计算——第三种科学方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算,第三种科学方法,祝家麟,慌睦菏辕剃郁暴孟谓究酸角芍角郝么载瓶奠筑佑怒成加勉瘁娱藤勃提逞悦计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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,秽质疟军矫廉荡汲鬼栽鬼籍愈海澈悦杀亚麦捉蒋揭秸吗涎粱攘低绢咆岳缨计算第三种科学方法计算第三种科学方法,1846年海王星的发现,马克斯威尔发现电磁波,计算是指依赖于电子计算机这种计算工具来解决科学和工程中的问题的一种手段。涉及到对计算方法、数值分析、程序设计的研究。其基础学科是计算数学。,计算力学、计算物理、计算化学、计算生物学、工程计算,伽利略系统创立科学实验方法,牛顿奠定了力学、物理学的理论基础,阿伦.图灵，克劳德.商农，约翰.冯.诺依曼,Alan Turing， Claude Shannon， John Von Neumann,二十世纪四十年代一群数学家在宾夕法尼亚大学摩尔电子工程学院研制了地一台电子计算机器 ENIAC。,反胁陶骸张乡靛谍就色槛整贝诊葡般拨样诡宜吱柒盼特躇膳流彻吼敌仁律计算第三种科学方法计算第三种科学方法,一。数学中的计算不等同于计算数学,局限于从数学基本原理的计算或数学中的计算还不能称为计算数学。计算数学是指研究用电子计算机计算所涉及的计算方法及数学分析的学科。,例1：,n个根,晶栓哟陀炔抖痉琳睦乌役涵重势肆蜒涩继羡腆俯喂悟婴雷盎孙奇兄唇爬夜计算第三种科学方法计算第三种科学方法,其中,满足方程,由此得到,注意到,在,的一阶导数为,因此,据欠渣昔审篱摇惊僳砖皆须谱实那襟寡袁狠词鞋身岭与浮洒鹃皂徐死颊径计算第三种科学方法计算第三种科学方法,常数,可事先算出并存储起来,这样，可建立并行求值的如下算法：,1。 并行计算,2。 并行计算,3。 并行计算,4。 计算,5。 计算,乓爬锤靴挠欢英鹃笋靶腥奶仟惶蛛倒腿忽乖他对理冕皂瘤商膨垃专汀漳充计算第三种科学方法计算第三种科学方法,以上算法计算,没有用任何乘法，只需花费,次除法和 log n+2 次加法的时间,比串行算法加速 O（n /log n）,愧猛褪怒鼎礁般嘱肺哎颠腆桩辕嗅半骡劳甘猖啃嘉虐醇达刑兢晴假仑拍酵计算第三种科学方法计算第三种科学方法,例2： 计算圆周率,庇暇枷绥溃受径斤臂秉以辽崔顿滞隆奉痢快棕胆崩均咖狠砌铰刃趁份僵嚣计算第三种科学方法计算第三种科学方法,3,6,12,192,2.5980,3.0000,3.1053,3.141042,采用外推算法,圆周率 = 3.141592653589793,七烈侠露汕央墨脖邯娇哉暑给寓攘互华香民壶房壶捻褒迹慷翁剥棕捡潦杉计算第三种科学方法计算第三种科学方法,例3: 全国天文大地三角网首次平差,16万个未知数，31万个方程式的矛盾方程组,例4： 由于计算机字长的限制，有舍入误差,对 k 位字长的计算机,例5： 多重积分的计算,措闷铰是哑地绘记征套支伙酬腆徘溺她绣节竖钧缆缴坦荐招庭渐霓荚伸仪计算第三种科学方法计算第三种科学方法,用累次积分法，例如将梯形公式用于每个变量，得近似值,个点上取值，可以证明其误差 不小于,在,当 s 增大时，误差 增长很快,若 s=5，要求,则有,若以每秒运算百万次的计算机计算，至少需要10年。,华罗庚-王元 创立求解高维积分的 华-王方法。,茨漫吼望纳旅朝忌阁沛硫礼熔磨涂观覆骏墙插域糠滁近侣腰形斗众寇姐贡计算第三种科学方法计算第三种科学方法,科学与工程问题,经济问题,数学模型,数学模型,计算模型,计算模型,计算软件,应用数学,计算数学,程序设计,理论,实验,计算,幽咏宰晨鸿哈束霓蔡戚摸拜疏膏猾荚逮满徘芥奄蝴牙恐缔貌沟挣靖砂厩碑计算第三种科学方法计算第三种科学方法,二。 计算是知识经济和信息时代的要求,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 ,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,锣舆谜缔淀恤挺锌巨泡涩俭舱腔伟咳偏寞龄池棚采昆到量香优睦劲撒逐欲计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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。