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2019
02/21
08:00
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  • Donald.E.Knuth (中文名:高德纳)是算法和程序设计技术的先驱,是计算机排版系统 TEX 和 METAFONT 的发明者,他因这些成就和大量影响深远的著作(19部书和160篇论文)而誉满全球。

     

    作为斯坦福大学的荣誉退休教授,他当前正全神贯注于七卷本计算机科学的史诗性著作的后续写作。这一伟大工程在1962年他还是加州理工的研究生时就开始了。

     

    高德纳教授获得了多项奖励和荣誉,包括美国计算机协会图灵奖(ACM Turing Award),美国前总统卡特授予的科学金奖(Medal of Science),美国数学学会斯蒂尔奖(AMS Steele Prize),以及备受推崇的京都奖(Kyoto Prize)。高德纳和妻子现在生活在斯坦福校园内。


    完美主义的算法先驱


    计算机科学家高德纳与《星球大战》(Star Wars)里的绝地宗师尤达(Yoda)在某些地方如出一辙:身高足有6英尺4英寸(1米93),戴着厚厚的眼镜,但毋庸置疑,他是算法领域的精神领袖。

            

    他撰写的《计算机程序设计艺术》(The Art of Computer Programming)已连续出版四版,记录了他一生的工作成果。


    这部巨著的第一卷被《美国科学家》列入塑造整个二十世纪科学理念的重要书籍名录,与《达尔文传》、爱因斯坦、冯.诺伊曼和理查德.费曼的研究专著等量齐观。


    该论著目前已印刷了数百万册,被译成多国语言,堪称计算机科学领域的《圣经》。


    谷歌研究主管 Peter Norvig 说:

         

    “它就像一本真正的《圣经》,漫长、全面、详尽,充满洞见。”


    当然,它对读者的素养提出了很高的要求。第一卷的封底印着这样一句话:


    “如果你能攻克整本书,给我一份你的简历!”

     

    该书语言诙谐,以《烹饪宝典》(McCall's Cookbook)为题的一章这样写道:


    “这是属于你们的书,你们千里飞鸿、迫切要求我们出版的书。我们穷经皓首、经年累月才完成。只为给你带来最好、最有趣、最完美的阅读体验。”


    书中收录的算法极大的满足了数字时代读者的胃口。

     

    往前追溯,3800年前刻在巴比伦石板上的神秘文字也是一种算法。

     

    高德纳是备受尊崇的算法主义者。在计算机领域,有直接以他的名字命名的算法,比如 Knuth-Morris-Pratt 搜索算法。它在1970年代编译完成,能在一段文本中找到所有指定的单词或字母序列,被沿用至今,应用广泛。例如,当你按下 Command + F 键,就可以搜索文档中的关键字。

     

    出生于1938年的高德纳如今已步入耄耋之年,却毫无垂暮之气。日常生活中,他打扮的像个极客:短袖打底衫、长袖T恤,配牛仔裤。

     

    在早年间,他便是以这一身质朴的装扮,日复一日的站在计算机前,编译着在外人眼中单调、枯燥的源代码,在0和1之间不断转换,乐此不疲。

     

    Peter Norvig 师出其门下,是他的博士生。他说:


    “Knuth利用源代码就可以与系统进行无障碍的深度交流。现在,随着大规模编译算法的普及,我们的编程能力弱化了。普通程序员不再有兴趣花时间去敲打无趣的二进制代码,而使用高级语言,一个简单的指令就能包含复杂的抽象结构。随着共享代码网站的兴起,我们更是可以直接在资源库中调用代码。现如今,只有少数精英工程师才会深入研究代码的本源。”

     

    在加利福尼亚山景城举行的 GoogleTrips 团队会议上,Norvig 指出:


    “在谷歌,我们只会东拼西凑。当你服务于数十亿用户,保持高效至关重要。迅速响应意味着数十亿美元的收益。但是,要想真正的提升效率,必须掌握算法的根源。这方面我们很欠缺。”

     

                图:高德纳在加州理工学习期间。1963年,他在该校获得博士学位。

         

    同样供职于谷歌、高德纳的另一位弟子 Andrei Broder 在会议期间发表了如下看法:


    “我们希望我们的工作能够更专业,依赖于一定的学术基础。我们不需要轻浮、草率、二流的算法。我们不希望算法主义者指着我们的鼻子说:‘你们是蠢货!’。”

     

    2016年创建的 Google Trips 采用“移动定位算法”,是一款可以帮用户智能规划出一整天的旅游路线的应用程序。


    其实,这一看似先进的算法理念可以追溯到300年前的瑞士数学家Leonhard Euler(欧拉函数创立者,微积分的奠基人之一)。他曾尝试绘制一条从普鲁士至柯尼斯堡(Königsberg)的路线。在路上,旅行者只能穿过途中的七座桥梁各一次。

     

    高德纳在论文中详尽论述了欧拉经典问题。他甚至用欧拉的方法编程了一台由电脑控制的缝纫机。


    这就是算法的魅力!

