真的技术宅,先在游戏里造一个图灵机,再在图灵机上装游戏

作者: 秦曾昌,田达玮

来源: 果壳

发布日期: 2018-06-19

本文介绍了图灵机的概念及其历史背景,探讨了图灵机与巴贝奇分析机的关系,并展望了未来可能超越图灵机的计算机技术。

人人都享受当上帝的感觉,创造欲望深深写在每一个人的身体里,但是,总有一些人,比另一些人,更上帝一些。当我还在发愁怎么才能在拼完500块乐高的城堡之后不剩下零件的时候,牛人已经在Minecraft上造出了一台完全运转的图灵机。你看不出来牛逼在哪儿?这要从图灵机到底是什么说起。数学少年图灵在24岁写了一篇论文,其中提到了图灵机的概念,奠定了我们今天这个互联网时代和即将到来的AI时代。

图灵机是一种抽象模型,是在脑内想象的一个机器,由一个控制器、一个读写头和一根无限长的工作带组成的。纸带起着存储的作用;读写头能够读取纸带上的信息,以及将运算结果写进纸带;控制器则负责对搜集到的信息进行处理。一个图灵机的示意装置 | GabrielF/wikipedia图灵机的结构看起来非常简单,但事实上,它与算盘之类的古老计算器有本质的区别:如果在控制器中输入不同的程序,它就能够处理不同的任务。

这意味着,图灵机实际上是一种“通用计算机”。由于图灵在设计图灵机时,并没有限制任何具体的形式,只要在数学上满足定义即可,所以原则上,你可以用任何满足条件的东西制作这台“通用计算机”。把问题写进卡带,图灵机就会给你答案。虽然图灵机因图灵而得名,但给予图灵灵感的却很可能是著名的“失败”发明家查尔斯·巴贝奇。

查尔斯·巴贝奇(1791-1871)对数学和机械都有着极高天赋,他在18岁时以优异的成绩考入剑桥大学。在大学期间,巴贝奇注意到了一个现象:当时欧洲的数学用表存在大量的错误。一项普查发现,在40本数表中,有3700个错误,而且大部分是由于手工计算和印刷造成的。这让巴贝奇难以接受,他认为如果能用一台机器代替人工计算同时自动打印出数表,那么这些问题就可以得到解决。而这台机器,就是著名的“差分机”。

wikimedia当然,要制造这样一台机器需要巨大的资金来源,巴贝奇开始向政府寻求帮助。在政府看来,当时数学用表的错误确实给航运以及建筑业带来了极大的不便,如果巴贝奇的“差分机”能够成功,将会减少船只触礁以及房屋桥梁倒塌事故的发生,因此有意愿资助他。于是,在政府的支持下,巴贝奇完成了能够进行4级拆分的差分机。这台差分机的运算速度之快和错误率之低已经远远领先于当时手工计算水平。

“差分机”的成功研制,让巴贝奇备受鼓舞。他开始构想另一种结构更简单,功能更全面的机器——分析机。“分析机”有一种被称为“孔卡”的结构,给“孔卡”编写不同的程序,就可以让分析机解决不同种类的问题。这一构想其实与图灵机的“控制器”异曲同工。巴贝奇的分析机(部分测试版),历史上第一段计算机程序,就是为了它而写 | Bruno Barral/Wikipedia可惜的是,巴贝奇输给了时代。

巴贝奇的概念太过超前,以至于当时的人们无法验证他的猜想,也无法建造出他理想中的机器。巴贝奇至死都没有见到 “分析机”问世。而当时英国政府向巴贝奇资助的1.7万英镑,最终也打了水漂。这让不少人认为巴贝奇是个失败者,他的“分析机”构想也没有再引起人们的关注。图灵机的诞生直到近一个世纪后,大名鼎鼎的图灵提出了一种能模拟人类进行数学计算过程的机器,图灵称之为A-machine,也就是今天的主角图灵机。

A-machine很大程度上模仿了人类处理问题的过程:它拥有一个类似于人眼和手的读写头能够读取信息以及输出信息;一条无限长的纸带,源源不断地提供信息以及供输出结果; 一个类似于我们大脑的控制器,能够根据问题不同,进行不同的处理。理论上来说,任何能够用数学解决的问题都能交由图灵机来处理,这一构想与巴贝奇所追求的“完全由机器来分析和处理问题”十分一致。

图灵的学生以及合作者罗宾·甘迪,也发现了巴贝奇分析机的理论中有不少与图灵机理论异曲同工之处,因此推测分析机是图灵机的灵感来源。阿兰·图灵 | turingarchive.org相较于巴贝奇,图灵是幸运的。他的理论在接下来的十几年时间里便得到了验证,并逐渐发展成为我们今天的计算机。自图灵机模型提出以来,至今已经历了八十年时间。

人们对图灵机模型进行拓展,诞生了一批改进版的图灵机,如双向无限带图灵机、多头图灵机、非确定型图灵机、多维图灵机等。但这些模型,仅是对运算速度等进行了提升,并没有提出超越图灵机的新模型。超越图灵机的伟大构想,说不定已经在酝酿中。可以肯定的是,超越图灵机的全新计算机,必将给人工智能技术带来一次巨大的飞跃。

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