o. P- j1 t: h' N9 N 丘奇-图灵论点的提出,标志着人类对可计算函数与计算本质的认识达到了空 . b }" v" ?! S4 O! g: t前的高度,它是数学史上一块夺目的里程碑。 ' C* j- m+ J1 A1 Z . [, a2 ?" a+ R/ g, @ 一般递归函数比较抽象,为此给出一种较为直观的解释。大家知道,凡能够计# S; n) t$ c- A 算的,即使是“心算”,总可以把其计算过程记录下来,而且是逐个步骤逐个步骤$ P$ @( E$ f$ r0 \ 地记录下来。所谓计算过程,是指从初始符号或已知符号开始,一步一步地改变 ( l! I2 B+ c8 t' v; v# E(变换)符号,最后得到一个满足预先规定的条件的符号,并从该符号按照一定方. a$ h, x5 n* _) U" D g2 N 法得到所求结果,即所求函数的值的全过程。可如此计算的函数,一般称为可以在 . C4 y4 f& a! s: ?有限步骤内计算的函数。现已证明:凡是可以从某些初始符号开始,而在有限步骤 8 k7 F' K1 q; z9 I/ x内计算的函数都是递归函数。由此可以看到,“能够记录下来”便符合了可计算性! z3 E. r: h4 P+ a9 a1 H8 w 或递归性的本质要求。一般递归函数的实质也由此显得十分直观易懂。 : X0 F" a* v4 e/ m! p0 \3 } @ n9 n1 r4 B' p) Q c- Z. F 丘奇-图灵论点的提出与确认,在数学和计算机科学上具有重大的理论和现实. H8 U7 a; W x0 G 意义。正如我国数理逻辑专家莫绍揆教授所言,有了这个论点以后,就可以断定某 1 D* H: [- F- o4 M些问题是不能能行地解决或不能能行地判定的。对于计算机科学,丘奇- 图灵论点: q# S" g5 \* s7 \+ h 的意义在于它明确刻画了计算机的本质或计算机的计算能力,确定了计算机只能计/ y+ Z4 C* b) `! Q0 l3 ~8 V* ?1 P 算一般递归函数,对于一般递归函数之外的函数,计算机是无法计算的。6 }% _1 F$ r9 k! N5 D( V 8 Y& e i3 s: s6 R1 a% g! X; t V6 q k1 Z9 |+ u* r DNA 计算:新型计算方式的出现 7 L& X- U! A! p4 h & W7 H/ e3 R1 {; M, ~ 1994年11月,美国计算机科学家阿德勒曼(L.Adleman )在美国《科学》上公4 C6 A- @4 R* ]3 p! a; ~ 布DNA 计算机的理论,并成功运用DNA 计算机解决了一个有向哈密顿路径问题。 DNA0 s$ K F7 j& u! G) @5 g1 S 计算机的提出,产生于这样一个发现,即生物与数学的相似性:(1 )生物体异常" @* ~ M" G" d$ f/ N$ } 复杂的结构是对由DNA 序列表示的初始信息执行简单操作(复制、剪接)的结果; k/ ~* K4 B7 {1 I: m" i% N/ M (2 )可计算函数f (ω)的结果可以通过在ω上执行一系列基本的简单函数而获1 r" r8 b; G$ x 得。 ! Z2 C7 w' e9 M4 x x" H0 g! Z9 y W z# c 阿德勒曼不仅意识到这两个过程的相似性,而且意识到可以利用生物过程来模4 U' A3 h3 p) m 拟数学过程。更确切地说是,DNA 串可用于表示信息,酶可用于模拟简单的计算。 / {2 c. c1 ~4 g( l 0 h% t9 ?0 B; e; D$ e 这是因为:首先,DNA 是由称作核昔酸的一些单元组成,这些核昔酸随着附在 4 Y, S# G- y8 b其上的化学组或基的不同而不同。