淺析信息與計(jì)算科學(xué)在幾個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

王子明

摘要：經(jīng)過多年的發(fā)展、演變，信息技術(shù)從誕生、發(fā)展到如今的廣泛應(yīng)用，與數(shù)學(xué)理論的結(jié)合、融合，已成為全世界科研、學(xué)界和應(yīng)用領(lǐng)域的主流。在濾波、解碼、編碼、信源等方面，都使用數(shù)學(xué)方法對(duì)其概念進(jìn)行了定量度量和數(shù)學(xué)描述，由此促使信息技術(shù)走入精確定量時(shí)代，在此基礎(chǔ)上形成了以研究信息的處理、分析、存儲(chǔ)、傳輸、獲取、產(chǎn)生等為研究方向的信息技術(shù)學(xué)科。該文簡要論述一些信息與計(jì)算科學(xué)在幾個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，僅供交流。

關(guān)鍵詞：信息與計(jì)算科學(xué)；領(lǐng)域；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0244-02

人類社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，在信息技術(shù)中融入數(shù)學(xué)技術(shù)，這對(duì)科技的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。而且，數(shù)學(xué)能夠?yàn)楣こ虒?shí)踐與科研提供很好的支持，這一點(diǎn)上科學(xué)家、教育家們等都已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)。

現(xiàn)階段，信息與計(jì)算科學(xué)是信息技術(shù)的不斷深化發(fā)展衍生的新型學(xué)科，其作為一門新興的學(xué)科，在高校課堂中存在的時(shí)間并不是很長，但卻對(duì)我們的科學(xué)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，起到了深遠(yuǎn)的影響，尤其是在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能技術(shù)、虛擬技術(shù)的背景下，信息技術(shù)取得了不斷的進(jìn)步，對(duì)當(dāng)前各個(gè)學(xué)科、專業(yè)、行業(yè)的影響范圍和作用越來越深刻、也越來越大。

1 基本概念

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)（Information and Computing Science），為理科專業(yè)，包括信息科學(xué)與計(jì)算數(shù)學(xué)兩個(gè)方面。其原名叫做：計(jì)算數(shù)學(xué)，我國教育部在1998年的高校改革中，將計(jì)算數(shù)學(xué)又改名為“信息與計(jì)算科學(xué)”，從戰(zhàn)略層面的意義上是想以信息領(lǐng)域?yàn)楸尘埃瑢?shù)學(xué)與信息、計(jì)算機(jī)管理等專業(yè)相結(jié)合，大類上來說仍歸于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)。招生定位和培養(yǎng)目標(biāo)上，信息與計(jì)算科學(xué)旨在培養(yǎng)具有扎實(shí)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、熟練掌握計(jì)算機(jī)軟硬件以及設(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用型復(fù)合人才。自從20世紀(jì)90年代以來，信息與計(jì)算科學(xué)被歸屬到數(shù)學(xué)專業(yè)中，旨在研究應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算工具解決工程與科學(xué)問題的數(shù)學(xué)方法和理論。

從概念可以看出，計(jì)算技術(shù)與信息技術(shù)相互補(bǔ)充、相互聯(lián)系，融合成了該門學(xué)科。計(jì)算科學(xué)包括對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的分析和設(shè)計(jì)，以及對(duì)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用的研究。而信息學(xué)科主要研究方向有信息利用、信息處理、信息傳輸和信息獲取。（1）在信息利用方面，主要技術(shù)是控制技術(shù)；（2）在信息處理方面，主要技術(shù)有計(jì)算技術(shù)和信息表示方法等；（3）在信息傳輸方面，信息安全技術(shù)和通信技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛；（4）在信息獲取方面，主要技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、遙感技術(shù)等。可以說，信息科學(xué)與計(jì)算科學(xué)，兩者相互促進(jìn)、共同發(fā)展。

2 具體應(yīng)用舉例

2.1 工程領(lǐng)域：數(shù)學(xué)計(jì)算、科學(xué)計(jì)算

在工程計(jì)算領(lǐng)域，數(shù)學(xué)的科學(xué)計(jì)算功能主要體現(xiàn)在：（1）純科學(xué)計(jì)算在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如：MATLAB語言（全稱是MATrix LABoratory）——一款強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算平臺(tái)。它是來自于美國馬薩諸塞州的世界領(lǐng)先的技術(shù)計(jì)算和基于模型的設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)商和供應(yīng)商——The MATH WORKS公司研發(fā)，該公司自1984年成立以來，就在此領(lǐng)域成績斐然、碩果累累。這個(gè)軟件在矩陣計(jì)算方面功能超前，素有矩陣實(shí)驗(yàn)室之稱，多年來一直是工程界進(jìn)行計(jì)算的好幫手。體現(xiàn)在以下幾個(gè)問題：

