Teorik bilgisayar biliminin sofra tarifleri?

Bana genellikle teorik bir bilgisayar bilimcisinin ne yaptığı sorulur. Bu soruya güzel cevaplar vermek harika olurdu. Teknik jargona geri dönme eğilimindeyim ve insanların gözleri bu noktada genellikle sırlanıyor.

Teorik bir bilgisayar bilimcisi, bilgisayar bilimcisi olmayan insanlar tarafından anlaşılabilecek şekilde ne yapar?

İyi bir cevap belirsiz, titiz ve titiz görünmeden ruhsal olarak doğru olmalıdır. Bonus puanlar için cevap, teorik bir bilgisayar bilimcisinin ne matematikçi ne de bilişim uzmanı olmama nedenini ima etmelidir.

Bu soru, MO sorusundan esinlenerek, https://mathoverflow.net/questions/3559/colloquial-catchy-statements-encoding-serious-mathematics amacı farklı olmasına rağmen.

Cevabım genellikle "Neden bazı hesaplamaların yapılmasının zor olduğunu araştırıyorum". Örnek olarak, standart ilkokul yöntemlerini kullanarak toplama ve çarpma işlemlerini karşılaştırırım. Bunlar, herkesin yaptığı ve herkesin hızlı bir şekilde yapmanın değerini takdir ettiği hesaplardır. Herkes büyük sayılar için çarpımın toplama işleminden daha zor olduğunu kabul eder. Aslında, çoğu insan ilkokul yönteminin gidebildiğiniz kadar hızlı olduğunu öne sürüyor. Sonra onlara nedenini soruyorum. Çarpma işleminin, toplama kadar kolay bir yöntem olmadığını biliyorlar mı?

Neredeyse herkes bu noktada daha düşük sınırlar (özel ilgi alanım) olduğunu kanıtlama zorluğundan dolayı, bu terimi kullanmamış olmama rağmen, bir miktar takdir görüyor. Seyircinin geçmişine ve ilgisine bağlı olarak, birisinin ilkokul yönteminden çok daha hızlı (sadece "algoritma" kelimesini gözlerine sır verme eğiliminde) eğilimi ile çarpmanın bir yolunu bulduğunu söyleyebilirim. eklemek yerine.

İnsanlara somut bir örnek veriyorum. Özellikle, karmaşıklık teorisini sıklıkla aynı çok açıklayıcı (ama basit) problemle motive ediyorum. İzleyicilerime, küçük bir çocuğa, adının alfabetik olarak sıralanmış bir ad listesinde olup olmadığını keşfetmeleri için nasıl talimat vereceğini sorarım (ve çocuğa herhangi bir adı diğerine karşılaştırmasının 3 saniye sürdüğünü söyleyin). Genellikle, kişi / grubun saf, doğrusal bir yaklaşımla ortaya çıkacağı bir durumdur. Sohbeti logaritmik algoritmaya yönelmeye zorlarım (logaritmadan farklı bir kelime kullanabilirim) ya da kişiden daha iyi bir şey isteyerek veya kendimden söz ederek. Onlara listenin boyutunun iki katına çıkmasının bu yeni yaklaşımla çocuğa sadece üç saniyelik bir çalışma kattığını gösteriyorum. Ve bunu doğrudan, şimdi tamamen saçma görünecek lineer versiyonla karşılaştırıyorum.

Tabii ki onu tekrar dünyaya getirdim. Onlara, söz konusu çocuğun genellikle bir bilgisayar olduğunu, ancak bunun bir çocuk veya genel olarak herkes olabileceğini söyledim . Sorduğumuz soruların aslında bilgisayarlarla ilgili olmadığı, ancak problemleri çözmek için ihtiyaç duyduğunuz alan, zaman ve bilgi miktarı ile ilgili olduğu. Ve aynı problemi çözmek için iki farklı yönteme benzeterek karmaşıklık analizini motive ediyorum.

Onların dikkatini çektiğimde - ağır vuruşçıları ortaya çıkardım. Onlara "logaritmik çözümün yapmayı umduğunuz en iyi şey olduğunu kanıtlayabilir misiniz veya daha iyi bir şey bulabilir misiniz?" ve onlara soruyorum "Hiçbir işlemin (algoritmanın) çözmeyi ümit edemediği sorunlar var mı? İnsanların TCS geçmişi olmadığı zaman bu soruları nasıl ele almaya çalıştıklarına şaşırdım.

