計算機科學是什么

計算機科學是系統性研究信息與計算的理論基礎以及它們在計算機系統中如何實現與應用的實用技術的學科。 它通常被形容為對那些創造、描述以及轉換信息的算法處理的系統研究。計算機科學包含很多分支領域；有些強調特定結果的計算，比如計算機圖形學。

計算機科學（Computer science，有時縮寫為 CS）是系統性研究信息與計算的理論基礎以及它們在計算機系統中如何實現與應用的實用技術的學科。 它通常被形容為對那些創造、描述以及轉換信息的算法處理的系統研究。計算機科學包含很多分支領域；有些強調特定結果的計算，比如計算機圖形學；而有些是探討計算問題的性質，比如計算復雜性理論；還有一些領域專注于怎樣實現計算，比如編程語言理論是研究描述計算的方法，而程序設計是應用特定的編程語言解決特定的計算問題，人機交互則是專注于怎樣使計算機和計算變得有用、好用，以及隨時隨地為人所用。

有時公眾會誤以為計算機科學就是解決計算機問題的事業（比如信息技術），或者只是與使用計算機的經驗有關，如玩游戲、上網或者文字處理。其實計算機科學所關注的，不僅僅是去理解實現類似游戲、瀏覽器這些軟件的程序的性質，更要通過現有的知識創造新的程序或者改進已有的程序。

盡管計算機科學（computer science）的名字里包含計算機這幾個字，但實際上計算機科學相當數量的領域都不涉及計算機本身的研究。因此，一些新的名字被提議出來。某些重點大學的院系傾向于術語計算科學（computing science），以精確強調兩者之間的不同。丹麥科學家 Peter Naur 建議使用術語"datalogy"，以反映這一事實，即科學學科是圍繞著數據和數據處理，而不一定要涉及計算機。第一個使用這個術語的科學機構是哥本哈根大學 Datalogy 學院，該學院成立于 1969 年，Peter Naur 便是第一任教授。這個術語主要被用于北歐國家。同時，在計算技術發展初期，《ACM 通訊》建議了一些針對計算領域從業人員的術語：turingineer，turologist，flow-charts-man，applied meta-mathematician 及 applied epistemologist。 三個月后在同樣的期刊上，comptologist 被提出，第二年又變成了 hypologist。 術語 computics 也曾經被提議過。在歐洲**，起源于信息（information）和數學或者自動（automatic）的名字比起源于計算機或者計算（computation）更常見，如 informatique（法語），Informatik（德語），informatika（斯拉夫語族）。

著名計算機科學家艾茲赫爾·戴克斯特拉曾經指出：“計算機科學并不只是關于計算機，就像天文學并不只是關于望遠鏡一樣?！保?Computer science is no more about computers than astronomy is about telescopes."）設計、部署計算機和計算機系統通常被認為是非計算機科學學科的領域。例如，研究計算機硬件被看作是計算機工程的一部分，而對于商業計算機系統的研究和部署被稱為信息技術或者信息系統。然而，現如今也越來越多地融合了各類計算機相關學科的思想。計算機科學研究也經常與其它學科交叉，比如數學、工程學、認知科學和經濟學等。

計算機科學被認為比其它科學學科與數學的聯系更加密切，一些觀察者說計算就是一門數學科學。 早期計算機科學受數學研究成果的影響很大，如庫爾特·哥德爾、艾倫·圖靈、路莎·彼得，阿隆佐·邱奇等數學家的研究，這兩個領域在某些學科，例如數理邏輯、范疇論、域理論和代數，也不斷有有益的思想交流。

歷史

早期計算機科學創建的基礎得追溯到最近電子計算機的發明。那些計算固定數值任務的機器，比如算盤，自古希臘時期即已存在，而用于加快計算的算法更是在算盤等古老的計算儀器發明之前就已被廣泛使用。

Wilhelm Schickard 在 1623 年設計了世界上第一臺機械計算器，但沒有完成它的建造。布萊茲·帕斯卡在 1642 年設計并且建造了世界上第一臺可以工作的機械計算器 Pascaline。1673 年，萊布尼茲開始了步進計算器的建造工作并于 1694 年竣工，他也因為記錄了二進制系統而被認為是第一個計算機科學家和信息理論家。埃達·洛夫萊斯協助查爾斯·巴貝奇在維多利亞時代設計了差分機。1900 年左右，打孔機問世。然而以上這些機器都局限在只能完成單個任務，或者充其量是所有可能任務的子集。

到了 20 世紀 40 年代，隨著更新更強大的計算機器(如 ABC 計算機、電子數值積分計算機)被發明，術語“計算機”開始用于指代那些機器而不是它們的祖先。計算機的概念變得更加清晰，它不僅僅用于數**算，總的來說計算機科學的領域也擴展到了對于計算的研究。20 世紀 50 年代至 20 世紀 60 年代早期，計算機科學開始被確立為不同種類的學術學科。 世界上第一個計算機科學學位點由普渡大學在 1962 年設立。隨著實用計算機的出現，很多計算的應用都以它們自己的方式逐漸轉變成了研究的不同領域。

