Finite Automata

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出版者:Chapman & Hall/CRC
作者:Mark V. Lawson
出品人:
页数:320
译者:
出版时间:2003-09-17
价格:USD 72.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9781584882558
丛书系列:
图书标签:
  • cs
  • combinatorics
  • automata
  • 自动机
  • 有限状态机
  • 形式语言
  • 计算理论
  • 离散数学
  • 算法
  • 数据结构
  • 计算机科学
  • 理论计算机科学
  • 图论
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具体描述

Finite Automata

Prelims

Chapter 1 - Introduction to finite automata

Chapter 2 - Recognisable languages

Chapter 3 - Non-deterministic automata

Chapter 4 - ε -automata

Chapter 5 - Kleene's Theorem

Chapter 6 - Local languages

Chapter 7 - Minimal automata

Chapter 8 - The transition monoid

Chapter 9 - The syntactic monoid

Chapter 10 - Algebraic language theory

Chapter 11 - Star-free languages

Chapter 12 - Varieties of languages

Appendix A - Discrete mathematics

Bibliography

Index

《计算的基石:有限自动机理论与应用》 本书并非一本简单的教科书,它是一次深入探索计算世界最基本构造单元——有限自动机的旅程。我们将从最朴素的层面出发,揭开这些看似简单的数学模型的强大力量,它们不仅构成了计算机科学的理论基石,更在软件开发、网络安全、自然语言处理等诸多领域扮演着不可或缺的角色。 第一部分:有限自动机的数学语言 在正式展开有限自动机的探索之前,我们首先需要建立一套严谨的数学框架。本部分将详细介绍定义有限自动机的基本概念和术语,包括: 集合论基础: 有限自动机的定义离不开对集合的精确描述。我们将回顾集合的基本运算,如并集、交集、差集,以及笛卡尔积等,为理解状态、字母表和转移函数奠定坚实基础。 字母表、字符串与语言: 语言是有限自动机的核心工作对象。我们将定义字母表(有限符号集合),在此基础上定义字符串(由字母表符号组成的序列),进而定义语言(字母表符号组成的字符串的集合)。理解语言的结构和性质,是把握自动机识别能力的关键。 有限自动机的形式化定义: 本节将提供两种主要的有限自动机构造——确定性有限自动机(DFA)和非确定性有限自动机(NFA)——的严谨数学定义。我们将深入剖析它们的组成部分:状态集合、输入字母表、转移函数、起始状态和接受状态集合。通过对比DFA和NFA的定义,读者将清晰地理解它们在确定性与非确定性处理上的根本差异,并初步了解它们之间的等价性。 状态转移图与状态转移表: 为了直观地理解自动机的运行过程,我们将引入状态转移图和状态转移表两种可视化工具。状态转移图将以图形化的方式展示状态之间的连接和转移,而状态转移表则以表格形式列出所有可能的转移。通过这些工具,读者可以轻松地追踪自动机在接收输入字符串时的状态变化。 空串与语言的空集: 我们将探讨空串(长度为零的字符串)在有限自动机中的意义,以及语言是否可能为空集。这些看似微小的细节,在理论分析中却至关重要。 第二部分:确定性有限自动机(DFA)的深入解析 DFA是有限自动机中最基本也是最易于理解的模型。本部分将围绕DFA展开详细的探讨,重点关注其构造、工作原理和识别能力。 DFA的工作原理: 我们将详细阐述DFA如何处理输入字符串。从起始状态开始,自动机会根据输入符号,按照转移函数一步步地切换状态。