图灵机简介和原理分析

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2021年02月22日 23:12
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-白毫之赐

2021年2月22日发(作者:一寸光阴一寸金)



图灵机简介和原理分析


摘要



1936


年,


阿兰·图灵提出了一种抽象的计算模型



——




灵机


(Turing Machi ne)


。图灵机是指一个抽象的机器,可被视作任


意解决有限数 学逻辑过程的机器,


它提供了一种简单有效的解决逻辑


过程的方 法,


加快了后来诺依曼设计的计算机的出现。


本文将对图灵


机的原理和历史等进行简介和分析。




关键字:图灵机,计算模型。



一.



图灵机的历史发展



图灵机被公认为现 代计算机的原型,


这台机器可以读入一系


列的零和一,


这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤,


按这


个步骤走下去,


就可以解决某一特定的问题。


这种观念在当时 是


具有革命性意义的,因为即使在


50


年代的时候,大部分的计算


机还只能解决某一特定问题,


不是通 用的,


而图灵机从理论上却


是通用机。



1936



,


图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文


,


题为




数字计算在决断难题中的应用




在这篇开创性的论文中


,


图灵给



可计算性



下了一个严格的数学定义


,


并提出著名的图灵 机



Machine)


的设想。



图灵机



不是一种具体的 机器


,


而是


一种思想模型


,


可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置


,


用来计算所有能想像得到的可计算函数。



图灵机





冯 •诺伊曼




齐名


,


被永远载入计算机的发展史中。


1950

< br>年


10



,

图灵又



发表了另一篇题为



机器能思考吗



的论文


,


成为划时代之作。也


正是这篇文章


,


为图灵赢得了



人工智能之父

< p>


的桂冠。



在图灵看来,


这台机器只用保留一些最简单的指令,


一个复

< br>杂的工作只用把它分解为这几个最简单的操作就可以实现了,


< br>当时他能够具有这样的思想确实是很了不起的。



图灵机 的产生一方面奠定了现代数字计算机的基础


(要知道


后来冯•诺 依曼就是根据图灵的设想才设计出第一台计算机的)



另一方面 ,


根据图灵机这一基本简洁的概念,


我们还可以看到可


计算的极限是什么。


也就是说实际上计算机的本领从原则上讲是


有限制的。


请注意,


这里说到计算机的极限并不 是说它不能吃饭、


扫地等硬件方面的极限,


而是仅仅就从信息处 理这个角度,


计算


机也仍然存在着极限。这就是图灵机的停机问 题。



二.



图灵机原理及分析



图灵的基本思想是 用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算


的过程,他把这样的过程看作下列两种简单的动作 :



1)在纸上写上或擦除某个符号;



2)




注意 力从纸的一个位置移动到另一个位置;



而在每个阶段,人要决定下一步的动作,依赖于


(a)


此人


当前所关注的纸上某个位置的符号和


( b)


此人当前思维的状态。


为了模拟人的这种运算过程,


图灵构造出一台假想的机器,


该机


器由以下 几个部分组成:



一条无限长的纸带。


纸带被划分为一个接一个的小格子,




个格子上包含一个来自有限字母表的符号,


字母表中有一个特殊


的符号



表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为


0, 1,


2, ...


,纸带的右端可以无限伸展。



一个读 写头。


该读写头可以在纸带上左右移动,


它能读出当

< p>
前所指的格子上的符号,并能改变当前格子上的符号。


< br>一个状态寄存器。


它用来保存图灵机当前所处的状态。


图 灵


机的所有可能状态的数目是有限的,


并且有一个特殊的状态,



为停机状态。


一套控制规则。


它根据当前机器所处的状态以及当前读写头


所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作,


并改变状态寄


存器的值,令机器进入一个新的状态。



这个机器的每一部分都 是有限的,


但它有一个潜在的无限长


的纸带,

< br>因此这种机器只是一个理想的设备。


图灵认为这样的一


台 机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程




下面我们用另一种思想来理解图灵机:



注:以下内容来自百度文库:



小虫的比喻:


我们不妨考虑这样



一个问题


.


假设一个小虫在地上

< p>


,


那么我们应该怎样从小虫信息处理的角度来建 立它的模型呢


?




,


我们 需要对小虫所在的环境进行建模。


我们不妨假设小虫所处的


世界 是一个无限长的纸带,


这个纸带上被分成了若干小方格,


而每个


方格都只有黑白两种颜色。


黑色表示该方格有食物,

< p>
白色就表示没有。

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