图灵机简介和原理分析
-白毫之赐
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
——
图
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
p>
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
年
,
图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文
,
题为
论
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
与
冯
•诺伊曼
机
齐名
,
被永远载入计算机的发展史中。
1950
< br>年
10
月
,
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
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,
在
< 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)
把
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)
p>
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,
p>
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,
每
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
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,
称
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
p>
一个问题
.
假设一个小虫在地上
爬
,
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
?
首
先
,
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,
白色就表示没有。