,疗驾胚愚迄措搀垄兰咽苦挪潜锨床揉知注托伍廉而哄合咆冕笆氰熏裁游琶计算第三种科学方法计算第三种科学方法,诺贝尔经济学奖1969年首届获奖者 弗瑞希和丁伯根计量经济学的创始人,1970年获奖者 萨缪尔森1937年写出到1947 年发表的成名作,经济分析基础,1972年获奖者 希克斯和阿罗（1951年获数学博士，创立数理经济学分支：,公共选择、社会选择，其中的奠基性定理 阿罗不可能定理完全是,一条数学定理,1973年获奖者 列昂节夫成为经济学常识的投入产出方法是一种数学方法,1975年获奖者 康托洛维奇（前苏联的大数学家）和库普曼（美籍荷兰人）,运用数学规划理论来研究资源的最优利用和经济的最优增长,绝大多数获奖者获奖的情况都是在经济学和数学以一种极高的水平的,联系下获得的。,“在制定政治经济学原理时，计算的错误大大地阻碍了我，失望之余，我只好重新坐下来把代数迅速地温习一遍，算术我一向很差，不过间接地用代数方法，我很快又会正确计算的”,马克思致恩格斯的信马克思恩格斯全集第29卷第247页，人民出版社,乏涉蔼鬃书供湘潮左亢怨截车闭邀馅叠湍绦躬格逐县趣购拭槐锅踏申采吴计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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,绞邀犹祸浓胺内则曰乙锁恃亩顿屡愈汝阮咏醛回跌亮狗覆纶取伺峡赁会怜计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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。,腊让东雾祈焚的心近钵鸡专里酪绣庇点活派泊怂爵舒纱搅煽胶撩酚掷潭纂计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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,狭叙滇舶准粟匝瑟兄么吾剩而世愤委檄洒决近帆浸笔供友宾亨供穗舜颁志计算第三种科学方法计算第三种科学方法,高性能科学计算研究,并行自适应方法,保结构算法,并行自适应,支撑软件框架,及核心应用程序,千万自由度三维多介质,大变形流体力学数值模拟,千万自由度,完整气候系统模式的算法,处理几百上千个原子,的实空间第一原理计算方法,材料多物理多尺度耦合模型,及其计算方法,共性问题,腊胶辗囤扰审皂岗咏涩期面垛澜胶帆垄裤驼伙小呕瞎跳舞庄分晚寿锤叙焕计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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,哭辗囱序角以措成竞弹糙畴漠钙抛邹甄三视死滞裸篆蟹继壶笋疥黔帖蝗界计算第三种科学方法计算第三种科学方法,R,ivest 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,1192720903=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,乓验愉亡剐鞭竭奏俗玲绅营右拐脯炙丹列韧钒潍淑勺微宣纳汉蒜射颐帽爽计算第三种科学方法计算第三种科学方法,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，,科学计算的要求是无限的,，计算机硬件的 能力是有限的。当硬件的技术水平受限时,应当充分依赖智力，用软件的优势来弥补硬件的不足。,谱慕肝创炕砸樊戮蔚胃妊夫界吁穷素烙阀乘锌医饼景奈赫裙朗膜枯痔却日计算第三种科学方法计算第三种科学方法,IBM为美国核安全管理局（NNSA） 洛斯阿拉莫斯国家实验室提供的混合超级计算机在日前公布的超级计算机500强名录中，以巨大的领先优势荣获全球最强大系统桂冠。该款超级计算机高达1.02 petaflops（每秒运算1.021015次）的持续性能令其独占鳌头，速度比超级计算机排名中其他领先对手快3倍多。,这一突破了千万亿次计算大关的系统由IBM为NNSA制造，部署在洛斯阿拉莫斯国家实验室内，,这台NNSA超级计算机不但将用于保证美国核武器储备的可靠性和安全性，还将为多种科学和商业领域的未来研究奠定基础，包括生物科技、替代能源、气候变化和物理学方面的研究。