Introduction to the Theory of Computation

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出版者:PWS Pub. Co.
作者:Michael Sipser
出品人:
页数:416
译者:
出版时间:1996-12-13
价格:0
装帧:Hardcover
isbn号码:9780534947286
丛书系列:
图书标签:
  • 计算理论
  • 计算机科学
  • 计算机
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  • 理论计算机科学
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具体描述

This book is aimed as an introductory text book on computer science theory. The book is suited for both undergraduate and graduate studies. The first three chapters of the book, regular expressions, context free languages and the Church-Turing thesis are apt for an introductory class for the undergraduate level. The remaining 7 chapters provide more than enough content for advanced undergraduate or graduate studies.

This is the first book on computer science theory that I have seen, which is actually written in understandable English. As compared to the previous introductory texts by Hopcroft or Papadimitriou, Sipser shuns writting the entire book using just symbols of formal mathematics. This is not to say that there is no formalism in the book. There is adequate use of formal mathematics in the proofs of the book, but not so much as to scare even in most intrepid readers like in previous books on this subject.The fact I liked most about this book is that every proof in the book is accompanied by a "Proof Idea" which explains using diagrams and plain english how exactly the proof works. This followed by the formal proof. The problems at the end of each chapter are fairly interesting, and some of the * marked problems can be fairly challenging for a first time student.

Another amazing thing about this book is the amount of content it covers. I would have never expected a book of only 400 pages to cover computer science theory all the way from introductory undergraduate to advanced graduate levels. This is because, the author focuses only on core concepts and strives to make them as clear as possible. For example, this book has only one chapter on regular expressions, while every other book that I have seen has at least 3-4 chapters full of gory details. This is because Sipser does not go into the gory mechanical details of converting DFAs to NFAs, or writing Turing machines and so on, but instead explains just the important concepts and gives a few examples. Also a wealth of information is to be found in the problems at the end of the chapter. Many of these problems like the Myhill-Nerode theorem are of the kind you will find actually proved in other texts, but left as an exersice here. This is because they are relatively simple to prove once all the concepts are understood. Moreover an educator has the option of which of these problems they want to delve deeper into.

Any student who studies or wishes to study computer science theory should definitely get their hands on this book, irrespective of whether they have already used a different book.

