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第15期 总第804期
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图灵,电脑的思想领袖
作者:李晓慧 

图灵提出的图灵机概念,为研制通用计算机奠定了思想和理论基础。

1954年6月,图灵因为吃了有毒的苹果而在家中死去,年仅42岁。图灵一生虽短,但是他可谓是电脑的先驱,正是他提出的图灵机,成为计算机的思想和理论基础。

后人为纪念这位“计算机科学之父”,在英国曼彻斯特的Sackville公园为他建造了一尊真人大小的青铜坐像,这尊塑像是2001年6月23日,也就是图灵89岁诞辰那天揭幕的。图灵去世后的12年,即1966年,美国的计算机协会ACM (Association for Computing Machinery) 确定设立图灵奖,专门奖励那些在计算机科学研究中作出创造性贡献、推动计算机科学技术发展的杰出科学家。

数学天才

剑桥大学是一个世界优秀青年向往的地方,入学之难可想而知,图灵经过两年的考试,考取了剑桥大学的数学奖学金。1931年10月,他来到剑桥大学皇家学院报到,开始了他的大学生活。

在剑桥的学习,充分发展了他的数学才能。在20世纪二三十年代的数学界,数论是数学前言的热点问题,哥德巴赫猜想和费马猜想等许多著名猜想都是人们不断探讨的课题。它们也引起了数学系学生图灵的注意。他注意到温特于20世纪初对费马大定理做的研究。温特考虑一个由二项式系数组成的矩阵,给出费马大定理的第一种情形的一个表达,这种矩阵被称为温特矩阵(见下页“温特矩阵”图)。

温特证明了定理W′:令p≠2,q=2hp+1(h≥1)是素数,如果q不能整除W2h,且p2h≠1(mod q),那么对于p,费马大定理的第一种情形成立。由此可以推出:

定理W: 设p是一个奇素数,当2p+1,4p+1,8p+1,10p+1,14p+1,16p+1之一为素数时,对于p,费马大定理的第一种情形成立。

图灵凭他敏锐的数学直觉立即得出:

定理T:p是一个奇素数,q=2hp+1是素数,q不能整除W2h且2h=2vpk,这里p不能整除v,k≥0,那么对于p,费马大定理的第一种情形成立。接着他又用了几天时间证明了这一定理,然后把定理和证明拿给他的学习指导看,学习指导指出这是当时数学的一个前沿问题。他带回去仔细地查对了资料,然后告诉图灵,这个定理已为美国数学家范迪维尔在几年前证明了。不过图灵能独立发现并证明这个命题还是很出色的。

剑桥的四年大学生活使图灵的学术个性得到充分的发展。1934年冬假期间,他对当时的数学作了深入的探讨,写出了一篇名为《左右殆周期性的等价》的论文,讨论了分析学中著名的“殆周期函数”。“殆周期函数”是1934年丹麦数学家玻尔引入的一类函数,关于这类函数的理论是20世纪30年代初分析学的一个热点。图灵的这篇论文被其导师霍尔(P.Hall,时任皇家学院院士)誉为“非常漂亮的证明”,在他的建议下图灵将论文投往《伦敦数学会通报》,结果该文发表于该杂志1935年第10期,这是图灵在学术上的“处女作”。

1935年春天,图灵又写出一篇名为《论高斯误差函数》的论文,对高斯误差函数作了详尽的探讨,这一论文在皇家学院引起了轰动,霍尔院士向院长详细地介绍了这篇论文的意义,院长在请数学系的专家们作出鉴定后,在全体院士会议上做出了一个非凡的提议—选举图灵作为皇家学院的院士!于是皇家学院作出了一个史无前例的决定,选举图灵—一个尚未毕业的本科生,一个不足23岁的孩子来当院士。

图灵机奠定电脑理论基础

1935年,图灵开始对数理逻辑发生兴趣。数理逻辑又叫形式逻辑或符号逻辑,是逻辑学的一个重要分支。数理逻辑用数学方法,也就是用符号和公式、公理的方法去研究人的思维过程、思维规律,其起源可追溯到17世纪德国的大数学家莱布尼兹,其目的是建立一种精确的、普遍的符号语言,并寻求一种推理运算,以便用演算去解决人如何推理的问题。

1937年《伦敦数学会通报》上发表了图灵的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》。该论文的主题是回答德国大数学家戴维·希尔伯特在1900年提出的著名的“23个数学难题”中的一个问题,只是在其论文的一个脚注中“顺便”提出来一种计算机抽象模型,利用这种计算机,可以把推理化作一些简单的机械动作。图灵提出的该计算模型现在被大家称为“图灵机”。

图灵对人的计算过程作了化繁为简的分析,把计算分解为最简单、最基本、最机械、最确定的操作过程。他把整个计算表示为一条引着方格的纸袋上的一个只含0和1两个数字的数串,此时,计算者所能做的事,也就是计算实质上只能是以下几种“动作”:

1.把0改写为1

2.把1改写为0

3.不变

4.改变计算意向—转移到左边或右边的一格

5.停止

图灵按这一思路提出了“图灵机”的概念。图灵机由三部分构成:

1.一条两端可以无限延伸的带子,带子上方有方格,方格中可以写上字母表中的任一符号;

2.控制器;

3.读写头,可以左右移动,在每一瞬间只能对准一格方格,识别出方格中的符号是0还是1,并在控制器操纵下向左或向右移动一格,在方格中记上(打印)一个1,或者抹去一个1。

那么读写头到底向哪个方向移动?采取写1还是0?这是由机器的“计算意向”决定的,这个计算意向也就是“算法”,在图灵机中表现为一组由有限条指令组成的指令集,指令集装入控制器以指挥读写头的动向。图灵机的工作过程实际上就是执行其程序中指令的过程。

图灵机的概念为研制通用计算机奠定了思想和理论基础。如果把图灵机的内部状态解释为指令,用字母表的字来表示,和输出字输入字同样存储在机器里,那便是一部电子计算机。

图灵被视为计算机科学之父

温特矩阵

图灵生活趣事

图灵经常骑自行车上班,但是他的自行车有一点毛病—经常掉链子。如果图灵找一位修理工,5分钟就可以修好这个掉链子的问题。但是他没有。他先观察脚蹬子转多少圈链子会掉下来,然后他骑车时就数脚蹬子转的圈数,接近那个掉链子的圈数时就下来先采取措施,这样就不掉链子了。但是老是数圈太麻烦,他就在车上安了个计数器。

后来,他又开始探究为什么掉链子的理论。他找了脚蹬子转的圈数、链子的节数和链轮齿数间的数学关系式,并进行推导,结果发现,有某一个受些轻微损伤的链节,当它转到同某一个稍微有点弯了的齿相接触时,链子就会脱落。于是他以每次脱落前转过的圈数反算出从起点数的哪一个齿是弯的,找到它并把它弄直,链子也就不再掉了。图灵为了解决这个问题,足足花了一个月的时间。他在生活中,追求用理论解决问题的习惯,是他成功的一个关键。

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