共有四种基:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧 3 z1 N1 n- Q _& C# v( _( F啶,分别用A 、G 、C 、T 表示。单链DNA 可以看作是由符号A 、G 、C 、T 组成 / S6 y2 {+ w( B# I7 Y0 C# q: B的字符串。从数学上讲,这意味着可以用一个含有四个字符的字符集∑ =A 、G 、8 H( W. z/ v* P) Y8 ^* V4 ` C 、T 来为信息编码(电子计算机仅使用0 和1 这两个数字)。其次,DNA 序列上( D. {5 C. h# q, ^5 G \ 的一些简单操作需要酶的协助,不同的酶发挥不同的作用。起作用的有四种酶:限( Z* I) \; X1 ^. Q: z( L 制性内切酶,主要功能是切开包含限制性位点的双链DNA ;DNA 连接酶,它主要是6 c1 X+ O( l" x( a3 b. G* p7 \ 把一个DNA 链的端点同另一个链连接在一起;DNA 聚合酶,它的功能包括DNA 的复 + n& A& d. @. `" W+ Z* Q9 _+ j制与促进DNA 的合成;外切酶,它可以有选择地破坏双链或单链DNA 分子。正是基# J7 A3 _& H* P6 ]' y6 y, O R 于这四种酶的协作实现了DNA 计算。0 k- @& p: X4 Z3 \ 3 `6 |( T0 ?; w! L* {; ]+ b 不过,目前DNA 计算机能够处理的问题,还仅仅是利用分子技术解决的几个特1 x. Z( L* D, p 定问题,属一次性实验。DNA 计算机还没有一个固定的程式。由于问题的多样性, * r2 d! X' w% D" ~导致所采用的分子生物学技术的多样性,具体问题需要设计具体的实验方案口这便 3 ~( _! N# {) ]/ g$ s引出了两个根本性问题(也是阿德勒曼最早意识到的):(1 )DNA 计算机可以解8 I+ g- ]6 B! B) J& I 决哪些问题确切地说,DNA 计算机是完备的吗?即通过操纵DNA 能完成所有的(图 : ]+ d! ~, O9 d( v+ C' h6 r灵机)可计算函数吗?(2 )是否可设计出可编程序的DNA 计算机?即是否存在类 ! N4 j1 c# B5 B7 Y似于电子计算机的通用计算模型——图灵机——那样的通用DNA 系统(模型)?目) o3 O+ L# q% {6 I0 l0 ` 前,人们正处在对这两个根本性问题的研究过程之中口在笔者看来,这就类似于在0 D6 k5 i5 L5 }# e4 R9 \' W 电子计算机诞生之前的20世纪三四十年代理论计算机的研究阶段。如今,已经提出6 A+ [/ E( S( L2 `% M 了多种DNA 计算模型,但各有千秋,公认的DNA 计算机的“图灵机”还没有诞生。4 Z6 _& D) B: o+ ` * o+ O5 n0 e1 d2 ?: f1 R 相对而言,一种被称为“剪接系统”的DNA 计算机模型较为成功。 n" F2 m1 \9 g5 H1 j( ^ 3 v0 R W' p( ~6 h/ e' n$ I 有了“剪接系统”这个DNA 计算机的数学模型后,便可以来回答前面提出的DNA- `+ R4 l M! q1 d) B/ [6 V1 f6 z 计算的完备性与通用性问题。前面讲过,丘奇- 图灵论点深刻地刻画了任何实际计 6 x% i m L6 |5 C$ d% O6 g; z. z算机的计算能力——任何可计算函数都是可由图灵机计算的函数(一般递归函数)。 1 o, q) F# y; `7 Z$ E/ m( Q* [" H _* g. z6 T9 I 现已证明:剪接系统是计算完备的,即任何可计算函数都可用剪接系统来计算 0 M: h! G+ R% s: ZD 反之亦然。这就回答了DNA 计算机可以解决哪些问题——全部图灵机可计算问题。