本篇介绍来自amazon.com读者评价

《数字世界的基石:深入探索算法、计算与语言的奥秘》 在我们生活的数字时代,无论是智能手机的便捷交互、互联网的信息洪流,还是人工智能的飞速发展,背后都有一套严谨而深邃的理论支撑。这本书,将带您踏上一段关于“计算”本质的探索之旅,揭示驱动这一切的底层逻辑,让您不仅能使用这些技术,更能理解它们为何如此工作,以及它们的边界何在。 一、计算的语言:形式化语言与自动机 我们与计算机沟通,依赖的是编程语言。但编程语言的背后,是更抽象、更基础的“形式化语言”的概念。本书将从最简单的字母表和字符串开始,逐步构建出有限自动机(Finite Automata, FA)、下推自动机(Pushdown Automata, PDA)等一系列模型。 有限自动机:状态的转变与识别。 想象一个简单的售票机,它根据投入的硬币数量和按钮的按下,转换到不同的“状态”,最终决定是否出票。有限自动机正是这种基于状态的、记忆有限的计算模型。我们将学习如何用正则表达式(Regular Expressions)来描述有限自动机所能识别的语言,例如,如何精确地匹配一串由特定字符组成的电子邮件地址,或者如何识别一个合法的URL。我们还将深入探讨确定性有限自动机(DFA)与非确定性有限自动机(NFA)之间的等价性,理解它们各自的优势与应用场景。 下推自动机:栈的引入与更强大的识别能力。 有限自动机虽然强大,但在处理一些更复杂的结构时,如匹配成对的括号,就显得力不从心了。这时,我们引入了“栈”(Stack)这一数据结构,诞生了下推自动机。它能够记住更长的历史信息,从而识别更广泛的语言,例如上下文无关语言(Context-Free Languages)。我们会通过解析算术表达式、理解编程语言的语法结构等实际例子,来体会下推自动机的威力。 形式化语言的层级:从正则到递归可枚举。 本书将清晰地勾勒出形式化语言的层级结构,从最基础的正则语言,到更强大的上下文无关语言,再到递归可枚举语言,每一层级都对应着更强大的计算模型。我们将学习它们之间的包含关系,理解为何有些语言能被简单识别,而另一些则需要更复杂的计算过程。 二、计算的极限:可计算性理论 有了计算的模型,我们自然会问:计算机究竟能计算什么?哪些问题是计算机无法解决的?这就是可计算性理论所要探讨的核心问题。 图灵机的诞生:抽象的通用计算模型。 在形式化语言和自动机的基础上,图灵机(Turing Machine)被提出,它是一个极为简洁却功能强大的抽象计算模型。我们可以把它想象成一个无限长的纸带、一个读写头和一个状态寄存器。尽管简单,图灵机却能够模拟任何我们能想到的算法,因此被认为是“通用计算模型”。我们将详细解析图灵机的构造和工作原理,并证明它能够执行任何可计算的任务。 可判定性与不可判定性:问题的界限。 很多看似简单的问题,当它们变得足够普适时,却可能无法被任何算法解决。例如,停机问题(Halting Problem):给定一个任意的程序和一个输入,我们是否总能判断出该程序是否会在有限时间内停止运行?本书将通过严谨的数学证明,揭示诸如停机问题、图灵机是否接受某个字符串等问题的不可判定性,这为我们理解计算的固有局限性提供了深刻的洞见。 可规约性:问题之间的关系。 很多不可判定问题之间并非孤立存在,它们可以通过“规约”(Reduction)联系起来。如果一个问题A可以规约到另一个问题B,意味着如果我们能解决问题B,那么我们就能解决问题A。这种思想对于理解不同问题的计算复杂度以及证明新的不可判定性问题至关重要。 三、计算的效率:计算复杂度理论 即使一个问题是可计算的,但解决它的时间或空间成本可能高到无法接受。计算复杂度理论正是研究算法效率的领域,它关注的是解决问题所需的资源(主要是时间)与问题规模之间的关系。 P类与NP类问题:速度的较量。 我们将接触到计算复杂度理论中最核心的概念:P类问题(Polynomial time problems)和NP类问题(Nondeterministic polynomial time problems)。P类问题是可以在多项式时间内解决的问题,例如排序、查找等,它们通常被认为是“易于解决”的。而NP类问题虽然可以在非确定性机器上以多项式时间解决,但对于确定性机器而言,目前仍未找到多项式时间解法。例如,旅行商问题、图的着色问题等都属于NP类问题。 NP-完全性:最难的NP问题。 在NP类问题中,有一类特殊的“NP-完全”问题(NP-complete problems)。它们不仅属于NP类,而且任何一个NP类问题都可以规约到它们。这意味着,如果有人能够找到一个NP-完全问题的多项式时间解法,那么整个NP类问题都能被多项式时间解决,这将是计算领域的一次革命。本书将深入探讨NP-完全性的概念,并介绍一些典型的NP-完全问题。 复杂性类的层次:从P到PSPACE。 除了P和NP,我们还将探索更广泛的复杂性类,如NP-hard(NP难问题,不一定在NP类中,但比NP完全问题更难)、EXPTIME(指数时间问题)等。通过理解这些复杂性类之间的包含关系,我们可以更清晰地认识到不同类型问题的计算难度差异。 本书的价值与启示: 通过对形式化语言、可计算性以及计算复杂度的深入学习,您将获得: 对计算本质的深刻理解: 告别“黑箱”操作,理解计算机工作的基本原理和模型。 洞察算法的局限性: 认识到并非所有问题都能被高效解决,理解计算的固有边界。 培养严谨的逻辑思维: 学习如何进行形式化定义、数学证明和抽象推理。 为高级学习奠定基础: 为学习编译原理、操作系统、人工智能、算法设计等更高级的计算机科学课程打下坚实的基础。 提升解决复杂问题的能力: 能够从更抽象的层面分析问题,设计更优化的解决方案,或者判断某些问题是否可能存在高效解。 无论您是计算机科学的初学者,还是希望深化理论知识的研究者,亦或是对数字世界充满好奇的探索者,这本书都将是您不可或缺的向导。它将带领您穿越理论的迷宫,抵达理解计算的智慧之巅,让您以全新的视角审视我们所处的这个由代码和算法构建的宏伟世界。

作者简介

Michael Fredric Sipser (born September 17, 1954) is a theoretical computer scientist who has made early contributions to computational complexity theory. He is a professor of Applied Mathematics and Dean of Science at the Massachusetts Institute of Technology.

