第二次世界大戰中改變上千萬人類命運的數學家——計算機之父

2020-12-11 騰訊網

一、圖靈的生平

艾倫·麥席森·圖靈(英語:Alan Mathison Turing,1912年6月23日—1954年6月7日),英國數學家、邏輯學家,被稱為計算機科學之父,人工智慧之父。1931年圖靈進入劍橋大學國王學院,畢業後到美國普林斯頓大學攻讀博士學位,第二次世界大戰爆發後回到劍橋,後曾協助軍方破解德國的著名密碼系統Enigma,幫助盟軍取得了二戰的勝利。

圖靈

第二次世界大戰打斷了圖靈的正常研究工作,1939年秋,他應召到英國外交部通信處從事軍事工作,主要是破譯敵方密碼的工作。由於破譯工作的需要,他參與了世界上最早的電子計算機的研製工作。他的工作取得了極好的成就,因而於1945年獲政府的最高獎——大英帝國榮譽勳章

為了紀念他對計算機科學的巨大貢獻,由美國計算機協會(ACM)於1966年設立一年一度的圖靈獎,以表彰在計算機科學中做出突出貢獻的人,圖靈獎被喻為「計算機界的諾貝爾獎」。

圖靈獎盃

二、圖靈破譯密碼的故事

英國數學家圖靈出生於一個富 有家庭,1935年在劍橋大學獲博士學位後去美國的普林斯頓,他的研究工作為設計理想的通用計算機提供了理論基礎。1939年圖靈回到英國,立即受聘於外交部通訊處。

在第二次世界大戰期間德軍設計了一種性能優良的編制密碼的機器,稱之為愛尼格瑪(Enigma 「謎」)的機器。德軍指揮機關向其部隊發布的軍令都是通過愛尼格瑪機器加密之後再往下發布的。當時英軍就認識到,要打敗德軍就必須要破譯德軍的密碼,掌握德軍的軍事動向。

人工智慧之父-圖靈

英軍迅速在倫敦北邊不到一百公裡處徵集了一塊空曠 的土地(該地名為布萊克利公園,後他成了該秘密機構的名字),並在那裡集結起一大批傑出的數學家、語言學家和象棋大師等,包括現代計算機科學的開山鼻祖圖靈和後來在愛J堡大學創辦世界上第一個人工智慧系的米基(D.Michie) 。他們負責截獲、破譯愛尼格瑪密碼。圖靈把拍電報的過程看成在一張紙帶上穿孔,運用圖靈的可計算理論,英國設計了一架破譯機"Ultra」 (超越) 專門對付"Enigma」,破譯了大批德軍密碼。由於這個組的努力,特別圖靈出色的工作,他們掌握了破譯該密碼的一整套方法, 從而了解德軍的軍事動向,掌握了戰爭的主動權,為英美聯軍擊敗德軍作出了突出的貢獻。

圖靈

1941年5月21日,英國情報機關終於截獲並破譯了希特勒給海軍上將雷德爾的一份密電。從而使號稱當時世界上最厲害的一艘巨型戰列艦,希特勒的「德國海軍的驕傲」一」俾斯麥」號在首次出航中即葬身魚腹。

1943年4月,日本海軍最高司令部發出的絕密電波越過太平洋,到達駐南太平洋和日本佔領的中國海港的各日本艦隊,各艦隊司令接到命令:日本聯合艦隊總司令長官山本五十六大將,將於4月18日上午9時45分,由6架零式戰鬥機保護,乘兩架轟炸機飛抵卡西裡灣,山本的全部屬員與他同行。

太平洋戰爭

這份電報當即被美國海軍的由數學家和組合學家組成的專家破譯小組破譯,通過海軍部長弗蘭克.諾克斯之手,馬上被送到美國總統羅斯福的案頭。於是,美國閃電式戰鬥機群在西裡灣上空將山本的座機截住,座機在離山本的目的地卡西裡只有幾英裡的荊棘叢中爆炸。

中途島海戰也是由於美國破譯了日本密碼,使日本4艘航空母艦,1 艘巡洋艦被炸沉,330架飛機被擊落;幾百名經驗豐富的飛行員和機務人員陣亡。而美國只損失了1艘航空母艦,1艘驅逐艦和147架飛機。從此,日本喪失了在太平洋戰場上的制空權和制海權。

有人曾經估算過,如果沒有圖靈等人的貢獻,第二次世界大戰至少還要再打十年。

三、圖靈的主要成就

可計算性理論

計算,可以說是人類最先遇到的數學課題,並且在漫長的歷史年代裡,成為人們社會生活中不可或缺的工具.那麼,什麼是計算呢?直觀地看,計算一般是指運用事先規定的規則,將一組數值變換為另一(所需的)數值的過程.對某一類問題,如果能找到一組確定的規則,按這組規則,當給出這類問題中的任一具體問題後,就可以完全機械地在有限步內求出結果,則說這類問題是可計算的。這種規則就是算法,這類可計算問題也可稱之為存在算法的問題。這就是直觀上的能行可計算或算法可計算的概念。

可計算性理論

判定問題

所謂「判定問題」指判定所謂「大量問題」是否具有算法解,或者是否存在能行性的方法使得對該問題類的每一個特例都能在有限步驟內機械地判定它是否具有某種性質(如是否真,是否可滿足或是否有解等,隨大量問題本身的性質而定)的問題。

判定問題與可計算性問題有密切的聯繫,二者可以相互定義:對一類問題若能找到確定的算法以判定其是否具有某種性質,則稱這類問題是能行可判定的,或可解的;否則是不可判定的,或不可解的。二者又是有區別的:判定問題是要確定是否存在一個算法,使對一類問題的每一個特例都能對某一性質給以一個「是」或「否」的解答;可計算性問題則是找出一個算法,從而求出一些具體的客體來。

判定問題

電子計算機

圖靈在第二次世界大戰中從事的密碼破譯工作涉及到電子計算機的設計和研製,但此項工作嚴格保密。直到70年代,內情才有所披露。從一些文件來看,很可能世界上第一臺電子計算機不是ENIAC,而是與圖靈有關的另一臺機器,即圖靈在戰時服務的機構於1943年研製成功的CO-LOSSUS(巨人)機,這臺機器的設計採用了圖靈提出的某些概念。它用了1500個電子管,採用了光電管閱讀器;利用穿孔紙帶輸入;並採用了電子管雙穩態線路,執行計數、二進位算術及布爾代數邏輯運算,巨人機共生產了10臺,用它們出色地完成了密碼破譯工作。

第一代電晶體計算機

人工智慧

1949年,圖靈成為曼切斯特大學(University of Manchester )計算實驗室的副院長,致力研發運行Manchester Mark 1型號儲存程序式計算機所需的軟體。1950年他發表論文《計算機器與智能》( Computing Machinery and Intelligence),為後來的人工智慧科學提供了開創性的構思。提出著名的「圖靈測試」,指出如果第三者無法辨別人類與人工智慧機器反應的差別, 則可以論斷該機器具備人工智慧。

人工智慧

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