# f$ W2 M: v, s, u: S 至于是否存在基于剪接的可编程计算机,也有了肯定的答案:对每个给定的字符集 , I$ c! M( Q, a. Q. sT ,都存在一个剪接系统,其公理集和规则集都是有限的,而且对于以T 为终结字 - P' x; N3 z" l$ @符集的一类系统是通用的。这就是说,理论上存在一个基于剪接操作的通用可编程; j( L. a1 |' I/ y+ @4 V4 d$ ` 的DNA 计算机。这些计算机使用的生物操作只有合成、剪接(切割- 连接)和抽取。 9 B" u& g* m( N/ l) x1 i2 P5 j; ^8 z# i! h' l/ }& Y DNA 计算机理论的出现意味着计算方式的重大变革。当然,引起计算方式重大+ y a0 q. E. @$ \! ^3 B1 m* ` 变革的远不止DNA 计算机,光学计算机、量子计算机、蛋白质计算机等新型计算机 6 s! \% _* Y) O6 ^. B" r& q; @模型层出不穷,它们使原有的计算方式发生了前所未有的变化。 ' { a+ q# h; V8 n5 n1 m v3 m+ f! A( m/ P8 @ |9 g+ M( [4 p" m& l+ E# r 计算方式及其演变 . ^ N. [/ s& Q- i; b0 I# }- U' X 9 J' x, v2 w& Z7 }4 { 简单地讲,所谓计算方式就是符号变换的操作方式,尤其指最基本的动作方式。 b! g5 d* t, P 广义地讲,还应包括符号的载体或符号的外在表现形式,亦即信息的表征或表/ C! s: w. v, t* }* s6 x" n0 s 达。 % _9 G0 q1 g7 z4 ]2 K; `. B/ d/ G 比如,中国古代的筹算,就是用一组竹棍表征的计算方式,后来的珠算则是用9 [$ V$ M4 G& b* R: d2 d 算盘或算珠表征的计算方式,再后来的笔算又是一种用文字符号表征的计算方式, , O0 q" k$ |" d; C% ]这一系列计算方式的变化,表现出计算方式的多样性与不断进化的趋势。相对于后 6 F" J% ^) {: U O: O" F: x# o& @来出现的机器计算方式,上述各种计算方式均可归结为“手工计算方式”,其特点% r' Y# S* X/ I& y" | 是用手工操作符号,实施符号的变换。 + R" c. O( b" p# {# v) }0 `( T5 i5 O 不过,真正具有革命性的计算方式,还是随着电子计算机的产生才出现的。机 $ N p: V+ o" T. F1 }1 ~+ L8 u8 d器计算的历史可以追溯到1641年,当年18岁的法国数学家帕斯卡从机械时钟得到启/ x- ~9 }- a. @4 R/ y 示:齿轮也能计数,于是成功地制作了一台齿轮传动的八位加法计算机口这使人类 7 w( I E3 `8 }' O2 n计算方式、计算技术进入了一个新的阶段。后来经过人们数百年的艰辛努力,终于 % C0 {, @4 @" U% W在1945年成功研制出了世界上第一台电子计算机。从此,人类进入了一个全新的计 : o0 |; f* b0 q" G E9 p算技术时代。 * h9 @/ }4 N: F( H1 ]8 i: X' r, _& D& _ N. f 从最早的帕斯卡齿轮机到今天最先进的电子计算机,计算机已经历了四大发展% J/ i- t) w$ r+ A6 L 时期。计算技术有了长足的发展。这时计算表现为一种物理性质的机械的操作过程。/ Q3 d8 ^0 n' B1 G & A4 T5 _: l% D# l, v, |' B 符号不再是用竹棍、算珠、字母表征,而是用齿轮表征,用电流表征,用电压 2 W1 H3 L5 C. F" Y. _表征等等。