Karmaşıklık teorisini nicel teoloji olarak açıklayan Scott Aaronson'ın bu yazısını seviyorum . İşte bir alıntı:

Hesaplamalı karmaşıklık teorisi gerçekten, gerçekten, gerçekten bilgisayarlar hakkında değil. Bilgisayarlar karmaşıklıkta, saatler, trenler ve asansörlerin görelilikte oynadıkları rol oynarlar. Noktayı göstermek için harika bir yol, muhtemelen noktayı keşfetmek için zorunluydu, ama nokta değiller.

Karmaşıklık teorisinin en iyi tanımı, onun kantitatif teolojisi olduğudur: tanrılar gibi varsayımsal süper akıllı canlıların matematiksel incelemesi. Endişeleri arasında şunlar vardır:

• Bir Tanrı veya tanrı varsa, kendilerini ölümlülere nasıl gösterebilir? (Çok tanrılı durumda IP = PSPACE veya MIP = NEXP.)

• Hangi tanrılar diğer tanrılardan daha güçlüdür? (P ^NP PP vs., QMA vs SZK, BQP ^NP NP vs ^BQP vs. gibi)

• Tanrısal bir Tanrı, her şeyi bilenine ölümlü bir şekilde ihsan etmeyi seçebilir mi? (EXP'ye karşı P / poli.)

• Oracles güvenilir mi? (Oracles güvenilir olabilir?)

Ve tabi ki:

• Ölümlüler hiç tanrı gibi olabilirler mi? (P - NP, BQP - NP)

Kesinlikle geliştirilebilecek örnek bir cevap:

Teorik bilgisayar bilimcileri, matematiksel olarak hesaplamayı inceler. Bilgisayarınızı düzeltebilirler, ayrıca matematikçiler vergilerinizi hesaplayabilirler.

Bence, bu hatlar boyunca mükemmel (cevapsız) bir cevap, Dijkstra tarafından verildi (huysuz ve mutlakiyetçi duyurulara yönelmek için her zaman iyi bir kaynak :)).

Bilgisayar Bilimi, astronomi, teleskoplardan ziyade bilgisayarlar hakkında değildir. - EW Dijkstra

Verilen Brian Hayes tarafından verilen Gerçekten Bölümleme sorununa giriş gibi burada .

Bir dizi çocuğu eşit toplam yetenekli ekiplere ayırma problemini kullanıyor (her çocuğun sayısını bir sayı kullanarak ölçebildiğini varsayarsak) ve ayrıca çocuklar tarafından bu sorunu çözmek için kullanılan açgözlü algoritmayı da açıklar.

Bunu anlamak çok basit bir problemdir, algoritmayı anlamak kolaydır, genel olarak (muhtemelen) çok zor olması şaşırtıcıdır ve son parçayı kanıtlayamadığımız için utanç vericidir.

Genellikle şu satırlar boyunca bir şeye cevap veririm: Bir bilgisayarla ne yapmanın mümkün olduğunu bulmaya çalışıyorum. Tamamen doğru değil ama oldukça yakın ve genellikle insanlar "Ne demek istiyorsun?" Diye soruyorlar. TSP gibi belirli bir şeye referans verebilirim. Her ne kadar, gezici satıcıya, barbar atlatma problemi, emlakçı problemi, çok fazla sayıda iş için yetmeyen zaman problemi veya uygun olanı söylerim.

