《計(jì)算機(jī)與人腦》是美國科學(xué)家約翰·馮·諾依曼創(chuàng)作的電子計(jì)算機(jī)學(xué)著作，1958年首次出版。
《計(jì)算機(jī)與人腦》從數(shù)學(xué)的角度解析了計(jì)算機(jī)與人腦神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系。第一部分探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的原理與應(yīng)用，將計(jì)算機(jī)分為兩大類：“模擬”計(jì)算機(jī)與“數(shù)字”計(jì)算機(jī)。第二部分是對計(jì)算機(jī)與人類神經(jīng)系統(tǒng)的比較分析，主要闡述計(jì)算機(jī)和人類神經(jīng)系統(tǒng)這兩類“自動機(jī)”之間的相似點(diǎn)與不同點(diǎn)：它們之間的相似因素將人們引入熟知的領(lǐng)域；不過還存在一些相異的因素。這些相異因素不但在大小及速度等較為明顯的方面存在著，而且在某些更為深入、更為本質(zhì)的方面也一直存在著，這包括：功能與控制的原理、總體的組織原理等。
《計(jì)算機(jī)與人腦》革命性地詮釋了計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)運(yùn)算與人腦思維的關(guān)系，具有前瞻性，為計(jì)算機(jī)的創(chuàng)新與發(fā)展以及機(jī)器人的研究指明了方向。
內(nèi)容簡介
《計(jì)算機(jī)與人腦》分兩部分，共16章。第一部分講計(jì)算機(jī)，概述模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)的一些最基本的設(shè)計(jì)思想和理論基礎(chǔ)，探討其中的若干問題，并對這兩類計(jì)算機(jī)的特征及其比較加以評述。第二部分講人腦，諾依曼從數(shù)學(xué)的角度，主要是從邏輯和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的角度，討論了神經(jīng)系統(tǒng)的刺激——反應(yīng)和記憶等問題，提出神經(jīng)系統(tǒng)具有數(shù)字部分和模擬部分兩方面的特征，探討了神經(jīng)系統(tǒng)的控制及邏輯結(jié)構(gòu)。所有這些討論，都特地將人造的自動機(jī)（計(jì)算機(jī)）和“天然的自動機(jī)”（人腦）來做技術(shù)比較。他認(rèn)為，人腦的“邏輯深度”和“算術(shù)深度”都比計(jì)算機(jī)小得多，但有許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)所不能比擬的優(yōu)越性。比如，同樣容積的神經(jīng)元比人造元件能完成更多的運(yùn)算，能同時處理更多的信息，記憶容量也大得多，每個神經(jīng)元件的準(zhǔn)確度較低而其綜合的可靠性較高等等；人腦和計(jì)算機(jī)，無論在控制或邏輯結(jié)構(gòu)上，都有巨大區(qū)別。這一切，諾依曼都做了深入的比較和探討。
作品目錄
創(chuàng)作背景
1944年8月初的一天，美國數(shù)學(xué)家赫爾曼·戈德斯坦在阿伯丁火車站等候去往費(fèi)城的火車時，于站臺上邂逅諾伊曼。在作了自我介紹后，戈德斯坦抓住機(jī)會向諾伊曼討教，并告之他正致力研發(fā)一種每秒可以完成333次乘法運(yùn)算的電子計(jì)算機(jī)。諾伊曼來了興趣，表示很想去看看那臺機(jī)器。幾天后，他的愿望得到了滿足。在看到電子數(shù)字積分式計(jì)算機(jī)之后不久，諾伊曼就預(yù)測到電子計(jì)算機(jī)在有生之年會快上10億倍。他還敏銳地意識到，計(jì)算機(jī)應(yīng)該以轉(zhuǎn)化為精確的、數(shù)學(xué)形式的邏輯為基礎(chǔ)；而且，計(jì)算速度的提高不僅依賴于機(jī)器速度的提高，而且還倚重于計(jì)算方法的改進(jìn)。隨即他便著手分析埃尼阿克的缺陷，籌劃造自己的計(jì)算機(jī)。按照諾伊曼的設(shè)想，計(jì)算機(jī)應(yīng)該由存儲器、運(yùn)算器、控制器、輸入、輸出所組成。當(dāng)時諾伊曼已經(jīng)開始思考并比較計(jì)算機(jī)與人腦。1955年10月，正為耶魯大學(xué)預(yù)定在來年春季學(xué)期開設(shè)的西利曼講座準(zhǔn)備講稿的諾伊曼，被查出患有癌癥。而他幾乎是在他生命的最后時刻，于臨終的病榻上撰寫了關(guān)于人的神經(jīng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)關(guān)系的講稿。1958年，他的講稿以《計(jì)算機(jī)與人腦》為題出版。
作品思想
諾依曼在書中指出：“現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，可以分成兩大類：‘模擬’計(jì)算機(jī)和‘?dāng)?shù)字’計(jì)算機(jī)。這種分類是根據(jù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算中表示數(shù)目的方法而決定的。”除了數(shù)量顯示之外，還有指令、存儲以及各種控制方式。之所以諾依曼會不斷強(qiáng)調(diào)數(shù)字和模擬的差別，原因在于他提出的混合計(jì)算機(jī)模型混合了數(shù)字與模擬兩種原則，而這恰好是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征。正是因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有混合計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，如果單獨(dú)使用數(shù)字計(jì)算機(jī)模型就會出現(xiàn)很多漏洞，換言之，神經(jīng)系統(tǒng)不夠精確，而混合計(jì)算機(jī)也沒有那么精確。所以，諾依曼會談到誤差的問題，也就是書中講到的準(zhǔn)確度問題。
