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计算—第三种科学方法 祝家麟 计算已成为第三种科学方法 “实验、理论、计算已成为科学方法上相辅相成的而又相对独立,可以相互补充替代而又彼此不可缺少的三个主要环节” 冯康 信息时代的信息是变成数字的信息 比尔?盖茨: 《未来之路》 Bill. Gates The road Ahead 王选: 《我一生中的八个重要选择》 李未:《海量存储》,《关于信念集的修正演算系统》 核武器和核电站的研制 核反应和核爆炸的数值模拟 飞行器的设计 我国启动17亿元的飞机数字化设计项目研究、数值风洞 油气资源的勘察与开采 人工地震波,求解地震波方程的反演问题 社会、经济系统 人口发展趋势预测 国家宏观经济最优控制模型 精算 博弈论 2002年著名数学家纳什在北京国际数学家大会作题为《通过代理来研究博弈中的合作》的公众报告。纳什在21岁时就提出了纳什均衡理论,后来成为博弈论的两大基础之一。电影《美丽心灵》就是根据纳什的传奇经历改编的。? 气象预报 传统方法:观察、对比资料、分析归纳、作出定性描述。 数值方法:确定初始和边界条件,求解大气运动方程。进行定量和定性分析。 水坝、桥梁、建筑等工程设计 有限元方法 机器证明、人工智能 以知识库(专家规则库)为基础,以顺序离散符号推理为特征 吴文俊获2000年首届国家最高科技奖 计算智能(Computational intelligence) 计算的方式上溶入或模仿人的智能,让信息处理系统具有综合、优化、联想、辨别、学习能力,是人工智能的深化和发展。 以模型(数学模型、计算模型)为基础,以分布、并行计算为特征。 智能结构模拟:人工神经网络 智能行为模拟:模糊逻辑、模糊推理 例 仿生过程算法(SEC):从智能生成过程的观点模拟 进化计算 (Simulated Evolutionary Computation) 1。目标函数没有明确的表达式(如非数值优化)。2。目标函数虽有表达式,但无法计算,不能恰当估值。3。目标函数有极多峰值(如DNA计算、组合优化计算)4。目标函数是向量函数,即多目标(Multiobjective) 目标函数不连续、不可微、高度非线性 或无法解析表达 已用于人工网络训练、程序自动生成、专家系统知识库维护 大分子计算、蛋白质结构预测、基因比对。 计算生物学 前沿生物学处于基因组时代 生命个体的遗传信息都保存在载体DNA上 生物基因的演化形成了物种的变化 基因的协同\变异的进化过程的树结构 用计算手段来研究基因组到蛋白组的结构 “计算生物学方法在基因组和蛋白组学 中的应用” 课题得到国家自然科学基金 和英国文化委员会的支持 高性能科学计算研究 科学的计算机化 人类的计算能力是计算工具的性能与计算方法效率的总和 1955-1975 硬件IBM650 CRAY1的运算速度提高数千倍,同一时期求解一特定规模的椭圆型方程计算方法的效率提高一百万倍。 不能低估人的计算能力。 例:RAS密码系统 计算方法的研究对于提高计算能力的贡献是与新一代计算机的研制同样重要 Rivest Shamir Adleman密码系统 编码相当于两个大素数相乘 译码相当于把这个乘积进行因子分解 11927×20903=249310081 一个计算机在瞬间制造这样一个密钥很容易, 但要打开却很困难. 例如250位字长的质数的分解 超级计算对计算机和计算方法都提出挑战 银河III 100亿次计算机(1997) 曙光4000A 10万亿次 高效并行(多处理器,多核) 联想研制30万亿次计算机。 美国劳伦斯-利弗摩尔 蓝色基因/L 280.6万亿次/秒-360万亿次/秒 日本NEC 地球模拟器(Earth Simulator) 35.86万亿次/秒 中科院计算所联合曙光公司研制出的百万亿次超级计算机曙光5000 2010年推出千万亿次超级计算机, 科
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