姓名：王小涵
學(xué)號(hào)：16020199013
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【嵌牛導(dǎo)讀】：圖靈機(jī)的靈感來源
【嵌牛鼻子】：計(jì)算機(jī)??
【嵌牛提問】：圖靈機(jī)的設(shè)計(jì)靈感是什么？
【嵌牛正文】：
人類，從來都不缺計(jì)算工具。
從中國(guó)的算籌、算盤，到西方帕斯卡、萊布尼茲等制造的計(jì)算器，這些古老的計(jì)算工具雖然能夠進(jìn)行加減乘除、乘方以及開方運(yùn)算，在當(dāng)時(shí)大大地加快了人們的運(yùn)算速度,但與我們今天所理解的計(jì)算機(jī)相去甚遠(yuǎn)——這些古老的計(jì)算器，往往只能完成某一項(xiàng)特定任務(wù)；而今天，在計(jì)算機(jī)上只要點(diǎn)開不同的程序，就能完成各種不同的任務(wù)。
這種能解決各式各樣問題的計(jì)算機(jī)，都屬于圖靈機(jī)。
什么是圖靈機(jī)？
圖靈機(jī)是圖靈在他24歲發(fā)表的論文（《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》）中提出的一種抽象模型。這種當(dāng)時(shí)只存在于想象中的機(jī)器由一個(gè)控制器、一個(gè)讀寫頭和一根無(wú)限長(zhǎng)的工作帶組成的。紙帶起著存儲(chǔ)的作用；讀寫頭能夠讀取紙帶上的信息，以及將運(yùn)算結(jié)果寫進(jìn)紙帶；控制器則負(fù)責(zé)對(duì)搜集到的信息進(jìn)行處理。
一個(gè)圖靈機(jī)的示意裝置。圖片來源：GabrielF|wikipedia
圖靈機(jī)的結(jié)構(gòu)看起來非常簡(jiǎn)單，但事實(shí)上，它與算盤之類的古老計(jì)算器有本質(zhì)的區(qū)別：如果在控制器中輸入不同的程序，它就能夠處理不同的任務(wù)。這意味著，圖靈機(jī)實(shí)際上是一種“通用計(jì)算機(jī)”。
雖然圖靈機(jī)因圖靈而得名，但給予圖靈靈感的卻很可能是著名的“失敗”發(fā)明家查爾斯·巴貝奇。
“失敗”的發(fā)明家巴貝奇
查爾斯巴貝奇（1791－1871）對(duì)數(shù)學(xué)和機(jī)械都有著極高天賦，他在18歲時(shí)以優(yōu)異的成績(jī)考入劍橋大學(xué)。在大學(xué)期間，巴貝奇注意到了一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)時(shí)歐洲的數(shù)學(xué)用表存在大量的錯(cuò)誤。一項(xiàng)普查發(fā)現(xiàn)，在40本數(shù)表中，有3700個(gè)錯(cuò)誤，而且大部分是由于手工計(jì)算和印刷造成的。這讓巴貝奇難以接受，他認(rèn)為如果能用一臺(tái)機(jī)器代替人工計(jì)算同時(shí)自動(dòng)打印出數(shù)表，那么這些問題就可以得到解決。而這臺(tái)機(jī)器，就是著名的“差分機(jī)”。
圖片來源：wikimedia
當(dāng)然，要制造這樣一臺(tái)機(jī)器需要巨大的資金來源，巴貝奇開始向政府尋求幫助。在政府看來，當(dāng)時(shí)數(shù)學(xué)用表的錯(cuò)誤確實(shí)給航運(yùn)以及建筑業(yè)帶來了極大的不便，如果巴貝奇的“差分機(jī)”能夠成功，將會(huì)減少船只觸礁以及房屋橋梁倒塌事故的發(fā)生，因此有意愿資助他。
于是，在政府的支持下，巴貝奇完成了能夠進(jìn)行4級(jí)拆分的差分機(jī)。這臺(tái)差分機(jī)的運(yùn)算速度之快和錯(cuò)誤率之低已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于當(dāng)時(shí)手工計(jì)算水平。
