计算机和人工智能之父图灵.docx

1、计算机和人工智能之父图灵计算机和人工智能之父图灵第一章，图灵的介绍1.1 图灵的成长1.1.1 孩提时代1912年6月23日，出生于英国伦敦，书香门第的家族里就有三位当选过英国皇家学会会员。虽然他的祖父曾获得剑桥大学数学荣誉学位，可他父亲对数学望而生畏，甚至认为要算出一个负数与负数相乘的结果，就已经超过了人类的理解能力。因此，阿兰的家庭教育，并不能对他以后在数学方面的成就有多少帮助。 3岁那年，他进行了在科学实验方面的首次尝试把玩具木头人的胳膊掰下来种植到花园里，想让它们长成更多的木头人。8岁时，图灵尝试着写了一部科学著作，题名关于一种显微镜，这个小孩虽然连单词都拼错了许多，但毕竟写得还像那么

2、回事。在书的开头和结尾，图灵都用同一句话“首先你必须知道光是直的”前后呼应，但中间的内容很短很短，可谓短得破了科学著作的纪录。图灵很早就表现出科学的探究精神，他曾对母亲讲：“我似乎总想从最普通的东西中弄出些名堂。”就连与小伙伴打足球，他也只喜欢在场外当巡边员，因为这样能够有机会计算球飞出边界的角度。这孩子似乎有一种天才的直觉，能够一眼看出问题的答案。 13岁时进入寄宿的谢博恩中学（Sherbourne School），学习成绩并不特别好，只有数学例外，演算能力特别强。此外，就是擅长赛跑，我们现在还能看到图灵在运动会上参加赛跑中冲过终点时留下的照片。1.1.2 青年时代 1931年考入了剑桥皇家

3、学院。大学毕业后留校任教，不到一年功夫，他就发表了几篇很有份量的数学论文，被选为皇家学院的研究员，年仅22岁。为此，他的母校宣布放假半天以示庆贺，连当代数学泰斗罗素也来函邀请他讲学。1937年，伦敦权威的数学杂志又收到图灵一篇论文论可计算数及其在判定问题中的应用。1.1.3中年时代1950年10月,图灵又发表了另一篇题为机器能思考吗的论文,成为划时代之作。也正是这篇文章,为图灵赢得了人工智能之父的桂冠。1951年春天，英国皇家学会把会员的称号授给阿兰，这是图灵家族的第四位会员。连以前不赞成他的学术观点的人都写来热情洋溢的贺信。1953年，阿兰回到读中学时的母校，他站在教室的讲台上，向中学生作了

4、一次关于计算机的讲演。身为剑桥大学教授的他，竟紧张得不断地走来走去。因为听众席上有他过去的老师，他仿佛又在台上接受着老师的测验。他决心以此为新的起点，向智能计算机理论发起冲击。 1.2 图灵的成就1.2.1图灵的论可计算数及其在判定问题中的应用这篇论文是阐明现代电脑原理的开山之作，被永远载入了计算机的发展史册，照耀着现代电脑的前进方向。后来，冯诺依曼在他的自动计算机的一般逻辑理论一文中写道：“大约12年前，英国逻辑学家图灵开始研究下列问题，他想给自动计算机的含义下一个一般性的定义。”在这篇文章中，冯诺依曼阐述了图灵在理论上的重大贡献。 熟悉科学史的人都知道，伟大的科学发明往往是在理论取得重大突

5、破之后才能够得以实现。巴贝奇和阿达终身奋斗，致力于发明一台通用计算机分析机，但他们并没有从理论上证明它的可行性，凭借的只是自己的经验和热情。图灵的这篇论文，涉及的议题并非是如何研制一台具体计算机，而是为了解决数学领域一个基础性问题。 1.2.2 图灵曾应征入伍，加入到战时英国情报中心“布雷契莱庄园”，从事破译德军密码的工作。在这个秘密基地里，他与战友们一起成功地制作了第一台密码破译机“恩尼格玛”。这个“庄园”后来又研制出一种破译密码的专用电子管式计算机“巨人”，在盟军诺曼底登陆等战役中立下了丰功伟绩。因此战后图灵被光荣授勋，被称为(Officer Order of the British Em