     

    他引入了“编程文学”概念,强调代码一定要同时具备被人类和计算机可读的特性。


    这一理念表面上看上去似乎太过于古板,然而并非如此。


    高德纳甚至认为,计算机程序的优美,犹如伊丽莎白·毕晓普(Elizabeth Bishop)的诗和菲利普·罗斯(Philip Roth)的《美国牧歌》一样,在文学性上完全可以比肩普利策得奖作品。

     

    他是人尽皆知的完美主义者。《万物解释者: 复杂事物的极简说明书》(Thing  Explainer)一书的作者、“xkcd”系列漫画家 Randall Munroe 首次听闻高德纳的大名,便是他给任何在他著作中发现错误的人奖励。


    正如门罗先生所言:


    “人们将此视为计算机科学领域的诺贝尔奖。”

     

    高德纳对于文学以及其他方面的严苛标准,解释了为什么他的著作离收尾还遥遥无期。他曾和谷歌联合创始人谢尔盖·布林(Sergey Brin)以及某前学生打赌,看布林能否在自己完成所有作品之前拿到博士学位。

    算法的曙光


    19岁时,高德纳发表了他的首篇技术论文,名为“The Potrzebie of Weights and Measures”。自此,一步步成为计算机科学的奠基人之一。


    在位于克利夫兰的凯斯西储大学(Case Western Reserve University)学习期间,他研究了学校的IBM 650大型机的所有程序,发现了这个十进制计算机的不足之处,于是重写了软件和课堂上使用的教科书。


    闲暇之余,他为校篮球队运行统计数据,并编写了一个能够帮助他们赢得联赛的计算机程序。

     

    在暑假期间,高德纳通过撰写编译器赚取了可观的收入,甚至比许多教授的年收入都高。


    通俗的来说,编译器就像一个计算机领域的翻译机,能够将类似代数的高级编程语言转换为二进制之类的低级编程语言,并在此过程中改进它。

     

    在计算机科学中,“优化”是一门艺术,时机非常重要。一个广为流传的高德纳的说法是:


    “过早优化是万恶之源。”


    最终,高德纳自己成了一个“活的编译器”,不经意间开拓了一个新的领域,他称之为“算法分析”。


    后来,一位出版商请他写一本关于编译器的书,但这个念头最终演变成了人机交互的宝典——一本彻头彻尾的关于算法的著作。


    图: 1981年的高德纳,在浏览一本1957出版的

    “Mad”杂志,正是这本杂志刊印了

    他的首篇论文,时年他才19岁。


     图:高德纳所著《计算机程序设计艺术》1–4卷.

     Bill Gates 为该书的行市大张旗鼓的做宣传。

     

    语言学家试图拼凑线索,追溯“算法”一词的起源。最终,他们发现了 algiros [痛苦] +arithmos[数字]这样的玄机。


    高德纳指出:


    “在文艺复兴时期,‘算法’一词的起源令人生疑。事实上,‘算法’是9世纪的一位波斯学者Abū'AbdAllāhMuhammadibnMūsāal-Khwārizmī的拉丁译文”。


    他对这个说法深信不疑,并在1979年时年38岁时前往乌兹别克斯坦——Khwārizmī祖先的祖国进行朝圣。

     

    高德纳原本的意图是写一篇简单的文章。但不久之后,计算机学科经历了大爆炸式的发展,他改变了主意。


    在经历了一番重新构想后,他决定将这部作品分为七卷,并将每卷都细分为数册,进行详细论述。


    即将问世的第4卷第5册,是关于“回溯”和“dancing links”的算法解读,本应在圣诞节问世。却因他想囊括更多的难题,而不得不延迟至明年四月发布。

     

    长期以来,高德纳一直珍视时间。55岁退休后,他便极少在公开场合露面,并不再回复公开邮箱的电子邮件。


    知情者回忆说,早在20世纪80年代早期,紧凑的时间管理便是他众所周知的特征之一。

     

    他的作息时间很规律。通常,他在周五早上为学生答疑,接着开始在人工智能创始人约翰·麦卡锡(John McCarthy)的实验室度过他的剩余时间,在这里,他可以免费上网。

     

    随着数字出版业务的出现,书籍页面看上去杂乱无章,令人恐惧。于是,高德纳开始了创建TeX排版系统的征途。后来,这一系统成为科学传播和出版界的黄金标准。


    有人认为,这是他对世界的最大贡献,是自古腾堡印刷系统问世以来人类在出版领域的巨大飞跃。

     

