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帶妳深入了解圖靈機——天才時代

近年來,由於區塊鏈的流行,以太坊獨特的堅固性語言實現了智能契約的功能,圖靈完備性壹詞進入了大家的視線。

事實上,沒有計算機專業知識的學生很難理解這個詞的含義。事實上,計算機專業的學生並沒有深刻理解圖靈機、圖靈完備性、圖靈測試等概念的內涵。為了方便理解區塊鏈技術和智能合約,作者準備分幾篇文章由淺入深,帶妳壹步步了解圖靈機。相信通過這幾篇文章,妳就能明白什麽是圖靈完整了。

阿蘭·麥席森·圖靈(1912年6月23日-1954年6月7日),英國數學家和邏輯學家,被譽為計算機科學理論和人工智能之父。

1931年,圖靈被劍橋大學國王學院錄取,並因成績優異獲得數學獎學金。

1936年5月,年僅24歲的圖靈發表了題為《論數字計算在決策問題中的應用》的論文。論文中提出了壹種計算設備,後來被稱為“圖靈機”。圖靈機不是具體的計算機,而是壹種計算概念和理論。

1938在普林斯頓獲得博士學位,論文題目是《基於序數的邏輯系統》,對數理邏輯的研究產生了深遠的影響。同年,圖靈回到英國,在劍橋大學國王學院擔任研究員。

二戰期間,圖靈到1939英國外交部通信處從事軍事工作,主要是破譯敵方密碼。因為破譯的需要,他參與了世界上最早的電子計算機的研制。他的工作取得了優異的成績,破譯了德國恩尼格瑪密碼,獲得了政府的最高獎項——1945大英帝國榮譽勛章。

從65438年到0945年,圖靈完成了他在外交部的工作。他試圖恢復戰前在理論計算機科學方面的研究,並開發壹種新的計算機。

1950年發表論文《計算機械與智能》,為後來的人工智能科學提供了開拓性的思路。提出了著名的圖靈測試。

1950,1950,10年6月,圖靈發表論文《機器能思考嗎?。這項劃時代的工作為圖靈贏得了“人工智能之父”的稱號。此時,人工智能也進入了實用化發展階段。隨著近年來AI技術的不斷成熟,人們越來越意識到圖靈思想的深刻性:它們仍然是人工智能的主要思想之壹。

1954年6月7日,年僅41歲的圖靈被發現死在家中的床上,頭上咬著壹個蘋果。這就是現在著名的蘋果電腦公司標誌的來源。

從圖靈的生平,我們知道他出生於20世紀初,1912。

在世界國家結構中,第壹次世界大戰正好在這個時候爆發(1913 ~ 1921),緊接著第二次世界大戰從1939爆發到1945。眾所周知,這兩次世界大戰迫使很多科技發展。二戰期間,

在科技文明的發展中,邏輯的數學化促進了數理邏輯學科的誕生和發展。但與此同時,這壹時期數學發生了第三次數學危機,具體介紹如下。圖靈在劍橋時選修了“數學基礎”這門課。演講者是紐曼。紐曼的全部課程包括哥德爾不完全性定理的證明和未解決的決定性問題。

這些科技事件的背後其實是人們對可計算性理論的認知研究,圖靈就是這個問題的終結者。

順帶壹提,愛因斯坦在1905年提出狹義相對論,1927年才15歲的圖靈為了幫助母親理解相對論寫了論文摘要。

在20世紀之前,壹般認為所有的問題類都有算法,人們的計算研究就是找出算法。1900年,當時著名的數學家希爾伯特在世紀之交的數學家大會上向國際數學界提出了23個著名的數學問題。

第十個問題是這樣的:

“丟番圖方程”是指壹元或多元的整系數方程,它們的解只在整數範圍內。

上述問題的簡單解釋就是:任意給定壹個不確定方程,通過有限步運算判斷方程是否有整數解。

這個問題在1970,蘇聯壹位數學家證明,其實很多數學問題是沒有答案的,甚至沒有答案的問題比有答案的問題還多。

這裏提出了有限的、機械的證明步驟的問題,其實就是壹個算法。但當時人們並不知道什麽是“算法”。事實上,當時數學領域的很多問題都與“算法”密切相關,於是壹個科學的“算法”定義便呼之欲出。然後到了30年代,終於有兩個人提出了精確定義算法的方法,壹個是圖靈,壹個是丘奇。其中圖靈提出的圖靈機模型比較直觀。

