《離散數(shù)學(xué)及其應(yīng)用》全面系統(tǒng)地介紹了離散數(shù)學(xué)的基本理論與應(yīng)用技術(shù),內(nèi)容主要包括集合與關(guān)系理論、組合計(jì)算方法與應(yīng)用、整數(shù)與算法設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)理邏輯演算與推理、圖模型的基本理論與算法、抽象代數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)等!峨x散數(shù)學(xué)及其應(yīng)用》注重知識(shí)的應(yīng)用性、表達(dá)的可讀性和體系的完備性,將分布在不同數(shù)學(xué)分支的離散數(shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行凝練和優(yōu)化,形成一套相對(duì)完備的離散數(shù)學(xué)知識(shí)體系,并且在每個(gè)章節(jié)穿插豐富的應(yīng)用實(shí)例,使得讀者在學(xué)習(xí)離散數(shù)學(xué)理論知識(shí)的同時(shí),還能比較系統(tǒng)地掌握離散數(shù)學(xué)的應(yīng)用知識(shí)。《離散數(shù)學(xué)及其應(yīng)用》用通俗易懂的語(yǔ)言深入淺出地表達(dá)知識(shí)內(nèi)容,著重突出數(shù)學(xué)概念和定理的思想、本質(zhì),而不僅僅是形式化描述,使得廣大讀者能夠通過(guò)自己的努力就可以不太困難地掌握離散數(shù)學(xué)的內(nèi)容。另外,每章均配有一定數(shù)量的習(xí)題,供讀者練習(xí)。
《離散數(shù)學(xué)及其應(yīng)用》內(nèi)容豐富、思路清晰、實(shí)例講解詳細(xì)、圖例直觀形象,適合作為計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的本科生教材,也可供工程技術(shù)人員和自學(xué)讀者學(xué)習(xí)參考。
在保證表達(dá)準(zhǔn)確的前提下,盡可能用通俗易懂的語(yǔ)言深入淺出地介紹離散數(shù)學(xué),著重突出數(shù)學(xué)概念和定理的思想、本質(zhì)。
本書在每個(gè)章節(jié)穿插豐富的應(yīng)用實(shí)例,使得讀者在學(xué)習(xí)離散數(shù)學(xué)理論知識(shí)的同時(shí),還能夠系統(tǒng)地掌握離散數(shù)學(xué)的應(yīng)用知識(shí)。
涵蓋集合論、數(shù)理邏輯、圖論、數(shù)論、組合分析、代數(shù)結(jié)構(gòu)全部六個(gè)數(shù)學(xué)分支的基本內(nèi)容。
一般來(lái)說(shuō),科學(xué)技術(shù)的專業(yè)研究或研發(fā)需要解決如下四個(gè)層次的基本問(wèn)題:首先,要有一個(gè)基本的思想或創(chuàng)意;其次,建立一套基本理論支撐這個(gè)思想或創(chuàng)意;再次,用相關(guān)的數(shù)學(xué)理論或模型來(lái)量化表示、分析這套理論;最后,根據(jù)數(shù)學(xué)理論或數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)若干理論問(wèn)題的求解,實(shí)現(xiàn)想法或創(chuàng)意。比如說(shuō),希望人類能像鳥(niǎo)兒一樣在天上飛翔。這就是一個(gè)想法,從專業(yè)角度看,要實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法就必須建立一套空氣動(dòng)力學(xué)理論來(lái)論證該想法的合理性、可行性,使用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)該理論的定量分析并探索問(wèn)題的求解方案。具體地說(shuō),就是建立若干代數(shù)方程或微分方程實(shí)現(xiàn)對(duì)該理論的數(shù)學(xué)建模,并通過(guò)求解這些方程探索飛行器設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題的求解方案。因此,任何一門科學(xué)技術(shù)專業(yè)都有一套與之緊密相關(guān)的數(shù)學(xué)理論為其提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和定量分析工具。