第一，它能快速、便捷地計(jì)算函數(shù)的收斂性。我們知道函數(shù)的收斂，是說函數(shù)在某點(diǎn)的收斂，當(dāng)自變量趨向這一點(diǎn)時(shí)，其函數(shù)值的極限就等于函數(shù)在該點(diǎn)的值。這一論證和計(jì)算的過程，在許多工程計(jì)算上，常常出現(xiàn)，求解過程也是比較復(fù)雜和繁冗的，由于求解結(jié)果變化大，衡量計(jì)算結(jié)果正確與否的關(guān)鍵就是看函數(shù)是否收斂。但在驗(yàn)證函數(shù)是否收斂時(shí)，要反復(fù)進(jìn)行多次計(jì)算，才能夠得到最終的收斂性結(jié)果，不利于工程師的工作效率提高，所以，運(yùn)用MATLAB的編程，就可以輕松實(shí)現(xiàn)千萬次的收斂性試驗(yàn)，自動(dòng)解決收斂性的問題，大大提高了計(jì)算過程效率和準(zhǔn)確性。

第二，MATLAB能快速方便處理工程中的大量矩陣問題。一些科學(xué)研究和實(shí)踐活動(dòng)中，需要我們在求解最優(yōu)解，期間會(huì)產(chǎn)生很多龐大的矩陣，試圖通過人工的方式進(jìn)行計(jì)算龐大的矩陣、數(shù)列，是不實(shí)際的，就是進(jìn)行了也多數(shù)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤的可能性。運(yùn)用MATLAB平臺(tái)就簡單了，只要我們輸入矩陣的形式，選擇一定的程序來進(jìn)行計(jì)算，只要輸入數(shù)據(jù)正確，那么得出的記過就是正確的，是可以反復(fù)檢驗(yàn)的。

第三，建立在工程模型基礎(chǔ)上的應(yīng)用。由于現(xiàn)代工程對(duì)精度要求極高，所以需要先建立虛擬模型并進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，才能確保工程的質(zhì)量?，F(xiàn)代工程計(jì)算中常應(yīng)用的是有限元法，這種方法是把一個(gè)模型通過網(wǎng)格劃分成為若干個(gè)小的單元，并對(duì)小單元逐個(gè)求解最終得到想要的結(jié)果，網(wǎng)格劃分地越密，計(jì)算精度就越高。在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用有限元法的基本步驟是：按照預(yù)期設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)虛擬模型并給定相應(yīng)的材料常數(shù)；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把模型劃分成許多的小單元；在模型上施加載荷和約束；進(jìn)行求解；數(shù)據(jù)的后處理。經(jīng)過這些步驟之后能夠直觀地得到所需要的結(jié)果。在這一方面，ABAQUS的應(yīng)用是十分廣泛的，相比于ANSYS等其他工程軟件，這款軟件具有很大的優(yōu)勢：ABAQUS具有很強(qiáng)的兼容性，它不光能夠依靠自身完成建模，同時(shí)也能夠?qū)胗肁uto CAD、ANSYS等其他軟件所建成的模型；ANSYS就建模來說并不是最優(yōu)秀的一款軟件，但是其在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢是很明顯的，它能夠進(jìn)行模型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，完成裝配接觸等操作，想比其他軟件在數(shù)據(jù)處理方面更為強(qiáng)大。另外，ABAQUS還有草圖功能，建模中出現(xiàn)的錯(cuò)誤能夠在草圖中得到修正。而其強(qiáng)大的恢復(fù)功能保證了在突然斷電、故障之后可以緊急存儲(chǔ)，從而把損失降低到最小。

目前，科技創(chuàng)新已經(jīng)不得不依靠信息與計(jì)算科學(xué)的專業(yè)工具，工程界的科技創(chuàng)新，出現(xiàn)了更多的信息與計(jì)算類的應(yīng)用軟件或平臺(tái)，正在改變我們的時(shí)代。

2.2 體育領(lǐng)域：比賽臨場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理軟件的開發(fā)endprint

近年來，體育比賽領(lǐng)域應(yīng)用信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)技術(shù)，促進(jìn)比賽的科學(xué)、公正、有序，起到了巨大的作用，尤其是，相關(guān)人員相繼開發(fā)了排球比賽臨場統(tǒng)計(jì)軟件，該類軟件克服了排球競賽人工統(tǒng)計(jì)過程中指標(biāo)采集慢、數(shù)據(jù)整理慢、統(tǒng)計(jì)分析慢等不足之處，在相關(guān)比賽、競賽中，應(yīng)用該軟件處理數(shù)據(jù)信息，不僅方便現(xiàn)場相關(guān)人員，而且大大提高了統(tǒng)計(jì)與分析時(shí)的效率。與此同時(shí)，在比賽過程中，及時(shí)地把雙方運(yùn)動(dòng)員、選手的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)的使用效果等信息，準(zhǔn)確地反饋給現(xiàn)場教練、輔助人員，這些數(shù)據(jù)可以幫助他們給參賽的選手、運(yùn)動(dòng)員給出科學(xué)、合理、有效的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)的策略，從而促進(jìn)其獲得比賽的優(yōu)勝權(quán)、主動(dòng)權(quán)。