圖靈對這個問題的思考方式與常人不同。在寫前面提到的論文《論可數及其在確定性問題中的應用》時,圖靈在思考三個問題。

像圖靈這樣的天才,對思維的理解是高調的。

圖靈首先考慮的是是否所有的數學問題都解決了。這個問題不解決,他會努力解決,最後發現無解。所有的努力都是浪費時間和精力。

對於有答案的數學問題,在有限的步驟中只能完成其中的壹部分,從而決定了計算機的邊界。

在確定了邊界之後,要設計壹個通用的、有效的、等價的機器,保證我們按照這個方法做事,最終得到答案。圖靈機就是這樣壹種由圖靈設計的機器。嚴格來說是數學模型,理論計算模型。

圖靈機提出至今已經80多年了。今天所有的計算機,包括量子計算機,都沒有超出圖靈機的理論範圍。

第三次數學危機產生於19世紀末20世紀初,當時數學正處於前所未有的繁榮時期。首先是邏輯的數學化,它促進了數理邏輯的誕生。

早在19年底,康托爾就對集合論做了基礎性的研究。發現所有的數學都可以用集合的概念來概括,也就是說集合是所有數學的基礎。然而,當這座建築即將完工時,壹件可怕的事情發生了,羅素悖論粉碎了這位數學家的夢想。

羅素悖論的壹個流行版本是:

為什麽是第三次數學危機?

因為有壹個非常重要的概念:關機問題,這是邏輯數學的可計算性理論中非常重要的問題,也是第三次數學危機的解決方法。

停機問題通俗地說就是判斷任何壹個程序能否在有限的時間內結束運行。這個問題等價於下面的判斷問題:是否存在程序P,對於任意輸入程序W,都可以判斷W將在有限時間內結束或者無限循環。

有人推測圖靈機模型是圖靈在思考停機時間的時候設計出來的,非常合理。

在劍橋大學國王學院期間,圖靈研究了壹本名為《量子力學的數學基礎》的新書,這本書的作者是年輕的匈牙利數學家約翰·馮·諾依曼。圖靈意識到計算可以用確定性的機械運動來表示。其實我們現在的電子計算機雖然不是我們傳統意義上的機械,但是CPU內部的電子運動相當於機械運動。

同時,圖靈也意識到,人的思想和意識來源於量子力學中的測不準原理,不僅是微觀世界,也是宇宙本身的規律。於是圖靈意識到,計算是確定的,可確定的,而意識是不確定的,不可數的。

在AI人工智能大發展的今天,很多人都在擔心計算機會不會像人壹樣有意識。其實圖靈在80多年前就已經考慮過這個問題了。

前面提到,圖靈在1950寫了壹篇論文《計算機器與智能》,其中提出了圖靈測試這個詞:

這個測試有多難?目前我們所有的人工智能都沒有完成這個測試。2065438+2008年3月Google I/O大會上展示的AI產品,據說已經“部分通過了圖靈測試”。這部分有多少是未知的。

從歷史上看,19年底到20世紀中葉這段時間是第二次工業革命和第三次工業革命的過渡時期。第二次工業革命主要是關於電、磁和內燃機的發明和使用。到了這個時候,科學家對世界有了越來越清晰的認識,物理、數學等自然科學發展很快。這個時候的數學家發現,很多現象都可以用數學模型來表達,從物體的運動到行星的運動,從熱能轉化為動能,從電轉化為磁等等。那麽問題來了,是不是所有的現象都可以用數學模型來表達?正是這個問題促使人們思考和研究數學中的許多基礎性問題。

中國有句老話:亂世出英雄。在圖靈時代,科學史上有很多科學英雄,包括愛因斯坦、馮·諾依曼、圖靈、哥德爾等等。壹方面是時代背景,另壹方面是他們的才華和努力大大加速了以信息化為代表的第三次工業革命的進程。

從這些高手的思維、解題方法、認知來看,是超出常人的。從可計算性理論的思考中,它給我們很大的啟示:

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