我們知道,18世紀(jì)機(jī)械工業(yè)革命的核心技術(shù)物理學(xué)、力學(xué)取得了巨大進(jìn)步,而支撐物理學(xué)、力學(xué)巨大進(jìn)步的基礎(chǔ)正是微積分的發(fā)明和發(fā)展。如今,我們已經(jīng)進(jìn)入信息社會(huì),信息社會(huì)的核心是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。那么,作為能夠有效支撐物理學(xué)的微積分是否能有效支撐計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)呢?很遺憾,答案是否定的。微積分雖然能夠解決計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)的部分問(wèn)題,但是不足以完全支撐整個(gè)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上是一種離散系統(tǒng),只能進(jìn)行有限次計(jì)算或信息處理,而且要求所用求解方法必須是滿足規(guī)定處理效率的構(gòu)造性方法。然而,微積分以極限或無(wú)限為基礎(chǔ),在很多方面難以滿足計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的需要。因此,對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),除了要學(xué)好微積分等現(xiàn)有工科數(shù)學(xué)之外,還必須牢固掌握與計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)緊密相關(guān)的計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)學(xué)。
由于計(jì)算機(jī)是一種離散系統(tǒng),處理對(duì)象是離散量或離散化的連續(xù)量。因此,通常將計(jì)算機(jī)專業(yè)數(shù)學(xué)稱為離散數(shù)學(xué)。離散數(shù)學(xué)包含了人類在創(chuàng)造、運(yùn)用和研究計(jì)算機(jī)過(guò)程中所使用的基本數(shù)學(xué)方法和數(shù)學(xué)思想,以及與這些數(shù)學(xué)問(wèn)題相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)?梢赃@樣說(shuō),正如微積分支撐了作為近代工業(yè)文明基礎(chǔ)的物理學(xué),離散數(shù)學(xué)支撐了作為現(xiàn)代信息社會(huì)基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。事實(shí)上,學(xué)好離散數(shù)學(xué)不僅可以為計(jì)算機(jī)后續(xù)幾乎所有軟硬件專業(yè)課程奠定必需的入門知識(shí)基礎(chǔ),而且能夠培養(yǎng)出良好的邏輯思維、算法思維和抽象思維能力,為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。
離散數(shù)學(xué)是一門綜合數(shù)學(xué)學(xué)科,主要包括集合論、數(shù)理邏輯、圖論、數(shù)論、組合分析、代數(shù)結(jié)構(gòu)六個(gè)數(shù)學(xué)分支,分別從不同角度出發(fā)研究各種離散數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)、分析離散量之間數(shù)與形的關(guān)系,以充分滿足計(jì)算機(jī)相關(guān)學(xué)科對(duì)離散量進(jìn)行表示和處理的數(shù)學(xué)需求。離散數(shù)學(xué)所含知識(shí)內(nèi)容廣泛,涉及多個(gè)不同的數(shù)學(xué)分支和思維方式,為廣大初學(xué)者學(xué)習(xí)和掌握離散數(shù)學(xué)知識(shí)帶來(lái)一定困難。為此,編者編寫了這本離散數(shù)學(xué)教程,以較好地滿足廣大讀者系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握離散數(shù)學(xué)知識(shí)的需要。關(guān)于本書的編寫,編者著重考慮如下三個(gè)要點(diǎn):