6、pire，这是对非战斗人员的极高荣誉)。据主持研制“巨人”机的纽曼教授和工程师弗劳尔斯回忆，他们都得益于受到图灵通用计算机研究的启示。1.2.3 还在剑桥读书时，图灵天才的大脑就常常在思索数学函数的“可计算性”问题。物理学家阿基米德曾手持杠杆宣称：给我一个支点，我就能移动地球。如果茫茫宇宙间真有这么个支点，只要给阿基米德足够的时间，比方说数以亿计的年度，地球的确可以被他的杠杆撬动。然而，数学上的一些函数，是不是只要给人以足够的时间演算，也都能够通过有限次机械步骤求得解答呢？ 这是一个必须在理论上做出解释的数学难题，传统数学家当然只会想到用公式去推导，证明它是否成立。可是，具有“跳跃思维”头脑的

7、图灵不愿意墨守陈规，他独辟蹊径地想出了一台冥冥之中的机器，一台理想中的计算机。后人称它“图灵机”，实际上这是一种不考虑硬件状态的计算机逻辑结构。图灵还提出可以设计出另一种“万能图灵机”，用来模拟其它任何一台“图灵机”的工作。如果认为“图灵机”是理想计算机，那么“万能图灵机”就是通用计算机的原始模型。图灵甚至还想到把程序和数据都储存在纸带上，从而比冯诺依曼更早提出了“储存程序”的概念。 图灵把证明数学题的推导过程，转变成为一台自动机器的运行过程后，不仅证明了这一数学难题，而且用“万能计算机”的设想，从理论上证明了制造出通用计算机的可能性。他的“万能计算机”就是现代通用计算机的一种模型，这种机器只

8、要为它编好程序，就可以承担其他机器能做的任何工作。 后来研制出来的通用计算机，无论是5年之后楚泽研制的Z-3、8年之后艾肯研制的Mark， 还是10年之后莫契利等创造的第一台电脑ENIAC，莫不是图灵在头脑里早就在构思的机器。 纽曼教授感慨地说过：“现在的人很难认识到，当时把纸带及在纸带上的穿孔模式这类话题引进数学基础的讨论是多么大胆的革新。”从“理想计算机”和“储存程序”开始、直到后来论证的“自动程序设计”和“系统仿真”等等，阿兰图灵以其独特的洞察力提出了大量有价值的理论思想，似乎都成为计算机发展史不断追逐的目标，不断地被以后的发展证明其正确性。1.2.4 1945年，脱下军装的图灵，带着大

9、英帝国授予的最高荣誉勋章，被录用为泰丁顿国家物理研究所的高级研究员。由于有了布雷契莱的实践，阿兰图灵提交了一份“自动计算机” 的设计方案，领导一批优秀的电子工程师，着手制造一种名叫ACE的新型电脑。1950年ACE电脑的样机公开表演， 被认为是世界上最快最强有力的电子计算机之一。它大约用了800个电子管， 成本约为4万英镑。图灵在介绍ACE的存储装置时说：“它能十分容易地把一本小说中的10页内容记住。”显然，ACE比EANIC的存储器容量更大。英国人似乎特别喜欢保密，图灵写的那份50页ACE设计报告，直到1972年才以单行本的形式发表，保密时间长达27年之久。1.3 别人对图灵的评价1.3.1

10、 阿兰图灵的挚友、英国曼彻斯特大学纽曼教授（M.Newman）的夫人这样描写图灵，她说：“阿兰轮廓奇特的脑袋很漂亮，黑褐色的头发，船首形的下巴，蓝得像明亮玻璃似的眼睛，看到他的人都会留下深刻的印象。他的穿着总显得别扭，不管是穿那件又脏又破的大衣，还是费心换上干净的白衬衣都是如此。他与人在一起的时候总用随便的态度和长时间的沉默来保护自己，十分腼腆害羞，从不与别人的目光相遇。然而，一旦在友好交谈的信任气氛中，他那双眼睛里透出的坦率和理解力就好像含有使人不敢喘气的东西。那目光不仅远远超出了言语和行动，而且仿佛也超出了人间。” 1.3.2 美国物理学家、曾在洛斯阿拉莫斯实验室担任过冯诺依曼助手的弗兰克

11、尔在一封信中这样写到：“许多人都推举冯诺依曼为计算机之父，然而我确信他本人从来不会促成这个错误。或许，他可以被恰当地称为助产士，但是他曾向我，并且我肯定他也曾向别人坚决强调：如果不考虑巴贝奇、阿达和其他人早先提出的有关概念，计算机的基本概念属于图灵。按照我的看法，冯诺依曼的基本作用是使世界认识了由图灵引入的基本概念” 正是冯诺依曼本人，亲手把“计算机之父”的桂冠转戴在这位英国科学家阿兰图灵（Alan M. Turing ，1912-1954）头上。 1.3.3 与巴贝奇一样，阿兰图灵的一生充满了“未解之谜”，1983年美国出版的一部为他作传的文学作品，书名就叫做阿兰图灵谜。图灵的故事，更像是一

