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计算机科学发展的基础学科

发布人:管理员 发布时间:2012-09-11 出处:TsunYoung 点击量:2166次

数学

数学和计算机的关系非常密切。一直到二三十年以前,计算机科学本身还是数学学科的一个分支,最早研究计算机的专家也都是数学家。

       在计算机进行运算的基本原理中渗透着数学的各种思想。而现在,计算机科学已经成为一个独立的学术领域,这之间离不开数学理论的推动。程序,作为数学与计算机之间的一座重要桥梁,在数学的发展以及计算机的应用方面起着双重的推动作用。

(1)数学家对计算机理论和技术的贡献

提到计算机,不能不提到二十世纪的两位伟大的数学家——阿兰••图灵和冯•诺依曼。阿兰•图灵是英国一位著名的数学家,他通过仔细研究,提出了“所有的数学运算过程都可以抽象成数学模型”的观点,并于1936年开创性地提出了计算机的运算模型,奠定了现代计算机技术的理论基础,因此被誉为“计算机理论之父”。冯•诺依曼是美籍匈牙利数学家,他的重要贡献是对由约翰•莫克利(Jonh Mauchly)和普雷斯伯•埃克特(Presper Eckert)研制的世界上第一台数字式电子计算机进行了一次全新的改革。这项改革从此彻底改变了计算机技术的命运。原来,莫克利和埃克特发明的计算机虽然能大大提高运算速度,但却存在着两个致命缺点:(1)没有存储器,无法将数据或指令存储到计算机中;(2)每次执行不同的任务,都要重新布置导线。这样,它运算速度快的优点被布线所需花费的大量时间所抵消。因此,它的应用也仅限于复杂的科学计算和军事应用。冯•诺依曼运用数学中的“二进制”思想将其改进,发明了“离散变量自动电子计算机”EDVAC(electronic discrete variable automaticcomputer)。这种计算机能够将数据或指令储存,更重要的是它由于采用了二进制的运算方式,大大方便了数据的传输。这样,计算机的应用面理科扩大了,它不仅被用在军事与尖端技术上,同时也应用在工程设计、数据处理、事务管理等方面。可以说,我们现在使用的计算机还是建立在EDVAC基础之上的。由于冯•诺依曼对计算机技术的巨大贡献,他被称为“计算机之父”。

(2)数学思想在计算机技术的运用

现代计算机之所以能够如此智能化,在很大程度上是由于受到了数学思想的启发。数学逻辑结构的严谨,数学理论的严密,甚至许多数学方法本身,都直接被广泛地采用到计算机科学的众多领域。比如,数学中的二进制思想已成为现代计算机技术发展的坚实基础。广泛地说,只要进行数据的传输或整理时,就要用到这种思想。具体做法是将每个字节的数据用八位二进制数保存,这样再通过导线传输时只需用导线的通与断来分别表示0和1,就可以表示整个字节。从一个文件的储存,到一幅千兆图片的存储,更甚网络中成千上万的各种格式的数据的运送,都是离不开二进制的。回想一下,如果没有二进制的思想作为基础,或者说没有数学的发展做基础,何来冯•诺依曼的伟大创举,乃至EDVAC和当今计算机的诞生呢?从这个意义上说,没有数学原理的应用,就没有现代的计算机技术。

(3)数学原理对计算机软件系统的支持

上述提到的是计算机硬件技术的发展对数学的依赖,除此之外,计算机软件设计也离不开数学原理的支持。要掌握好计算机程序设计,数学功底非常重要。一般来说,要设计任何一个计算机算法,其实质都是先将问题转化为一个(更多情况下是多个)需要解决的子问题,然后再想办法逐一解决这些问题,最后使得整个程序连贯为一体。通俗地讲,就是先“审题”,然后考虑解决方法,一步一步深入,直到整个问题解决。这其中是一环紧扣一环,有着非常严密的逻辑性的。少一个步骤,跳一个步骤,或者有一个环节出了差错,整个程序就会瘫痪。另外,就从编程序的这个环节来说,利用任何一种语言编制程序都需要不断运用数学理论。同时,仍然要保持程序逻辑的严密性。一个具有数学修养的程序员在写代码时更有可能写出逻辑严密的最简化的高质量代码。尤其是对大型复杂的软件系统,如果没有良好的数学思维的训练,是很难编制出高质量的程序的。举例说,我们要操作或控制计算机,就必须有操作系统。操作系统至今已经有了几百种,个人计算机中最常用的有windows98/me/2000/2003/xp/vista/windows7等。这些复杂的操作系统的产生,归根结底还是由不同的程序模块组合而成。这样大型的程序系统,离不开一个又一个的子程序,以及它们之间严密的优化组合,这样才能让用户放心使用,不会出现意想不到的漏洞与问题。有关研究表明,我们国家计算机软件水平的落后不是因为我们缺少程序员,而是因为缺乏懂数学的高质量程序员。又比如微软公司创始人比尔•盖茨,他之所以能够在计算机软件方面取得成功,很大程度上是由于年青时对数学的痴迷,具有极强的数学思维能力。归根结底,程序是计算机与数学之间最重要的一座连接桥梁。

   

 物理学

计算机的硬件系统中的电子元器件和主存储器以及元器件和主存储器之间如何提高运行速度等问题都是物理学研究的范畴。没有硬件的发展,计算机在一定的程度上想往上提高不可能!量子计算机已经在实验室研制成功。

计算机的外设配备是一项涉及面较广的研究领域,物理学中的声、光、热、电、力学在其上得到了充分的体现。磁芯、磁带、磁鼓、磁盘、软磁盘等磁性材料一直是计算机的主要存储设备。

化学

没有高分子材料的发展就没有现代计算机。

超大规模集成电路的发展是以聚合物电子材料的发展为依托的。与之有关的电子化工材料有感光性树脂塑性电子封装材料。
   超大规模集成电路的线宽不足1μm,要达到这样的精度必须通过现代
光刻技术,并借助与光刻胶来实现。光刻技术的原理类似于照相的暴光过程,只不过所用的感光材料不是溴化银,而是一种光敏性聚合物,它们在光的作用下会发生聚合反应,使树脂的溶解性能发生突变。

假如,当你现在还是一位在读的初中生就已经立志于投身于以后的计算机事业,但你的数学成绩较差或数学逻辑思维能力一般,那么你以后很不适合从事计算机软件编程或信息处理工作。