第一,強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性。一項(xiàng)知識(shí)有了具體的應(yīng)用,大家自然會(huì)感興趣,興趣是最好的老師和學(xué)習(xí)動(dòng)力。因此,本書在每個(gè)章節(jié)穿插豐富的應(yīng)用實(shí)例,使得讀者在學(xué)習(xí)離散數(shù)學(xué)理論知識(shí)的同時(shí),還能夠系統(tǒng)地掌握離散數(shù)學(xué)的應(yīng)用知識(shí)。
第二,強(qiáng)調(diào)可讀性。本書站在本科生低年級(jí)的思維角度進(jìn)行編寫,在保證表達(dá)準(zhǔn)確的前提下,盡可能用通俗易懂的語(yǔ)言深入淺出地介紹離散數(shù)學(xué),著重突出數(shù)學(xué)概念和定理的思想、本質(zhì),而不僅僅是形式化描述,使得廣大讀者能夠通過(guò)自己的努力就可以不太困難地掌握離散數(shù)學(xué)的基本理論和應(yīng)用知識(shí)。
第三,強(qiáng)調(diào)完備性。本書旨在為整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科提供一套相對(duì)完備的基本數(shù)學(xué)理論,涵蓋集合論、數(shù)理邏輯、圖論、數(shù)論、組合分析、代數(shù)結(jié)構(gòu)全部六個(gè)數(shù)學(xué)分支的基本內(nèi)容,通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的凝練和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得這六部分內(nèi)容形成一個(gè)完備統(tǒng)一的整體。
全書內(nèi)容一共分為十章和附錄: 第1章和第2章是全書最基礎(chǔ)的知識(shí)。第1章主要介紹集合、自然數(shù)與組合計(jì)數(shù)的初步知識(shí);第2章將自然數(shù)集合這種最基本的離散結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到整數(shù)集合,考察整數(shù)的基本理論,并以整數(shù)算法為切入點(diǎn)討論算法的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)策略。 第3章和第4章介紹數(shù)理邏輯的基本知識(shí),為后續(xù)內(nèi)容提供邏輯表達(dá)和處理工具。第3章主要介紹命題邏輯演算與推理;第4章則是將數(shù)理邏輯由命題判斷的層次進(jìn)一步推進(jìn)到更為精細(xì)復(fù)雜的概念層次,考察基于概念演算的謂詞邏輯。
隨后的連續(xù)三章介紹關(guān)系的基本理論與應(yīng)用。第5章從集合的角度介紹關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,包括關(guān)系的基本概念、運(yùn)算和性質(zhì);第6章主要介紹等價(jià)、相容和偏序這三種特殊關(guān)系的數(shù)學(xué)模型與性質(zhì);第7章主要從關(guān)系的角度考察函數(shù)與映射的概念,可以看成是關(guān)系理論的一種應(yīng)用。其實(shí),關(guān)系理論是整個(gè)離散數(shù)學(xué)知識(shí)體系的樞紐,一頭聯(lián)系集合論,另一頭聯(lián)系圖論,同時(shí)關(guān)系數(shù)學(xué)模型的表達(dá)和演算還可以看成是謂詞邏輯的一個(gè)直接應(yīng)用。
前言
第1章集合與計(jì)數(shù)基礎(chǔ)
1.1集合的基本知識(shí)