但是,无论是手工计算还是机器计算,其计算方式——操作的基本动作( |9 E8 q2 B1 @; F2 u. l4 g 都是一种物理性质的符号变换(具体是由“加”“减”这种基本动作构成)。二者( d, H ~2 ~# ?5 U4 N 的区别在于:前者是手工的,运算速度比较慢;后者则是自动的,运算速度极快。7 L F: E, D, ~2 ^) R 4 I7 k! z8 ?/ l 如今出现的DNA 计算无疑有着更大的本质性变化,计算不再是一种物理性质的 & i6 ~* o4 B7 f+ C1 r7 C( s2 W/ f符号变换,而是一种化学性质的符号变换,即不再是物理性质的“加”“减”操作,2 F# B) B, [; c% }( v6 y. K 而是化学性质的切割和粘贴、插人和删除。这种计算方式将彻底改变计算机硬件的 - l# p: L/ D% d3 H5 O性质,改变计算机基本的运作方式,其意义将是极为深远的。阿德勒曼在提出DNA7 X: A$ C- G- ^* q5 | 计算机的时候就相信,DNA 计算机所蕴涵的理念可使计算的方式产生进化。$ F4 ~! j R( t. [* w 3 H+ g! b' Z6 ~ f 量子计算机在理论上的出现,使计算方式的进化又有了新的可能。电子计算机 - s' d: W G! i/ @0 F2 P的理论模型是经典的通用图灵机——一种确定型图灵机,量子计算机的理论模型— 2 x+ l! C# p; ]! H* ?4 |8 m—量子图灵机则是一种概率型图灵机。直观一些说,传统电脑是通过硅芯片上微型 % I; ?8 e% |2 J2 l/ A7 z% ]8 k# u/ c: q# M晶体管电位的“开”和“关”状态来表达二进位制的0 和1 ,从而进行信息数据的 1 V' {6 e0 r+ J- ^/ e# {+ y8 Z( i4 h; c处理和储存。每个电位只能处理一个数据,非0 即1 ,许多个电位依次串连起来," j/ l6 M. r- r0 e! V 才能共同完成一次复杂的运算。这种线性计算方式遵循普通的物理学原则,具有明 9 b& ]7 M; k) h显的局限性。而量子计算机的运算方式则建立在原子运动的层面上,突破了分子物 z3 n. K" b J/ {8 Y% k6 w& p* a理的界限。根据量子论原理,原子具有在同一时刻处于两个不同位置、又同时向上 9 |( f J" n- N0 v- a下两个相反方向旋转的特性,称为“量子超态”。而一旦有外力干扰,模糊运动的 ]3 g6 v- ^8 t$ r0 k! r原子又可以马上归于准确的定位。这种似是而非的混沌状态与人们熟知的常规世界 , T+ F! b/ m( a! P. V' p; ?3 A3 q相矛盾,但如果利用其表达信息,却能发挥出其瞬息之间千变万化而又万变不离其 ) V& s$ H& b# c6 y0 x宗的神奇功效。因为当许多个量子状态的原子纠缠在一起时,它们又因量子位的 ) h1 _2 \8 k/ O: [“叠加性”,可以同时一起展开“并行计算”,从而使其具备超高速的运算能力。- X9 a; ~# v1 J 6 l! Y( H& Z% R 电子线性计算方式如同万只蜗牛排队过独木桥,而量子并行运算好比万只飞鸟' @5 f' b& L7 S- L% |2 I 同时升上天空。* }: o( Q5 h3 |+ ?3 o ( p" r6 Z( R( G3 {4 }0 ?2 T( i9 h) S0 b! u' K1 m 计算方式演变的意义 ! n0 B S: R' Z4 c( q, G ) r3 o. I7 w( `4 u 计算方式的不断进化有着十分重要的理论意义和现实意义,笔者认为至少表明8 {% O$ d- X6 k: x 以下两方面。其一,计算方式是一种历史的结果,而非计算本性的逻辑必然。加拿' m0 J* d# G7 I 大的卡里(L.Kari)指出:“DNA 计算是考察计算问题的一种全新方式。