当输入字符串被完全读取后,如果自动机停留在接受状态,则该字符串被该DFA接受;否则,不被接受。我们将通过大量的实例分析,让读者深刻理解DFA的处理流程。 DFA的等价性: 两个DFA被认为是等价的,如果它们接受完全相同的语言。我们将介绍判断DFA等价性的方法,这对于理解不同DFA模型之间的关系以及最小化DFA至关重要。 DFA的最小化: 任何一个DFA都可以被转化为一个唯一(在同构意义下)的最小DFA,它接受相同的语言,但状态数量最少。本节将详细介绍实现DFA最小化的算法,例如区分算法和Eureka算法,以及最小化DFA的重要性,它能够简化模型,提高效率,并为后续的理论分析提供基础。 DFA的设计策略: 学习如何根据特定的语言要求设计DFA是本书的实践重点。我们将提供一系列系统性的设计方法和技巧,例如: 按位识别: 识别字符串中特定位置出现的符号。 模运算: 识别输入字符串长度满足特定模运算条件的语言。 状态编码: 利用状态的组合来表示复杂的匹配条件。 反向工程: 从语言描述推导出DFA的设计。 我们将通过大量的实际例子,例如识别特定前缀/后缀的字符串、包含特定子串的字符串、以及长度满足特定条件的字符串等,来演示这些设计策略的应用。 DFA的应用场景举例: 除了理论模型,DFA在实际工程中有着广泛的应用。本节将简要介绍DFA在文本模式匹配(如正则表达式的实现)、词法分析(编译器中的标记识别)、硬件设计(状态机控制器)等领域的初步应用。 第三部分:非确定性有限自动机(NFA)的探索 NFA在表达能力上与DFA相当,但其模型更加灵活,能够更简洁地描述某些语言。本部分将深入探讨NFA的特性。 NFA的定义与工作原理: 与DFA不同,NFA允许一个状态在接收同一个输入符号时转移到多个不同的状态,甚至允许在不消耗输入符号的情况下转移(ε-转移)。我们将详细阐述NFA的处理过程,理解其“并行”或“猜测”式的运行方式。 ε-转移的重要性: ε-转移是NFA的重要特征,它使得NFA能够更方便地表达某些复杂的语言结构。我们将分析ε-转移的作用,并探讨如何处理包含ε-转移的NFA。 NFA到DFA的转换: 这是有限自动机理论中一个核心的转换过程。本节将详细介绍“子集构造法”,它能够将任何NFA转化为一个等价的DFA。我们将深入理解子集构造法的原理,并通过实例演示如何进行转换。这一转换不仅证明了NFA的表达能力不弱于DFA,也为将NFA的简洁优势转化为DFA的确定性优势提供了方法。 NFA的简洁性优势: 尽管NFA可以转换为DFA,但在描述某些语言时,NFA的模型通常更为简洁,状态数量更少。本节将通过对比分析,展示NFA在某些情况下的优势,例如涉及“或”逻辑的语言描述。 NFA的设计策略: 尽管NFA可以直接设计,但掌握从语言描述到NFA的设计思路更为重要,尤其是利用其非确定性和ε-转移的特性。我们将探讨如何利用NFA的灵活性来简化某些语言的描述,例如利用ε-转移来合并不同的匹配模式。 第四部分:语言的分类与正则表达式 有限自动机与特定类型的语言紧密相关,即正则语言。本部分将介绍正则语言的定义,以及正则表达式作为描述正则语言的强大工具。 正则表达式的定义: 本节将全面介绍正则表达式的构成元素:字符、串联、并集、闭包(Kleene star)和正闭包(Kleene plus)。我们将详细解释每个运算符的含义,以及它们如何组合形成复杂的正则表达式。 正则表达式的性质: 我们将探讨正则表达式的基本代数性质,以及它们之间的等价关系。理解这些性质有助于简化和标准化正则表达式。 正则表达式与有限自动机的等价性: 这是有限自动机理论中的一个里程碑式的证明。我们将详细介绍两种方向的等价性证明: 从正则表达式到NFA: 介绍Thompson构造法,如何根据正则表达式的结构逐步构建一个接受相同语言的NFA。 从DFA到正则表达式: 介绍两种主要方法: 状态消除法: 通过逐步消除DFA中的状态,最终提取出描述该DFA所接受语言的正则表达式。 代数方法(如Arden引理): 利用代数方程组来推导出正则表达式。 这一系列的证明将彻底揭示正则表达式和有限自动机在表达能力上的等价性。 正则语言的特性: 本节将介绍正则语言的一些关键特性,例如: 封闭性: 正则语言在并集、交集、差集、串联、闭包等运算下是封闭的。我们将证明这些封闭性。 泵引理(Pumping Lemma for Regular Languages): 这是一个强大的工具,用于证明一个语言不是正则语言。