1.1.1數(shù)學(xué)危機(jī)與集合論
1.1.2集合的概念與表示
1.1.3集合的基本運(yùn)算
1.1.4集合的二進(jìn)制表示
1.2可數(shù)集與不可數(shù)集
1.2.1無(wú)限集的度量問(wèn)題
1.2.2自然數(shù)集的定義
1.2.3無(wú)限集的基數(shù)比較
1.3有限集的基本計(jì)數(shù)技術(shù)
1.3.1加法原理與乘法原理
1.3.2容斥原理與鴿籠原理
1.3.3排列計(jì)數(shù)與組合計(jì)數(shù)
1.4有限集的高級(jí)計(jì)數(shù)技術(shù)
1.4.1遞推關(guān)系計(jì)數(shù)法
1.4.2遞推關(guān)系的求解
1.4.3生成函數(shù)計(jì)數(shù)法
1.5習(xí)題
第2章整數(shù)與算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
2.1整數(shù)的基本知識(shí)
2.1.1整數(shù)與整數(shù)除法
2.1.2整數(shù)的因數(shù)分解
2.1.3素?cái)?shù)的性質(zhì)與查找
2.2同余算術(shù)及其應(yīng)用
2.2.1同余關(guān)系及其運(yùn)算
2.2.2同余方程與方程組
2.2.3整數(shù)加密算法
2.3算法設(shè)計(jì)的基本知識(shí)
2.3.1算法的基本概念
2.3.2算法效率的度量
2.3.3算法設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例
2.4算法設(shè)計(jì)策略與應(yīng)用
2.4.1蠻力與貪心策略
2.4.2遞歸與分治策略
2.4.3回溯與動(dòng)態(tài)規(guī)劃策略
2.5習(xí)題
第3章命題演算與推理
3.1命題的概念與運(yùn)算
3.1.1邏輯與命題邏輯
3.1.2命題的基本概念
3.1.3命題的常用聯(lián)結(jié)詞
3.2命題公式與等值演算
3.2.1命題公式的基本知識(shí)
3.2.2等值關(guān)系與等值演算
3.2.3公式的內(nèi)否與對(duì)偶
3.3聯(lián)結(jié)詞的完備集
3.3.1聯(lián)結(jié)詞的枚舉
3.3.2聯(lián)結(jié)詞的完備性
3.3.3聯(lián)結(jié)詞的應(yīng)用
3.4命題公式的范式
3.4.1范式的基本概念
3.4.2主析取范式
3.4.3主合取范式
3.4.4主范式間的聯(lián)系
3.5命題邏輯的演繹推理
3.5.1永真蘊(yùn)含關(guān)系與判定
3.5.2命題公式推演系統(tǒng)
3.5.3命題推證的基本策略
3.6命題邏輯的應(yīng)用
3.6.1刑偵推斷問(wèn)題
3.6.2組合邏輯電路設(shè)計(jì)
3.6.3加法器電路設(shè)計(jì)
3.7習(xí)題
第4章謂詞演算與推理
4.1個(gè)體詞、謂詞與量詞
4.1.1邏輯與謂詞邏輯
4.1.2命題函數(shù)與謂詞
4.1.3量詞與特性謂詞
4.2謂詞公式與等值演算
4.2.1謂詞公式的概念
4.2.2變量的自由與約束
4.2.3謂詞公式的解釋與分類
4.2.4謂詞公式的等值與蘊(yùn)含
4.3謂詞公式的范式
4.3.1等值型范式
4.3.2非等值型范式
4.4謂詞邏輯的推理
4.4.1謂詞公式的推演系統(tǒng)
4.4.2謂詞推證的基本方法
4.4.3謂詞推理實(shí)例選講
4.5謂詞邏輯的應(yīng)用
4.5.1摘香蕉問(wèn)題
4.5.2水容器問(wèn)題
4.6習(xí)題
第5章關(guān)系模型與理論
5.1關(guān)系的數(shù)學(xué)模型
5.1.1序偶與笛卡兒積
5.1.2關(guān)系的概念
5.1.3關(guān)系的表示
5.2關(guān)系的基本運(yùn)算
5.2.1關(guān)系的集合運(yùn)算
5.2.2關(guān)系的復(fù)合運(yùn)算
5.2.3冪關(guān)系與逆關(guān)系
5.3關(guān)系的基本性質(zhì)
5.3.1關(guān)系的自反與反自反
5.3.2關(guān)系的對(duì)稱與反對(duì)稱
5.3.3關(guān)系的傳遞性
5.3.4關(guān)系性質(zhì)的判定
5.4關(guān)系的性質(zhì)閉包