“差分機(jī)”的成功研制，讓巴貝奇?zhèn)涫芄奈?。他打算繼續(xù)研制精度更高、運(yùn)算速度更快的“差分機(jī)2號(hào)”。也是在研制“差分機(jī)2號(hào)”的時(shí)候，巴貝奇開始構(gòu)想另一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，功能更全面的機(jī)器——分析機(jī)。“分析機(jī)”有一種被稱為“孔卡”的結(jié)構(gòu)，給“孔卡”編寫不同的程序，就可以讓分析機(jī)解決不同種類的問題。這一構(gòu)想其實(shí)與圖靈機(jī)的“控制器”異曲同工。
巴貝奇的分析機(jī)（部分測(cè)試版）。1833年，一位不滿18歲的女孩被“分析機(jī)”的構(gòu)想深深吸引（這個(gè)女孩便是歷史上第一位程序員愛達(dá)，Ada Augusta Byron）。1842年，愛達(dá)熱心地將一位意大利數(shù)學(xué)家發(fā)表的闡釋巴貝奇分析機(jī)原理和性能的文章翻譯成英文，并且在備注中，寫下了一段程序，這段程序，被認(rèn)為是第一段計(jì)算機(jī)程序。圖片來源：Bruno Barral|Wikipedia
可惜的是，巴貝奇輸給了時(shí)代。巴貝奇的概念太過超前，以至于當(dāng)時(shí)的人們無(wú)法驗(yàn)證他的猜想，也無(wú)法建造出他理想中的機(jī)器（直到二十世紀(jì)末，人們才按照巴貝奇的設(shè)計(jì)造出了“差分機(jī)2號(hào)”）。
巴貝奇至死都沒有見到“差分機(jī)2號(hào)”和“分析機(jī)”問世。而當(dāng)時(shí)英國(guó)政府向巴貝奇資助的1.7萬(wàn)英鎊，最終也打了水漂。這讓不少人認(rèn)為巴貝奇是個(gè)失敗者，他的“分析機(jī)”構(gòu)想也沒有再引起人們的關(guān)注。
圖靈機(jī)的誕生
直到近一個(gè)世紀(jì)后，大名鼎鼎的圖靈提出了一種能模擬人類進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算過程的機(jī)器，圖靈稱之為A-machine，也就是我們所熟知的圖靈機(jī)。A-machine很大程度上模仿了人類處理問題的過程：它擁有一個(gè)類似于人眼和手的讀寫頭能夠讀取信息以及輸出信息；一條無(wú)限長(zhǎng)的紙帶，源源不斷地提供信息以及供輸出結(jié)果； 一個(gè)類似于我們大腦的控制器，能夠根據(jù)問題不同，進(jìn)行不同的處理。
理論上來說，任何能夠用數(shù)學(xué)解決的問題都能交由圖靈機(jī)來處理，這一構(gòu)想與巴貝奇所追求的“完全由機(jī)器來分析和處理問題”十分一致。圖靈的學(xué)生以及合作者羅賓·甘迪，也發(fā)現(xiàn)了巴貝奇分析機(jī)的理論中有不少與圖靈機(jī)理論異曲同工之處，因此推測(cè)分析機(jī)是圖靈機(jī)的靈感來源。
阿蘭·圖靈。圖片來源：turingarchive.org
相較于巴貝奇，圖靈是幸運(yùn)的。他的理論在接下來的十幾年時(shí)間里便得到了驗(yàn)證，并逐漸發(fā)展成為我們今天的計(jì)算機(jī)。
自圖靈機(jī)模型提出以來，至今已經(jīng)歷了八十年時(shí)間。人們對(duì)圖靈機(jī)模型進(jìn)行拓展，誕生了一批改進(jìn)版的圖靈機(jī)，如雙向無(wú)限帶圖靈機(jī)、多頭圖靈機(jī)、非確定型圖靈機(jī)、多維圖靈機(jī)等。但這些模型，僅是對(duì)運(yùn)算速度等進(jìn)行了提升，并沒有提出超越圖靈機(jī)的新模型。超越圖靈機(jī)的偉大構(gòu)想，說不定已經(jīng)在醞釀中。
可以肯定的是，超越圖靈機(jī)的全新計(jì)算機(jī)，必將給人工智能技術(shù)帶來一次巨大的飛躍。