12、篇难以理喻的神话，他似乎属于上天派往下界的神祗 ，匆匆而来，又匆匆而去，为人间留下了智慧，留下了深邃的思想，后人必须为之思索几十年甚至几百年。 1.4 图灵的趣事1.4.1 据说，布雷契莱有一辆出了名的自行车，它是图灵在庄园里代步的交通工具。这辆车子有点小毛病链条经常脱落。别人或许马上把车送到车行修理好再骑，可图灵偏不修，他仔细琢磨链条脱落的规律， 发现每踏到X圈时链条才会脱落。于是，他用十分“愚笨”的办法对付着骑车， 边骑边数踏过的圈数，一到X圈就停止不踏，让车自己滑行。不久他觉得数数太费事，便制造了一台计数器装在车轮上，真是“笨”到了家，被同事们传为笑料。这件小事实际上反映了图灵善于观察并

13、用理论解决问题的性格特点。 1.4.2战争初期，图灵预感到英国可能会沦陷，为了不把个人存款留给德国占领军，他取出全部现金换成两个大银锭，分别埋在两处并作上标记。可是，当战争结束后，尽管他保留了一张“藏宝”的秘密图纸，仍然找不到埋藏银锭的地点。沮丧之余，图灵自制了一台“探雷器”，像工兵那样钻进丛林，弄得满身泥土，还是一无所获。每当别人提起这件往事，图灵总为自己的粗心大意而满面羞愧，不过，同事们谁都没往心里去。阿兰这种对个人琐事粗枝大叶的作风，可能就是后来酿成一场不该发生悲剧的根源。 1.4.3 具有重大科学价值和历史意义的计算模型，并非图灵那篇论可计算数及其在判定问题中的应用论文的主题。图灵那篇

14、论文主要是回答同样是德国大数学家的戴维.希尔伯特(David Hilbert,1862-1943)在1900年举行的世界数学家大会上得提出的著名的“23个数学难题”中的一个问题的，这个问题涉及逻辑的完备性，即是否所有的数学问题在原则上都是可解的。图灵的论文回答了这个问题：有些数学问题是不可解的。而自动计算机的理论模型则是图灵在其论文的一个脚注中“顺便”提出来的。这可正谓“歪打正着”图灵这篇传世的论文主要是因为这个脚注，其正文的意义和重要性反而退居其次了。第二章 图灵机2.1图灵机是什么样的？图灵机由一条双向都可无限延长的被分为一个个小方格的磁带、一个有限状态控制器和一个读写磁头组成，如下图所示

15、。图灵机一步步地进行工作，机器工作情况取决于三个条件，即： 机器的内部状态 读写磁头扫描在磁带的哪个方格上 该方格上有什么信息2.2图灵机的工作过程读写磁头在所扫描的方格上写上符号，原有符号自然消除；磁头向右或向左移动一个方格，机器由当前状态转向另一个状态，进入下一步工作。如此周而复始，除非遇到命令机器停止工作的状态。例如，上图中的机器在某一步上处于状态q3,将所扫描方格中的A改写为E，左移一个方格，进入状态q5,磁头将要扫描的方格内的字母为T。机器下一步的工作由q5和信息T唯一确定。图灵机的这种由状态、符号确定的工作过程叫图灵机的程序，可以方便地用下列五元组确定的一个阵表来定义：其中q、q是

16、有限状态控制器中的状态，q 为当前状态，q为下一状态；b、a表示方格中的符号，b是当前方格原有符号（before），a是修改后的符号(after)；m指示磁头移动方向，若左移为L（Left），若右移为R(Right),不动用N表示（No-motion）。这样，上述图灵机的一步动作就可用下列五元组确切地描述：我们再来看一个完整的例子。假定要在二进制计算机上计算函数（x）=2x,也就是说x、（x）都用二进制表示，磁带方格中只能用0和1两个符号，空白用B表示。约定：1开始时，磁带上只有一连续的方格串上放入相应于x的二进制值的符号，其余方格都是空白。2机器从状态q1 开始，磁头处于x最左一位所在的方格