目录信息

Preface
To the student
To the educator
The current edition
Feedback to the author
Acknowledgments
0 Introduction
0.1 Automata, Computability, and Complexity
0.2 Mathematical Notions and Terminology
0.3 Definitions, Theorems, and Proofs
0.4 Types of Proofs
Part One: Automata and Languages
1 Regular Languages
1.1 Finite Automata
1.2 Nondeterminism
1.3 Regular Expression
1.4 Nonregular Languages
2 Context-Free Languages
2.1 Context-Free Grammar
2.2 Pushdown Automata
2.3 Non-Context-Free Languages
Part Two: Computability Theory
3 The Church-Turing Thesis
3.1 Turing Machines
3.2 Variants of Turing Machines
3.3 The Definition of Algorithm
4 Decidability
4.1 Decidable Languages
4.2 The Halting Problem
5 Reducibility
5.1 Undecidable Problems from Language Theory
5.2 A Simple Undecidable Problem
5.3 Mapping Reducibility
6 Advanced Topics in Computability Theory
6.1 The Recursion Theorem
6.2 Decidability of Logical Theories
6.3 Turing Reducibility
6.4 A Definition of Information
Part Three: Complexity Theory
7 Time Complexity
7.1 Measuring Complexity
7.2 The Class P
7.3 The Class NP
7.4 NP-Completeness
7.5 Additional NP-Complete Problems
8 Space Complexity
8.1 Savitch's Theorem
8.2 The Class PSPACE
8.3 PSPACE-Completeness
8.4 The Classes L and NL
8.5 NL-Completeness
8.6 NL equals coNL
9 Intractability
9.1 Hierarchy Theorems
9.2 Relativization
9.3 Circuit Complexity
10 Advanced Topics in Complexity Theory
10.1 Approximation Algorithms
10.2 Probabilistic Algorithms
10.3 Alternation
10.4 Interactive Proofs Systems
10.5 Parallel Computation
10.6 Cryptography
Selected Bibliography
Index
· · · · · · (收起)

读后感

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事知其然而后知其所以然。 现代计算机体系的构建,图灵机的数学模型的实现,正是指出了这道创世纪的光。 现在书里面的内容已经忘记的差不多了,只是记得不断的证明,一步步的证明,充满了智慧的光芒。 总之,是一本好的数学书。  

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本书的作者是著名的计算理论方面专家,麻省理工学院应用数学系主任 M. Sipser。全书分为11章,并附有部分习题解答。全书思路清晰,由浅入深,内容详细,是一本零起点学习计算理论的理想教材。我是出于研究需要阅读此书的。其中第零章简要介绍了所需要的基本数学知识。第一到三...

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在所有我看过的计算理论、可计算性、计算复杂度的教材中,Sipser的这本Introduction to the Theory of Computation是最适合入门的。把计算理论这么个艰深的学问讲解得清晰简洁,直观易懂。而且涵盖了计算理论的各个经典内容。作为一本introduction,真是再好不过了。 计算理论...  

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本书的作者是著名的计算理论方面专家,麻省理工学院应用数学系主任 M. Sipser。全书分为11章,并附有部分习题解答。全书思路清晰,由浅入深,内容详细,是一本零起点学习计算理论的理想教材。我是出于研究需要阅读此书的。其中第零章简要介绍了所需要的基本数学知识。第一到三...