雖然最初很多人并不相信計算機可能成為科學研究的領域，但是隨后的 50 年里也逐漸被學術界認可。IBM 公司是那段時期計算機科學革命的參與者之一。在那段探索時期，IBM（International Business Machines 的縮寫）發布的 IBM 704 以及之后的 IBM 709 計算機被廣泛使用?！安贿^，使用 IBM 電腦工作仍然是一件很沮喪的事情。如果你弄錯了一條指令中的一個字母，程序將會崩潰，而你也得從頭再來?！?0 世紀 50 年代后期，計算機科學學科還在發展階段，這種問題在當時是一件很常見的事情。

隨著時間的推移，計算機科學技術在可用性和有效性上都有顯著提升?，F代社會見證了計算機從僅僅由專業人士使用到被廣大用戶接受的重大轉變。最初，計算機非常昂貴，要有效利用它們，某種程度上必須得由專業的計算機操作員來完成。然而，隨著計算機變得普及和低廉，已經幾乎不需要專人的協助，雖然某些時候援助依舊存在。

主要成就

德軍在二戰時用于加密通信的恩尼格瑪密碼機。恩尼格瑪加密信息在布萊切利園被大量破譯被認為是幫助盟軍在二戰中獲勝的重要因素。

雖然計算機科學被認定為一門正規學科的歷史很短暫，但它對科學和社會做出了許多根本性的貢獻ー事實上，計算機科學與電子學一樣，是信息時代的奠基科學，也是信息革命的驅動力，被視為繼工業革命（公元 1750-1850 年）和新石器革命（公元前 8000-5000 年）之后人類技術進步的第三次重大飛躍。

這些貢獻包括：

開啟“數字化革命”，包括當今的信息時代和互聯網。

對計算和可計算性的形式定義，證明了存在計算上不可解及難解型問題。

提出編程語言的概念，作為一種使用不同的抽象層次來精確表達進程的工具。

在密碼學領域，恩尼格瑪密碼機的破譯被視為盟軍在二戰獲取勝利的重要因素。

科學計算讓分析實際中非常復雜的過程和場景成為可能，可以完全借助軟件來進行一些實驗。同時也實現了對人類思想的深入研究，使得人類基因組計劃繪制人類基因成為可能。 還有探索蛋白質折疊的分布式計算項目 Folding@home。

算法交易通過使用人工智能、機器學習和其他大規模的統計和數值方法，提高了金融市場的效率和流通性。 高頻率的算法交易也會加快波動性。

計算機圖形和電腦成像（CGI）在現代娛樂中無處不在，尤其是在電視、電影、廣告、動畫和視頻游戲中。即便是沒有用到 CGI 技術的電影，通常也是用數字相機拍攝，或者使用數字視頻編輯器剪輯或后期處理過的。

仿真各種過程，包括計算流體動力學、物理、電氣和電子系統和電路，以及同人類居住地聯系在一起的社會和社會形態（尤其是戰爭游戲，war games）?，F代計算機能夠對這些設計進行優化，如飛機設計。尤其在電氣與電子電路設計中，SPICE 軟件對新的物理實現（或修改）設計具有很大幫助。 它包含了針對集成電路的基本設計軟件。

人工智能變得越來越重要，因為它變得更加高效和復雜。人工智能的應用有很多，其中一些可以在家里看到，比如機器人吸塵器。它也出現在視頻游戲和現代戰場上的無人機、反導彈系統和小隊支持機器人中。

人機交互將新穎的算法與設計策略相結合，可實現快速的人類績效，低錯誤率，易于學習和高度滿意度。研究人員利用人種學觀察和自動化數據收集來了解用戶需求，然后進行可用性測試來完善設計。關鍵的創新包括直接操縱、可選擇的網頁鏈接、觸摸屏設計、移動應用程序和虛擬現實。

哲學

Peter Wegner 提出計算機科學可以分成三個領域：數學、工程學、科學。Amnon H. Eden 提議了三種范式應用于計算機科學的各個領域：

“理性主義范式”，將計算機科學看作是數學的分支，在理論計算機科學中很流行，主要利用演繹推理。

“技術專家范式”，這類范式有著很明顯的工程學傾向，尤其是在軟件工程領域。

“科學范式”，人工智能的某些分支可以作為這類范式的代表（比如說對于人工生命的研究）。

計算機科學的領域

作為一個學科，計算機科學涵蓋了從算法的理論研究和計算的極限，到如何通過硬件和軟件實現計算系統。 CSAB（以前被叫做 Computing Sciences Accreditation Board），由 Association for Computing Machinery（ACM）和 IEEE 計算機協會（IEEE-CS）的代表組成，確立了計算機科學學科的 4 個主要領域：計算理論，算法與數據結構，編程方法與編程語言，以及計算機組成與架構。CSAB 還確立了其它一些重要領域，如軟件工程，人工智能，計算機網絡與通信，數據庫系統，并行計算，分布式計算，人機交互，計算機圖形學，操作系統，以及數值和符號計算。