Örneğin: "Diyelim ki, ayakkabı, bakkaliye ve giysiler için alışveriş yapmanız, pasta toplamanız, saçını kestirmeniz ve akşam yemeğinden önce başka çeşitli işler yapmanız gerektiğini varsayalım. Bunları koyarsanız çok iyi olur. GPS'inize girip, tüm işlerinizi 4 saat içinde yapmaları için hangi sırayı yapabileceğinizi size söyleyecektir.Ama işlerin listesi yeterince uzunsa, şu anda, sizin için yeterli olup olmadığını anlamak bile mümkün değildir. olabilir onları 4'e kadar yapmam hiç , zamanın herhangi bir makul miktarda. Ben bir bilgisayar ile hızla bu sorunu çözmek mümkün olup olmadığını bilmek istiyorum, bunları yapmanız gereken hangi sırayla. çok daha az"

Sorunları çözmenin en iyi yolları nelerdir ve sorunların çözümü çok zordur? Avrupa dillerinde bir kelime var - İngilizce dahil! - "bilişim". Bilgi bilimi. ABD'de, bu teorik bilgisayar bilimi olarak adlandırıyoruz, buradaki güçlü bilgisayar endüstrisi nedeniyle, ancak bir dakika bilgisayarsız problem çözmeyi düşünüyoruz. İnsan vücudunu düşünün. Neredeyse mucizevi bir şekilde sorunları çözer. Işık gözlerimize gelir ve tanıdığımız şeyleri görebiliriz . Ses kulaklarımıza giriyor ve bizim anladığımız kelimeleri duyuyoruz . Bunlar, dünyadaki en iyi bilgisayarların hala mücadele ettiği, günde binlerce kez kolayca çözdüğümüz bilgi sorunları.

Deneme ve yanılma stratejisini kullanarak ve şanssızlığı ortadan kaldırarak bu sorunları çözmek için milyonlarca yıl süren evrim sürecini aldı. Daha rasyonel bir yaklaşım izlersek neler başarabileceğimizi hayal edin ve bu yeni problem çözme bilimine, geometriye, teolojiye veya hesaplamaya yatırım yaptığımız kadar insan yaratıcılığını yatırdım. Yaptığım şey bu yatırımın küçük bir kısmı.

Görevlinin sorusuna cevap olarak, "Ne yaparsın?" Sık sık, "Bilimkurgu gerçeğini nasıl gerçekleştireceğimi bulmak için uzaya bakarak çok zaman harcıyorum." Daha sonra birkaç cümle ile açıklanmış bir projeye özel bir örnek vereyim.

Teorik bilgisayar bilimi, bilgisayar bilimine matematiğin fiziğe ne gibi davrandığını gösterir.

Karmaşıklık teorisine odaklanmakla birlikte genellikle şu cevabı veririm: "Çözülecek bir problem için, zaman ve mekan açısından sınırları incelerim. Problemler harita üzerinde en kısa yolu bulmak veya bir satranç oyunu kazanmaktır."

Genellikle faktoring problemini örnek olarak veririm; Önce 15'i bölen numarayı istiyorum; genellikle insanlar 3, 5 cevap verebilir ve 1 ve 15'in doğru cevap olup olmadığını merak ederek eğlenebilirler. Sonra büyük bir sayı verdim (10 haneden fazla) ve bana bölücülerinin ne olduğunu söyleyip söyleyemeyeceklerini sordum; ve bilgisayar bilimci için bile bunun gerçekten zor bir soru olduğunu açıklıyorum.

O zaman zamanım varsa, sorunun ya bu sorunun nasıl çözüleceğini bulmak ya da her zaman çok zaman alacağını kanıtlamak olduğunu (tam olarak nasıl tanımlayacağımızı bildiğimiz bir fikir) olduğunu açıklamaya çalışıyorum. Ve sonra küçük bir şifreleme kelimesi, neden kullanıldığını açıklamak ve bilim ekibinin yüzlerce rakam ile sayı anahtarını kırmak için ne kadar zaman harcadığı hakkında bir kelime rakam nedir

Sorulan soru gerçekten zor, çünkü çoğu insan genel olarak bilgisayar bilimcilerinin ne yaptığını bilmiyor. Bu diğer disiplinlerden çok farklı.

Aşağıdaki analojiyi kullanmayı seviyorum: (T) CS bilgisayarlar için fiziğin CD çalarlar için (yani lazer) olduğu şey. Bu aslında oldukça iyi çalışıyor çünkü çoğu insan bir fizikçinin neyle uğraştığı hakkında bir fikre sahip, doğru olsun ya da olmasın.

Daha spesifik örnekler, çoğu insanın ilgili olabileceği şeyleri içerir.