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让人了解计算机的本质,它的能力与它的局限性。 计算理论课的教材,上课上的很累,但很有收获。我觉得没读过这本书的不好意思说自己是Computer Science专业毕业的。  

用户评价

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关于书中的案例和习题设计,我只能用“匠心独运”来形容。它们并非简单的重复性练习,每一个问题似乎都在精心设计,旨在暴露某个特定理论的细微之处或潜在的陷阱。我花了大量时间在处理某些证明题上,其中一些甚至需要我跳出常规的思维定式,尝试从更宏观的角度去审视问题。特别是那些关于判定性问题和复杂性类别的讨论部分,作者巧妙地引入了一些经典的、具有里程碑意义的研究成果作为例证,让理论不再是空中楼阁,而是深深扎根于计算机科学历史的沃土之中。完成这些挑战性的练习后,我感觉自己的解决问题的能力得到了质的飞跃,这已经超越了学习知识的层面,更像是一场智力上的耐力考验和蜕变过程。

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这本书的结构布局堪称教科书级别的典范,其层次分明,脉络清晰,令人印象深刻。从基础的有限状态自动机开始,稳步攀升到图灵机的模型构建,再到不可判定性的深入探讨,整个知识体系的搭建是渐进且无缝连接的。我特别欣赏作者在引入新概念时所采取的策略,总会先回顾前面已经建立的知识基础,确保读者不会在攀爬的过程中迷失方向。对于那些希望系统性掌握该领域知识框架的人来说,这本书提供了一个近乎完美的蓝图。它不仅仅是知识的堆砌,更像是一套精心设计的认知地图,指引读者从最基础的计算单元,一步步走向计算理论的最前沿和最深刻的哲学思考。

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坦白说,这本书的深度和广度,让我感觉自己像是站在了一座理论的巨人的肩膀上,获得了俯瞰整个计算疆域的视野。它探讨的问题,关乎“什么可以被计算,什么永远不能被计算”的终极命题,这种宏大的哲学思辨贯穿始终,让人在处理具体的技术细节时,也充满了对计算本质的敬畏感。它不仅仅是一本技术书籍,更像是一份对理性思维的宣言,它教会你如何用最纯粹的逻辑去质疑、去构建、去证明。我从中获得的启发,已经远远超出了课程本身的要求,它塑造了一种看待技术、看待问题、乃至看待世界运行规律的全新底层逻辑框架,其价值是无可估量的。

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我必须得说,这本书的语言风格实在是太“克制”了,它仿佛是一位技艺精湛的工匠,用最精确的工具雕刻每一个句子,几乎找不到任何可以被挑剔的冗余词汇。初读时,我感到有些吃力,因为它毫不留情地直击核心概念,没有太多“暖场”的叙述,更别提那些迎合初学者的冗长比喻。这需要读者具备一定的数学基础和专注力,一旦跟上了作者的思维节奏,那种豁然开朗的感觉,是其他任何通俗读物都无法比拟的。它像是一部精密的算法手册,每一条定义和定理都如同不容置疑的公理,严丝合缝,逻辑链条坚不可摧。对于那些追求极致严谨性的读者来说,这本书无疑是一股清流,它挑战你的思维极限,迫使你用最纯粹的逻辑去理解计算的本质边界。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴,那种深邃的蓝与烫金的字体组合,透露出一种沉稳而又不失深邃的学术气质。我一拿到手,就忍不住被那种厚重感所吸引,仿佛握住的不是一本普通的教科书,而是一份通往理论世界大门的钥匙。内页的纸张质量也是上乘,阅读起来非常舒适,即使长时间沉浸其中,眼睛也不会感到明显的疲劳。更让我惊喜的是,编排的逻辑性极强,每一个章节的过渡都如同行云流水般自然,让人在学习复杂概念时,总能找到清晰的路径。作者在排版上的用心程度,绝对是顶级的,图表的清晰度和准确性,都体现了专业水准,这对于理解那些抽象的计算模型来说,简直是至关重要的加分项。这本书的实体感和设计美学,完全超越了普通教材的范畴,更像是一件值得收藏的艺术品,让人愿意随时翻开它,即使只是静静地欣赏一下那种严谨的美感。

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http://www.yinwang.org/blog-cn/2019/07/21/pnp2

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酷刑啊。。。读了四章

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