我们将详细介绍泵引理的陈述、证明思路,并通过实例演示如何利用泵引理来反证某些语言的非正则性。 正则表达式在实际中的应用: 本节将深入探讨正则表达式在实际编程中的广泛应用,包括: 文本搜索与替换: 在各种文本编辑器、编程语言中实现强大的搜索和替换功能。 数据验证: 验证用户输入的数据格式是否符合要求(如邮箱、电话号码)。 模式匹配与提取: 从大量文本数据中提取特定模式的信息。 脚本语言与工具: 例如grep、sed、awk等Unix/Linux命令行工具中的核心功能。 我们将通过代码示例,展示如何在不同的编程语言中使用正则表达式,以及如何编写高效、准确的正则表达式。 第五部分:有限自动机的拓展与应用 在掌握了有限自动机的基本理论后,本部分将进一步探讨一些重要的拓展和实际应用。 有穷自动机与程序设计的关系: 我们将分析有限自动机模型如何指导程序设计,特别是在状态管理、流程控制、事件驱动等方面的应用。 应用案例深入分析: 编译器与解释器中的词法分析: 详细阐述词法分析器如何使用有限自动机来识别编程语言中的关键字、标识符、运算符等标记。 网络协议设计: 分析网络协议的状态转移模型,例如TCP连接的建立、关闭过程,如何用有限自动机来描述。 拼写检查与语法分析: 探讨有限自动机在简单拼写检查和初步语法结构识别中的作用。 搜索引擎的实现: 简要介绍有限自动机在索引构建和查询匹配中的潜在应用。 硬件设计与状态机: 讨论有限自动机如何用于设计数字电路中的状态控制器。 其他类型的自动机简述(作为拓展): 下推自动机(Pushdown Automata): 简单介绍下推自动机的概念,以及它们比有限自动机更强大的识别能力,能够识别上下文无关语言。 图灵机(Turing Machines): 简要介绍图灵机的概念,作为通用计算模型的代表,以及它们与有限自动机的理论层级关系。 有限自动机理论的局限性: 最后,我们将讨论有限自动机在识别能力上的局限性,以及在处理更复杂语言或计算任务时需要更强大的模型。 本书特色: 循序渐进的理论体系: 从最基础的数学概念出发,逐步构建完整的有限自动机理论体系。 丰富的数学推导与证明: 提供严谨的数学证明,帮助读者理解理论的深度和可靠性。 大量实例与图示: 通过大量的实例分析、状态转移图和图示,使抽象的理论概念形象化,易于理解。 实践导向的设计策略: 强调如何将理论知识应用于实际的DFA和正则表达式设计。 深入的实际应用探讨: 结合编译器、网络协议等实际应用场景,展示理论的价值。 严谨的数学表达与清晰的语言风格: 兼顾理论的严谨性和表达的易读性。 目标读者: 本书适合计算机科学、软件工程、人工智能、数学等相关专业的本科生、研究生,以及对计算理论、算法设计、程序开发有浓厚兴趣的工程师和研究人员。无论您是初次接触计算理论,还是希望深入理解有限自动机的精髓,本书都将是您不可或缺的参考。 通过阅读本书,您将: 建立起对计算世界最基本抽象模型的深刻理解。 掌握设计和分析有限自动机的核心技能。 熟练运用正则表达式解决实际问题。 为进一步学习更高级的计算理论打下坚实基础。 认识到这些看似简单的模型在现代计算技术中所扮演的关键角色。 《计算的基石:有限自动机理论与应用》不仅仅是一本书,更是一扇通往计算世界深层奥秘的大门。让我们一同踏上这段激动人心的学习之旅,发掘有限自动机的无限可能。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的装帧和排版质量简直是业界典范。在如今这个充斥着廉价纸张和粗糙印刷的时代,能够拿到一本在触感和视觉上都如此令人愉悦的书籍,本身就是一种享受。纸张的选择恰到好处,既有足够的厚度保证墨水不渗透,又不会因为过分光滑而产生阅读时的反光。更值得称赞的是,数学公式的渲染效果极为出色。在处理复杂的集合符号、希腊字母以及嵌套的逻辑表达式时,字体清晰锐利,间距合理,完全避免了印刷错误或模糊不清的问题,这对于精确的数学阅读至关重要。我发现自己可以长时间地沉浸在书页之间,眼睛的疲劳感明显低于阅读其他印刷品的体验。这种对物理媒介质量的重视,反映了出版方对内容本身的尊重。它不仅仅是一本信息载体,更像是一件值得收藏的工艺品。一个好的阅读体验,除了内容本身,物理属性的加分是不可忽视的,而这本书在这方面,做得无懈可击,让人愿意一遍又一遍地翻阅,享受与书本互动的过程。