該書的第二部分講的是人腦。人腦是經(jīng)過上億年進(jìn)化所形成的最復(fù)雜的自然結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代，人們對于人腦的結(jié)構(gòu)與功能已經(jīng)了解了很多，不過大腦蘊(yùn)藏的奧秘?cái)?shù)不勝數(shù)，還有很多是人類遠(yuǎn)不知曉的。諾依曼對計(jì)算機(jī)與人腦，以及二者的異同點(diǎn)作了細(xì)致入微的比較。他觀察到，計(jì)算機(jī)與神經(jīng)系統(tǒng)的相似之處在于，它們都具備混合計(jì)算機(jī)的特征。很明顯，諾依曼極大地簡化了計(jì)算機(jī)與人腦的相同點(diǎn)，可是從這種簡化里，人們對神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性有了很多啟發(fā)性的認(rèn)知。諾依曼認(rèn)為，天然元件的大小比人造元件要優(yōu)越得多，而人造元件的運(yùn)行速度比天然元件要快得多。諾依曼指出，天然系統(tǒng)的優(yōu)越性主要在于其組織是并行的，而計(jì)算機(jī)大體上都是串行的。在這里，諾依曼提出了“邏輯深度”的概念，即為了完成問題的求解過程而需要進(jìn)行的初等運(yùn)算的數(shù)量。人腦并行處理所需的邏輯深度要比他估計(jì)的計(jì)算機(jī)的邏輯深度小很多。
大腦的基本功能是處理信息或加工信息，計(jì)算機(jī)當(dāng)然也不例外。從信息論的角度來看，處理信息的基本問題就是編碼，計(jì)算機(jī)的編碼問題比較好處理，而大腦的編碼問題就復(fù)雜得多了。為解決這一問題，諾依曼提出了把代碼區(qū)分為完全碼和短碼的概念。這些完全碼由指令組構(gòu)成，它給出了一切必要的規(guī)則，如果計(jì)算機(jī)要解決一個問題，它必須有一套完全碼并按給定的規(guī)則來控制。短碼概念的提出，其目的是使一臺機(jī)器可以模仿任何其他一臺機(jī)器的行為。諾依曼認(rèn)為，在神經(jīng)系統(tǒng)中，使用的記數(shù)系統(tǒng)不是數(shù)字的，而是統(tǒng)計(jì)的。它使用另外一種記數(shù)系統(tǒng)，消息的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)傳送著消息的意義，如此一來，即便算術(shù)的準(zhǔn)確性比較低，卻能夠通過統(tǒng)計(jì)方法來提高邏輯的可靠程度。諾依曼還提出了算術(shù)深度這一概念。數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算一般都很準(zhǔn)確，但是由于神經(jīng)系統(tǒng)的模擬性，就出現(xiàn)了誤差，隨著運(yùn)算步驟的推進(jìn)，這種誤差也會越來越大。
最后諾依曼得出結(jié)論：人腦的語言不是數(shù)學(xué)的語言。他在書中寫到：“神經(jīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)有兩類通信方式：一種為不包括算術(shù)形式的體系，另一種為算術(shù)形式體系。換言之：一種為指令的通信（邏輯的透信），一種為數(shù)字的通信（算術(shù)的通信）。前者用語言進(jìn)行敘述，后者則用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行敘述。”另外，他還認(rèn)識到：“在很大程度上，語言只不過是歷史事實(shí)。”
作品影響
《計(jì)算機(jī)與人腦》思想豐富，具有高度的前瞻性，許多技術(shù)推論帶有很強(qiáng)的科學(xué)預(yù)測性，為計(jì)算機(jī)研究、機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究指明了方向，對后來的理論與實(shí)踐產(chǎn)生了不可忽視的影響。《計(jì)算機(jī)與人腦》給研究像生物體以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種復(fù)雜的對象提供了一種全新的研究方法。即使電腦越來越復(fù)雜，其基本思想也離不開諾依曼書中提出的一些理念。《計(jì)算機(jī)與人腦》在很大意義上推動著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的革命性進(jìn)展。
作者簡介
美圍籍匈牙利裔科學(xué)家約翰·馮·諾依曼（John Von Neumann，1903~1957），數(shù)學(xué)家、化學(xué)家、計(jì)算機(jī)專家，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明人之一。1903年12月28日，諾依曼出生于匈牙利的布達(dá)佩斯。1921年~1923年諾依曼在柏林大學(xué)與蘇黎世大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)與化學(xué)，1926年以優(yōu)異成績獲得了布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位。1926年春，諾依曼到哥廷根大學(xué)任戴維·希爾伯特的助手。1927年~1929年諾依曼相繼在柏林大學(xué)和漢堡大學(xué)擔(dān)任數(shù)學(xué)講師，1930年擔(dān)任普林斯頓大學(xué)客座教授，1931年成為該校第一批終身教授。1933年諾依曼轉(zhuǎn)入普林斯頓高等研究院，當(dāng)時高級研究院聘有6名教授。其中就包括阿爾伯特·愛因斯坦。此后他先后被多所美國頂尖高校授予榮譽(yù)博士，為美國國家科學(xué)院、秘魯國立自然科學(xué)院等院的院士。二戰(zhàn)爆發(fā)后參與原子彈的研制和計(jì)算機(jī)的研發(fā)，1954年他任美國原子能委員會委員，1951年至1953年任美國數(shù)學(xué)學(xué)會主席。1957年2月8日因癌癥在華盛頓哥倫比亞特區(qū)去世，終年54歲。
參考資料 >