• Dize Eşleştirme (Word, Browser, ... gibi hızlı arama günlük deneyime karşı yavaş naif yaklaşım)
• En Kısa Yol Problemi (navigasyon sistemlerinde kullanıldığı gibi)
• Çizelgeleme (diğerinin bekaret derecesine bağlı olarak, iş süreçlerine veya CPU'da zamanlamaya bakın)

Öyleyse, PCS çalışanları karmaşık sistemlerde hızlı bir uygulama ya da iyi bir entegrasyon görürken, TCS çalışanlarının PCS'nin kullanması için güvenli, yeniden kullanılabilir bilgi / teknik sağlayan şeyleri kanıtladıklarını merak ediyorlar.

Ayrıca insanların bilgisayarlarla ilgili hayal kırıklıklarını da kullanabilirsiniz ("İstediğim şeyi yapmaz!"). (T) CS’nin, bilgisayarların olayları verimli bir şekilde anlayabilecekleri ve işleyebilecekleri şekilde nasıl ifade edebileceğini (sözdizimine, anlambilimine, veri yapılarına, algoritmalara atıfta bulunularak) belirtebilirsiniz.

Birisi size bir soru sorduğunda, ya doğrudan yanıtlayabilir ya da takip etmek için adım adım bir prosedür uygulayabilir ve eğer adımlar doğru bir şekilde takip edilirse, cevabın makul bir süre içinde alınacağına dair bir kanıt verebilirsiniz. Basamakların kendilerinin çok karmaşık olmadığı ve bu evrende var olabilecek bir varlık tarafından hızla gerçekleştirilebileceği göz önüne alındığında, bu tür prosedürler ne tür sorular sergiliyor? Bunun Teorik Bilgisayar Bilimi'nin konusu olduğunu düşünüyorum.

Kesin olmayan ancak sohbete son vermeyi garanti ettiği olağan cevabım (bonus!) "Kuantum teorisi gibi fiziğin matematiksel özü, TCS bilgisayar biliminin matematiksel özü" dür.

Hesaplamanın sınırlarını inceliyoruz. Belirli bir hesaplama problemini ne kadar çabuk çözebilirsiniz? Hangi çözümü denediğiniz önemli değil, çözmek için ne kadar zaman gerekir? Sonra onlara bu örnekleri verdim (çoğu insana açıklanması kolay olan - ve aslında birçok meslekten olmayan kişi onlarla doğrudan deneyime sahip - NP-tamamlanmış sorunların bazı özelliklerini gösterir ve aslında hayat kurtarmakla ilgilidir).

Açıkçası insanlar (kendim dahil) uzay, rastlantısallık ve hatta kuantumite gibi diğer önemli kaynakları görmezden geldiğimi taklit edebilirler. Ancak birine bir bütün alanı anlatmak için sadece 2 dakikanız olduğunda, bazı şeyler kalmaz.

Geçmişe tuhaf bir bakış atmak istiyorsanız, izleyicinize mesleğini bir şeyleri hesaplamak isteyen bir kişiye "bilgisayar" kullandığını hatırlatın . (Ve sahip olabilecekleri bazı cinsiyet klişelerini ihlal etmek istiyorsanız, bunların da sık sık kadın olduklarını belirtebilirsiniz.)

Daha sonra bir seferde bir avuç iş elde edebilirsiniz:

• “bilgisayar bilimi” nin “bilgisayar” çalışmanın ötesinde bir şey olabileceğine inandırıcı bir argüman yapın;
• bilgisayar yapanların görevlerini yerine getirmek için bazı kurallara ihtiyaç duyduklarına dikkat edin (özellikle, uzmanlık görevlerini yapan "bilgisayarlar" ile dolu bir odada - iletişimin karmaşıklığı ve paralellik, herhangi biri?) ve bu makineler için de geçerlidir;
• "bilgisayar bilimi" nin, bu anlamda "hesaplama" içeren sorunları çözmenin etkili yollarını bulmakla ilgili olduğunu;
• Bunun tam olarak ne olduğunu, tam olarak ne yaptığını hesaplamak, ihtiyaç duydukları kaynaklar kadar önemli olmadığını (zaman ve boş alan gibi).