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这本书的封面设计给我留下了极其深刻的印象,那种极简主义的美学风格,黑白灰的配色,仿佛直接将你拉入一个纯粹的、由逻辑构建的世界。我喜欢这种毫不拖泥带水的视觉语言,它暗示着内容将是严谨且直击核心的。初翻开目录时,我感受到的不是枯燥的理论堆砌,而是一种清晰的脉络感,从最基础的定义开始,逐步深入到更复杂的结构和应用。作者显然在组织结构上花费了巨大的心力,使得即便是初学者也能顺畅地跟随逻辑的阶梯向上攀爬。阅读过程中,我发现作者对于概念的阐述极为精准,每一个术语的引入都伴随着恰到好处的动机解释,让人明白“为什么我们需要这个工具”而非仅仅是“这个工具是什么”。尤其是在对状态转换图的介绍部分,图例清晰,示例详尽,完全避免了教科书式的晦涩难懂。它更像是一位经验丰富的导师,耐心地引导你理解抽象的数学概念是如何转化为实际的计算模型。这种教学上的用心,使得原本可能令人望而生畏的学科,变得触手可及且充满探索的乐趣。我非常欣赏这种将深奥知识“翻译”成易于理解语言的功力,它极大地降低了学习的心理门槛。

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我尝试用一个非计算机专业的视角来审视这本书,看看它是否能跨越学科的鸿沟。坦白说,这本书在概念引入上保持了较高的专业性,但在对“为什么重要”的阐述上,提供了令人信服的语境。它没有直接跳入算法的海洋,而是巧妙地将抽象的有限状态机与现实世界中的实际问题(例如,简单的协议校验或词法分析的初步概念)联系起来。这种将理论与应用场景巧妙编织在一起的处理方式,极大地增强了阅读的动力。我特别喜欢作者在讨论正则表达式的等价性时所采用的类比手法,它使得一个纯粹的数学等式拥有了直观的画面感。这本书的价值在于,它不仅告诉你如何构建和分析这些模型,更在于它培养了一种“计算思维”——一种将复杂问题分解为有限、可管理步骤的能力。对于希望提升逻辑推理能力,或对形式化方法感兴趣的工程背景人士来说,这本书提供了一个绝佳的、坚实的起点,它提供的不仅仅是知识,更是一种看待和解决问题的全新视角。

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这本书的价值远超出了其作为一本教材的定位。我发现它在后续章节中对各种扩展模型(如推入式自动机)的探讨,展现了作者对该领域发展脉络的深刻洞察。它并非停留在对经典理论的简单复述,而是对这些模型的局限性和未来可能性的探索留下了充足的空间。在很多章节的末尾,作者都设置了一些富有启发性的思考题,这些问题往往不是简单的计算或证明,而是要求读者对现有理论进行批判性地反思和扩展。这种开放式的设计,有效地鼓励了读者从被动接受知识转向主动建构知识。我个人认为,这本书最成功的地方在于,它在保持学术严谨性的同时,成功地激发了读者的好奇心,让人在合上书本后,依然能对“计算的本质边界在哪里”这个问题进行长久的思索。它像是一扇门,为你打开了通往更广阔计算理论世界的大门,并且明确指出了未来探索的方向,极具前瞻性和引导性。

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我必须承认,我带着一种混合着敬畏与期待的心情来阅读这本书的。它的篇幅虽然不至于让人望而却步,但其内容的密度和深度,着实需要读者投入百分之百的专注力。这本书的行文风格非常“古典”,带着一种严谨的数学论证的韵味,仿佛每一个定理的证明都经过了千锤百炼的打磨。它不是那种提供大量“花哨”应用案例来冲淡核心概念的读物;恰恰相反,它坚持将理论的根基打牢。我特别欣赏作者在处理非正则语言和图灵机可判定性时的处理方式,那种层层递进的、不容置疑的逻辑推导,让人在阅读时会不自觉地停下来,在脑海中重演一遍推导过程,以确保自己完全跟上了作者的思路。这是一种需要“慢读”的书,它拒绝肤浅的浏览,要求读者真正去消化每一个证明的每一个步骤。对于那些追求理论完备性和数学严谨性的读者来说,这本书无疑是一座宝库。它不像市面上某些为了迎合市场而简化内容的读物,它忠实地保留了该领域最纯粹的数学本质,这一点,对于希望深入研究计算理论的人来说,是极其宝贵的。

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