17、。3停机时磁带上非空方格串所组成的二进制值即代表（x）。在以上约定下，计算（x）= 2x 的图灵机程序将如下表所示。表中标有Error的地方表示在计算中不会出现。如果用Q = q1,q2,q3,qm表示有限状态集，用=a1,a2,a3,an表示磁带方格上的符号集，用R、L、H分别表示右移一格、左移一格或停机，那末图灵机（程序）也可以用下述映射进行定义：第三章 图灵奖3.1图灵奖的由来世界上第一台计算机ENIAC 1946年2月诞生于美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。但学术界公认，电子计算机的理论和模型是由英国数学家图灵在此前10年即1936年发表的一篇论文 “论可计算数及其在判定问题中的前应用” （

18、On Computable Numbers With an Application to the Entscheidungs Problem）中奠定了基础的。因此，当美国计算机协会ACM在1996年纪念电子计算机诞生20周年， 也就是图灵的有历史意义的论文发表30周年的时候，决定设立计算机界的第一个奖项（在此之前，做出杰出贡献的计算机科学家只能获得数学方面或电气工程方面的奖项），并且很自然地把它命名为 “图灵奖” 以纪念这位计算机科学理论的奠基人。 3.2 图灵奖获得者情况3.2.1 图灵奖是ACM于1996年第一个设立的奖项，专门奖励那些在计算机科学研究中做出创造性贡献、推动了计算机科学技术

19、发展的杰出科学家。虽然没有明确规定，但从实际执行过程来看，图灵奖偏于在计算机科学理论和软件方面做出贡献的科学家。奖金金额不算太高，设奖初期为2万美元，1989年起增到2万5千美元，奖金通常由计算机界的一些大企业提供（通过与ACM签订协议）。由于图灵奖对获奖条件要求极高，评奖程序又是极严，一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少数年度有两名合作者或在同一方向做出贡献的科学家共享此奖。因此它是计算机界最负盛名、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔奖”之称。从1966年到1999年的34届图灵奖，共计有40名科学家获此殊荣，其中美国学者最多，此外还有英国、瑞士、荷兰、以色列等国少数学者。（图灵奖获

20、得者）3.2.2 关于ACMACM（Association for Computing Machinery）成立于1947年，也就是世界上第一台电子计算机ENIAC诞生以后的第二年，美国一些有远见的科学家意识到它对于社会进步和人类文明的巨大意义，因此发起成立了这个协会，以推动计算机科学技术的发展和学术交流。ACM于1947年9月15日在纽约的哥伦比亚大学成立之初的名称是“东部计算机协会”(Eastern Association for Computing Machinery),后来才把Eastern这个词去掉而成为ACM。它的章程和附则是两年后才通过的，章程规定协会的目的有三：1推进信息处理科

21、学和技术，包括计算机、计算技术和程序设计语言的研究、设计、开发和应用，也包括过程中的自动控制和模拟。2促进信息处理科学和技术在专业人员和大众中的自由交流。3维护信息处理科学和技术从业人员的权益。ACM建立以来，积极地开展了活动，目前已成为计算机界最有影响的两大国际性学术组织之一（另一为IEEE的计算机协会，即IEEE Computer Society）。一些知名的计算机科学家，包括图灵奖获得者佩利、哈明和ENIAC的主要设计者之一莫奇利等都担任过ACM的主席。它下面又建立了几十个专业委员会（正式名称是所谓SIGSpecial Interest Group）,几乎每个SIG都有自己的杂志。据笔者

22、不完全统计，由ACM出版社出版的定期、不定期刊物有40多种，覆盖了计算机科学技术的几乎所有领域。第四章 巨星的陨落1954年，阿兰就要跨进他人生的第42个年头，风华正茂，年富力强，正处于生命最辉煌的创造巅峰期，计算机科学界都在翘首等待着他新的发现。6月8日清晨，阿兰的女管家像往常一样走进他的卧室，台灯还亮着，书桌上放着一封准备寄出的信，在这封信里，阿兰写到他同意接受几天后的一次访问邀请。床头柜上有个苹果，只吃了一小半。阿兰安祥地沉睡在床上，他永远地睡着了，再也没有醒来 巨大的噩耗顿时震惊了整个英国，震惊了全世界！一颗正在升起的巨星殒落了。就在阿兰吃剩的那只苹果里，法医检验出剧毒的氰化钾残液。事实上，图灵在个人私生活方面也并非完美无缺，1952年曾因同性恋被警方拘留。他采用注射激素方法试图治疗这种倾向。他的母亲绝不相信所谓“图灵服毒自杀”的传闻，认为图灵可能死于无法解释的意外事故。 图灵的死无疑是电脑科学界的巨大损失。