    早在个人电脑尚未大规模普及时,由于夜晚可以独自享用电脑,高德纳将答疑时间安排在8点至午夜,以便自己可以挑灯夜战。


    他通宵达旦的工作,直至次日正午才沉沉睡去。

     

    据他的学生Dr. Broder回忆:


    “当我告诉我女朋友,我们周五晚上不能会面是因为当日晚上10点必须和导师见面时,她想, ‘居然有这么无厘头的理由,那一定是真的’。”

     

    然而,当高德纳亲临现场时,他总能倾其所有,展现出百分之百的状态。


    微软研究院董事总经理 Jennifer Chayes 说:


    “这让你感觉到,能够有他在身边是多么的幸运。他是这个领域当之无愧的佼佼者。如果你遇上了一个温暖而有深度的优化功能,它一定出自Knuth之手。”


    图:高德纳同字体设计师 

    Hermann Zapf 讨论字体界面。

    算法主义者的哲思


    高德纳住在斯坦福,会在周日接受访客。让他空出一整天基本没有可能。通常,他只会牺牲下午一点到四点的午睡时间。

     

    每个周日,他一早就在 Palo Alto 的第一路德教会现身,给一屋子人讲授传统的礼拜课程。在驱车回家的路上,他会思考数学的哲学性命题。 他说:


    “对未知的世界,我永远保持好奇。”

     

    他邀请笔者参观了他们夫妇在1970年代共建的房子,他称之为“加州现代”。


    妻子吉尔的主业是平面设计师。他的办公室里堆满了妻子精心设计的、用USB搭建的情人节心形艺术品。


    最令人印象深刻的是他自建音乐室里的812型管风琴。这架琴甚至登上了斯坦福的官网!


    图:斯坦福官网上展示的他的管风琴

     

    行程紧凑的一天在啤酒和拼图派对中惬意的拉下了帷幕。


    设计谜题和游戏,完成超现实主义主题小说,创作一幕长达90分钟的多媒体音乐剧《幻想曲启示录》,是一直震颤他心尖、跃跃欲试的事。

     

    他的书中有一个章节,标题是《拼图与真实世界》,里面包含了艺术家 Martin  Demaine 父子和同僚 Erik Demaine 共同创制的“算法拼图字体”。


    他通过电子邮件将章节摘录发送给了他们。 Erik Demaine 回应的很快:


    “我很激动。能够出现在书中,真是倍感荣幸。”


    他提到了高德纳的著名语录:


    “快乐是经久不衰的终极目标”。


    直到现在,这句振奋人心的话语都是两年一度的“FUN with Algorithms”主题会议的座右铭。

     

    这个领域越来越倾向于实用主义。工程师,科学家和艺术家正在联手解决诸如蛋白质折叠、机器人技术和安全气囊之类的现实问题。如何利用Demaines的数学设计将纸张折叠成不同的形状鲜有人问津。

     

    算法的复杂程度也导致了现实问题。人类编写的算法可以解决各种难题,但其中也隐藏了令人不安的错误和偏差。或许,更令人担忧的不是人类编写的代码,而是机器在自我学习与迭代之后也能顺利解锁代码的密钥。

     

    程序员仍在孜孜不倦地训练机器,为其投放海量数据。然而,正如麻省理工媒体实验室的 Kevin Slavin 所言:


    “我们正在经历着一个独特的历史时期,不断编写着自己都难以理解的算法。我们在一系列思想、行动的启示下,孕育着起源于人类、但后果无法确定的东西。”


    图:1999年,高德纳在家中的工作台上。


    图:高德纳关于算法的笔记。

     

    如果你精通算法,更能体会到数据的重要性。高德纳的学生 Norvig 博士说:


     “ 今天,程序员们普遍使用已经编好的算法,然后将它们与自己的需求相结合,在A.I领域,更是如此。他们根据数据库自动完成算法组合,而并非基于编程的创造。人们想要A.I.自动组合组件,再用数据手段检验成果。可能每个组件都来自于高德纳著述的页面或篇章,这是完成任务的最佳途径。”

     

    幸运的是,高德纳依旧坚持不懈。他认为,完成《计算机编程艺术》这一皇皇巨著还需要25年,尽管自1980年代起他就这么说。

     

    最后,他总结道:


    “算法在当今的世界上好像过于突出了。最初,计算机科学家们担心没有人倾听他们的声音,而现在我们开始担心,是不是算法受到了过度的关注,违背了它的原初?”


     - END -


    Siobhan Roberts   作者

    Circle Fang   翻译

    Sonny Sun   编辑

            Eik   排版









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