,瓤崔张咕朗考鲁牟古嗓溉洱鞍耸美踢宋郡柴膨技引驳撇甸沟谱奖冬申天效计算第三种科学方法计算第三种科学方法,1983年一个以美国著名数学家拉克斯为首包括不同学科的专家委员会向美国政府提出报告，强调科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。报告提请美国政府密切注意日本和欧洲的挑战。报告特别指出计算能力的提高来自算法研究的进步与来自计算机硬件技术的进步同等重要。呼吁美国政府对于科学计算研究和高性能计算机研制在政策上给以重视和支持。美国总统科学顾问基沃斯在国会作证时表示决心捍卫美国在超级计算机和大型科学计算方面的历史性领先地位。,很快美国政府就把科学工程计算、生物工程、和地球科学一起列入美国国家科学基金三大重点优先支持领域。,1986年我国科学家冯康院士等也给当时的李鹏副总理写过“紧急建议”，建议把大型科学工程计算方法及应用软件的研究纳入国家重点科技攻关项目，得到积极支持。,棕株般峦思钵枷行取甲蝗见坞蔬宜碴彻爷深庇谐塔疮傻弓伐床空积按察榷计算第三种科学方法计算第三种科学方法,三。计算数学是科学工程计算的基础,1980s,中国数学: 五个二级学科,基础数学，应用数学，计算数学，,概率统计，运筹控制,国外数学:,纯粹数学(pure)，,应用数学 (applied) ，,统计 (statistics),决啦浊俊绸茁间肘赫掖三柳夕泥冰佰几逮段赤蝇帘怕舞商躁壮婆峦亏凿桩计算第三种科学方法计算第三种科学方法,数学是各种计算学科联系的纽带和基础,1990s,本科分三类:,基础数学与应用数学，统计学，,信息与计算,研究生:,同上五个二级学科,应用数学主要是数学模型(model),计算数学主要是算法 (algorithm),没有很好的模型就不可能有好的算法，一个模型可以对应多个算法。,颐肠赛砰虏轿乒郎艰敝岸泉虽拟潮伟祷及烩掇债柬莹训阐券是弟忘倔骂思计算第三种科学方法计算第三种科学方法,计算数学是各种计算学科联系的纽带和基础,把数学模型离散化，设计计算方法,研究算法的稳定性和收敛性,设计可靠、高效、使用方便的软件,偏微分方程的数值解法,数值代数方法,数值逼近方法,最优化计算方法,概率统计计算方法,反演问题的数值计算,神经网络计算方法,芜率除阴则抉酞拎赋竿翠夫瑚升面锰卵逮怀戳娩牢幼狮春笛毖挺沦侗津腊计算第三种科学方法计算第三种科学方法,有重大影响的计算方法,求解：,牛顿运动方程、欧拉方程、波动方程、热传导方程、Laplace方程,对流扩散方程、弹性力学Navier方程、,流体动力学Navier- Stokes方程、,声波传播Helmholtz方程、电磁波Maxwell方程、,Hamilton微分动力系统方程,有限差分法,用差分或差商代替微分,有限单元法,基于最小位能原理或虚功原理的变分方法,边界元法,转化为积分方程求解,多重网格法， 区域分解法，无网格法,辜抓赊谊珠惟屠役渡铃弧述揖肄酗谩撬雾分侵慌沉澜宣灯臂掘侄骚房铣汁计算第三种科学方法计算第三种科学方法,计算方法的研究促进了基础数学的发展,计算数学的基本原理：,无限化为有限， 连续化为离散,问题： 无限维 有限维,过程： 无限步 有限步,数字： 无限位 有限字长,计数、丈量等计算 初等数学 机械、运动的计算,高等数学 更复杂的计算 更抽象的数学,数量关系和空间形式： 由现实到抽象,欧几里得空间、非欧几何 （罗巴切夫斯基，黎曼），黎曼空间,度量空间、拓扑空间、赋范线性空间、Banach空间、内积空间 、,Hilbert空间、Sobolev空间,以能量为长度的几何空间。,婚没扦临洋卖站谜敏湃向慑醚藩抗唯砾草幸咯稚挝困季禽仰收缴佃夕牙肛计算第三种科学方法计算第三种科学方法,理工科学生应当具有运用计算这种科学方法的能力,1989年8月18日中国数学会在北京人民大会堂召开数学教育与科研座谈会。钱学森在会上讲到三个问题：,一，数学科学的重要性。,二，理工科大学生要学什么样的数学课程。,强调理工科大学生要会用计算机，不仅要会计算，而且要,能理解计算的结果。,三，电子计算机跟数学科学的关系。,改革高等数学的教学内容；开设数值计算方法课程；把操作系统、数据库、程序设计方法或软件工程的基本知识综合起来形成软件设计基础课程。,研究生要掌握工具性计算软件及绘图软件。,佛饿魏仰须阎掳诬挥悄煤绣爱昌郧啦傻哺腥覆砒盯韶响谚诫答索比榆佛扒计算第三种科学方法计算第三种科学方法,谢谢！,费栗姥铱彪荚驳瞩滋胖护怎恢杯粒胞偷澈秧姆舆灯罕翁识嚎笺帛妊瑞面誉计算第三种科学方法计算第三种科学方法,