或许这正3 ?7 h2 m- J" b# g 是大自然做数学的方法:不是用加和减,而是用切割和粘贴、用插入和删除。正如( x& l6 e. S5 ]8 }3 p 用十进制计数是因为我们有十个手指那样,或许我们目前计算中的基本功能仅因为! h' x7 s7 y2 V' i1 t ] 人类历史使然。正如人们已经采用其他进制计数一样,或许现在是考虑其他的计算! c) q8 b9 l* H3 ]. i% T* |: i( _# E 方式的时候了。”笔者以为,这一说法是很有启示性的。确实,仔细回顾一下人类 8 J: D: m; U5 v) C% X计算方式或计算技术的历史,就不难体会到计算方式是一种历史的结果,而非计算 ! _3 z3 U( O# d+ U本性的逻辑必然。 % d' V6 r6 P# P2 b ! O U2 O9 s. s0 l8 D 也就是说,计算之所以为计算,在于它具有一种根本的递归性,或在于它是一2 j/ I" e( Q2 T; d7 H" l( K 种可一步一步进行的符号串变换操作。至于这种符号变换的操作方式如何,以及符. _0 I7 y, a- e9 W9 g6 Z 号的载体或其外在表现形式如何,都不是本质性的东西,它们元不是一种历史的结& h8 c! t0 g( y8 D9 p 果,无不处于一种不断变革或进化的过程之中。不同表征下的符号变换有着不同的 2 Z0 N% q* d2 k4 x; T' n0 F操作方式,甚至同一种表征下的符号变换都可以有不同的操作方式:既可以是物理 9 e, I9 [- R7 b4 B, Z' R* o' v x性的方式,也可以是化学性的方式;即可以是经典的方式,也可以是量子的方式; 7 j5 M l2 B' a既可以是确定性的方式,也可以是概率性的方式。在此,计算本质的统一性与计算8 a; S6 Z* f; D 方式的多样性得到了深刻的体现。笔者相信,DNA 计算机、量子计算机等的出现已3 w5 t" X4 Q& c3 T/ s, i3 V& b 经打开了人们畅想未来计算方式的思维视窗,随着科学技术的不断发展,计算方式0 R$ Y0 N) U8 m3 @/ y 的多样性还会有新的表现。5 A3 F# |( K9 }; W 2 X- U1 B+ U2 x$ T" y- l4 N 其二,计算方式的历史性、多样性反观了计算本性的逻辑必然性、统一性。由 + L/ Z+ ?; \- U( u9 k4 `3 t丘奇- 图灵论点所揭示的计算本质是非常普适的,它不仅包括数值计算、定理推导) y3 C+ _5 q# W+ l2 T Q 等不同形式的计算,而且包括人脑、电子计算机等不同“计算器”的计算。大家不3 T" ?! p! @ }8 n6 d 要忘了,以丘奇- 图灵论点为基石的可计算性理论是在电子计算机诞生之前的1930) p+ V* @, ^: p) y& l& z4 P5 ]9 K 年代提出的,即它并非在对电子计算机进行总结与抽象的基础上提出,但又深刻地 4 [& R" C# y: ?; h- S' }' L刻画了电子计算机的计算本质。如今最先进的电子计算机在本质上就是一台图灵机, / }( t, _2 D' j或者凡是计算机可计算的函数都是一般递归函数。现在人们又进一步认识到,目前 r9 L4 u: P$ @# t7 W4 J2 {, V尚在实验室阶段的DNA 计算机、量子计算机,在本质上也是一种图灵计算。这说明 / z! x& H1 I7 O不同形式的计算、不同“计算器”的计算,在计算本质上是一致的,这就是递归计 ; g6 y, A: `, z# `; d, J- I) Y算或图灵计算。




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