另一方面，比賽結(jié)束之后，體育項(xiàng)目的組織、實(shí)施、參與者，如選手、教練、運(yùn)動(dòng)員、科研人員、體育事業(yè)決策管理者，可以依據(jù)這些現(xiàn)場的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、信息，全面總結(jié)、分析比賽中的失誤、優(yōu)缺點(diǎn)，以及現(xiàn)場賽事關(guān)鍵點(diǎn)，能夠針對(duì)性地制作訓(xùn)練計(jì)劃和應(yīng)對(duì)方案。

當(dāng)前，國內(nèi)的球類臨場統(tǒng)計(jì)軟件，多采用VB、VF等可視化開發(fā)語言，開發(fā)者多是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的體育工作者，他們比較了解各項(xiàng)球類技、戰(zhàn)術(shù)的特點(diǎn)，能夠詳細(xì)了解不同項(xiàng)目的教練員、競賽組織者的實(shí)際需求，能遵循球類比賽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的格式、工作慣例及軟件使用者的計(jì)算機(jī)水平，實(shí)現(xiàn)臨場統(tǒng)計(jì)的錄入、編輯、查詢、打印等功能。但是，這并不是說這些軟件領(lǐng)先于國外歐美水平，國內(nèi)開發(fā)的臨場統(tǒng)計(jì)軟件與國外的相比，在功能上還有一定的差距，我們要不斷依靠信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的新模型、新算法開發(fā)更加優(yōu)越的體育領(lǐng)域?qū)I(yè)應(yīng)用軟件或者輔助服務(wù)平臺(tái)。

2.3 金融財(cái)經(jīng)領(lǐng)域：證券模型計(jì)算

金融、證券等需要大量的計(jì)算，利用互聯(lián)網(wǎng)、模型計(jì)算等方法，解決金融、證券等活動(dòng)中的理論與實(shí)務(wù)問題，可以更準(zhǔn)確地得到目標(biāo)結(jié)果。例如：有人針對(duì)滬深市場和香港市場的指數(shù)收益率波動(dòng)進(jìn)行對(duì)比研究，借助計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)中的模型對(duì)收益分布和波動(dòng)性特征合理的描述出來，有效的解釋市場的特點(diǎn)，并且為投資決策者提供規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和實(shí)施有效監(jiān)督的參考。再如：有人通過多目標(biāo)組合證券投資模型及其計(jì)算，來求解股票問題。途徑是從國內(nèi)的滬深股市的主板、中小創(chuàng)等板塊，甄選業(yè)績持續(xù)良好的5只績優(yōu)股，作為研究樣本，研究它們在幾年（一般是3-5年）中每月開盤價(jià)、收盤價(jià)，以及結(jié)合其他股票指標(biāo)信息，利用Excel的強(qiáng)大制表功能、函數(shù)引用功能，求出樣本股票未來時(shí)期的單向期望，同時(shí)得出5只績優(yōu)股相互之間的協(xié)方差矩陣，然后構(gòu)建均值—方差資產(chǎn)組合模型目標(biāo)規(guī)劃方程及多目標(biāo)規(guī)劃方程，并求解出結(jié)果進(jìn)行分析，得出想要的結(jié)論。程球（2005）提出了一個(gè)網(wǎng)格環(huán)境下的采用分布式交易結(jié)構(gòu)的模擬證券市場的資源分配模型，并設(shè)計(jì)了交易市場的主要構(gòu)件。葛敏霞（2016）選取四組收盤價(jià)作為研究對(duì)象，首先進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)、平穩(wěn)性檢驗(yàn)、自相關(guān)性檢驗(yàn)和ARCH效應(yīng)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)四種對(duì)數(shù)收益率序列表現(xiàn)為尖峰厚尾左偏性，且是平穩(wěn)分布，具有ARCH效應(yīng)，認(rèn)為GARCH族模型能夠計(jì)算我國股票指數(shù)的波動(dòng)性。

3 結(jié)束語

進(jìn)入信息化時(shí)代，人類對(duì)信息進(jìn)行有意義、目的性的挖掘、提煉和分析，來決策行動(dòng)方向，是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。在對(duì)信息進(jìn)行這一系列處理的過程中，需大量應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算數(shù)學(xué)等方法，亟需在信息處理、加工和傳輸方面具有專長的人才。但是，我國的信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)，處于正起步、發(fā)展的階段，其對(duì)專業(yè)人才的需求應(yīng)得到社會(huì)、政府及高校的重視。我們看到，近年來，我國大多數(shù)高校中都開設(shè)了信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)，從這方面可看出我國對(duì)該專業(yè)人才培養(yǎng)的足夠重視。在高校中設(shè)立該專業(yè)，有利于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，另一方面也有利于數(shù)學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

總之，正在來臨的信息革命，不僅推動(dòng)了信息時(shí)代的發(fā)展，還為信息與計(jì)算科學(xué)的研究與應(yīng)用開創(chuàng)了光明的前景，信息技術(shù)和數(shù)學(xué)技術(shù)已經(jīng)對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，逐漸深入影響人類的生存與發(fā)展的方方面面、角角落落。

參考文獻(xiàn)：

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