5.4.1關(guān)系閉包的概念
5.4.2傳遞閉包的構(gòu)造
5.4.3關(guān)系閉包的性質(zhì)
5.5關(guān)系模型的應(yīng)用
5.5.1關(guān)系代數(shù)模型
5.5.2關(guān)系演算模型
5.6習(xí)題
第6章特殊關(guān)系模型
6.1等價(jià)關(guān)系與元素分類
6.1.1等價(jià)關(guān)系與等價(jià)類
6.1.2集合的劃分與商集
6.2相容關(guān)系與元素聚類
6.2.1相容關(guān)系與相容類
6.2.2集合的覆蓋
6.3偏序關(guān)系與元素比較
6.3.1偏序關(guān)系與哈斯圖
6.3.2偏序集的特殊元素
6.3.3全序與良序
6.4特殊關(guān)系的應(yīng)用
6.4.1粗集定義問(wèn)題
6.4.2得分評(píng)判問(wèn)題
6.5習(xí)題
第7章函數(shù)與特殊函數(shù)
7.1函數(shù)的基本概念
7.1.1函數(shù)的集合定義
7.1.2函數(shù)的基本類型
7.1.3常用特殊函數(shù)
7.2函數(shù)的基本運(yùn)算
7.2.1函數(shù)的復(fù)合運(yùn)算
7.2.2函數(shù)的逆運(yùn)算
7.2.3函數(shù)的遞歸運(yùn)算
7.3集合的特征函數(shù)
7.3.1特征函數(shù)的概念
7.3.2特征函數(shù)的運(yùn)算
7.4有限集的置換函數(shù)
7.4.1置換函數(shù)的概念
7.4.2置換函數(shù)的運(yùn)算
7.4.3置換的輪換分解
7.5函數(shù)關(guān)系的應(yīng)用
7.5.1哈希查找問(wèn)題
7.5.2寬帶分配問(wèn)題
7.6習(xí)題
第8章圖的基本理論與算法
8.1圖的概念與表示
8.1.1圖模型的由來(lái)
8.1.2圖的定義與分類
8.1.3圖的表示方法
8.2圖的運(yùn)算與結(jié)構(gòu)
8.2.1圖的基本運(yùn)算
8.2.2圖模型的度結(jié)構(gòu)
8.2.3圖同構(gòu)及其判定
8.3圖的通路與連通性
8.3.1通路的概念與計(jì)數(shù)
8.3.2可達(dá)性及其判定
8.3.3無(wú)向圖的連通性
8.3.4有向圖的連通性
8.4圖模型的基本算法
8.4.1深度優(yōu)先搜索
8.4.2廣度優(yōu)先搜索
8.4.3單源最短路徑
8.4.4多源最短路徑
8.5圖模型的應(yīng)用
8.5.1交通燈相位問(wèn)題
8.5.2作業(yè)規(guī)劃問(wèn)題
8.5.3機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題
8.6習(xí)題
第9章樹(shù)的基本理論與算法
9.1無(wú)向樹(shù)的基本知識(shí)
9.1.1無(wú)向樹(shù)的概念與性質(zhì)
9.1.2無(wú)向圖的生成樹(shù)
9.1.3最小生成樹(shù)
9.2根樹(shù)的基本知識(shí)
9.2.1有向樹(shù)與根樹(shù)
9.2.2根樹(shù)的基本算法
9.2.3前綴碼與最優(yōu)樹(shù)
9.3特殊根樹(shù)與算法
9.3.1平衡樹(shù)模型
9.3.2紅黑樹(shù)模型
9.3.3B樹(shù)模型
9.4樹(shù)模型的應(yīng)用
9.4.1找假幣問(wèn)題
9.4.2輪流摸牌問(wèn)題
9.4.3關(guān)鍵道路問(wèn)題
9.5習(xí)題
第10章特殊圖模型與算法
10.1歐拉圖與哈密頓圖
10.1.1歐拉圖及其性質(zhì)
10.1.2哈密頓圖及其性質(zhì)
10.1.3中國(guó)郵路問(wèn)題
10.2二分圖與匹配問(wèn)題
10.2.1二分圖的概念與性質(zhì)
10.2.2完備匹配與最大匹配
10.2.3最大匹配判定與構(gòu)造
10.3平面圖與著色問(wèn)題
10.3.1平面圖的概念與性質(zhì)
10.3.2平面圖的對(duì)偶圖
10.3.3著色問(wèn)題與算法
10.4網(wǎng)絡(luò)流圖及其優(yōu)化問(wèn)題
10.4.1流網(wǎng)絡(luò)與切割
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