Onları daima yaratıcı bir kasten, kasıtlı olarak saygısız bir videoya veya teknik bir konsepti sezgisel düzeyde açıklayan bir makaleye doğru yönlendirerek başlıyorum. İşte güzel bir örnek: Matematikte Doodling: Spiraller, Fibonacci ve Bitki Olmak

Kavramı anladıklarında (ve umarım onunla biraz eğlenmiş olduklarında), TCS hakkında bir şeyler öğrendiklerini genelleştirmeye çalışırım. Örneğin, yukarıdaki video özyinelemeli bir süreç olarak algoritmaların veya hesaplamanın temel bir açıklamasına - “birkaç basit kuraldan karmaşık bir yapı oluşturan bir şey” yol açabilir. TCS çalışanları, o zaman, sadece hangi tür kuralları ne tür bir yapı ürettiğini araştırıyor!

Oradan, genel TCS'den yaptığınız alana özgü bir şeye gitmek genellikle yeterince kolaydır. :)

Ross Snider tarafından verilen önerinin ardından, belirli bir örnekle başlamakla ilgili olarak, P-NP sorusu doğrudan açıklanabilir. Bir kimse bu soruyu bir uzmana, bir çözümün doğrulanmasının gerçekten bir çözüm bulmaktan daha kolay olup olmadığını bulmak olarak tanımlayabilir veya bir çözümü doğrulayabildiğimiz zaman da bulabileceğimiz doğru mu?

Benimki burada:

Bilgisayar bilimi sadece bilim değildir, içinde çok fazla mühendislik vardır, fakat bilimsel kısım hesaplamayı anlamakla ilgilidir. Hesaplama, bilgileri düzenli bir şekilde üreten fiziksel bir işlemdir. Teorik bilgisayar bilimlerinde hesaplamayı anlamak için nispeten karmaşık bir matematiğe ihtiyacımız olduğunu düşünüyoruz.

Biyolojideki hesaplama, mantığın bilgisayar bilimlerindeki rolü hakkında güzel bir şekilde konuşmaya yol açar, & c.

Belki biri bunu söyleyebilirdi

teorik bir bilgisayar bilimcisi, bilgisayar bilimi ile ilgili gerçekten çok zor problemler üzerinde çalışmaktadır.

Bilim adamı yaratıcı olurken bilgisayarı kullanmayacak, daha ziyade çok fazla düşünecek, kağıt üzerinde karalamalar yapabilecek ve ilginç çizimler çizecek ve ara sıra dolaşacak. Dolayısıyla, hemen uygulanabilirlik en önemli şey değildir, daha çok bu dünyadaki gizemleri araştırmaya ve anlamaya çalışan bir sanatçıya benzer.

Daha sonra, bilgisayar, internet, arama motorları, güvenli bankacılık, 3B filmler, DNA dizilimi vb. Teorisyenlerin zarif çözümlerine dayanan şeylerden bahsedebiliriz. Bazıları ilk birkaç on yıl içinde görülebilir.

Tecrübelerime göre, birçok insan bu bilgisayar biliminin farkına vardıklarında AHA-anına sahipler ve özel teori ilginç sorular ve problemler açısından çok zengin. Birçoğu yüksek düzeyde tanımlanabilir! Bu, Wikipedia'dan (SIGACT aracılığıyla) bir listedir, favorilerinizi seçin: algoritmalar, veri yapıları, hesaplama karmaşıklığı teorisi, dağıtık hesaplama, paralel hesaplama, VLSI, makine öğrenmesi, hesaplamalı biyoloji, hesaplamalı geometri, bilgi teorisi, kriptografi, kuantum hesaplama , hesaplamalı sayı teorisi ve cebir, program anlam ve doğrulama, otomat teorisi ve rastgelelik çalışması.

Teorik bir bilgisayar bilimcisi, bilgisayar bilimcisi olmayan insanlar tarafından anlaşılabilecek şekilde ne yapar?

Bir VCR tamircisi ile hemen hemen aynı. Her ikisi de, son derece uzun bant parçalarına bilgi okuyan ve yazan makinelerden en iyi performansı almayı düşünür.

Bu, yanakta senin peşindekinden biraz daha dil olabilir.