程序设计的数学基础

程序设计的数学基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:科学出版社
作者:F.S.贝克曼
出品人:
页数:463
译者:曹德和 吴延佳
出版时间:1991年
价格:0
装帧:
isbn号码:9787030022844
丛书系列:
图书标签:
  • 计算理论
  • 科普
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具体描述

《逻辑的迷宫:算法的基石与计算的演化》 这是一部深入探索计算思维本质、剖析算法设计深层原理的著作。它并非是一本直接教授具体编程语言语法的教科书,而是聚焦于驱动一切程序运行的核心思想,即逻辑的构建与运用。本书旨在为读者揭示在纷繁复杂的代码背后,那些古老而普适的数学思想如何编织出高效、严谨且富有创造力的计算解决方案。 第一部分:逻辑的织网——形式化思维的艺术 本部分将带领读者走进逻辑的世界,领略形式化思维的魅力。我们将从最基础的命题逻辑入手,探讨命题的真假、联结词的运算以及推理的规则。通过理解析取范式和合取范式,以及著名的真值表方法,读者将掌握如何精确地表达和分析复杂的逻辑关系。随后,我们将深入到谓词逻辑,引入量词(全称量词与存在量词)的概念,使其能够表达关于集合和关系的更丰富断言。这将是理解数据结构和程序正确性验证的基石。 接着,我们将考察几种重要的形式逻辑系统,例如命题演算和一阶逻辑。我们会探讨它们的公理系统、推理规则,以及最重要的——完备性和一致性。理解这些概念,有助于读者认识到数学证明的严谨性如何转化为程序逻辑的可靠性。我们将通过一系列经典的逻辑谜题和推理实例,例如哥德尔不完备定理的直观阐释,以及如何利用逻辑规则推导出矛盾,从而揭示逻辑在排除错误、确保正确性方面的强大力量。 此外,本部分还将触及一些与逻辑紧密相关的领域,例如集合论。我们将回顾集合的基本概念,如元素、子集、并集、交集、差集和幂集。集合论的语言是描述数据结构和算法操作的天然载体,例如图的表示、序列的构成,都离不开集合论的支持。我们将探讨康托尔的集合论思想,以及无穷集合的概念,这对于理解某些高级算法和计算模型具有启发意义。 第二部分:算法的灵魂——结构、转换与优化 在奠定了逻辑思维的基础后,本书将聚焦于算法的设计与分析。算法并非凭空产生,而是逻辑思维在解决具体问题时的具体体现。我们将从最基本的算法范式开始,例如递归和迭代。通过对斐波那契数列、阶乘计算等经典例子进行深入剖析,读者将理解递归如何将复杂问题分解为同类但规模更小的子问题,以及迭代如何通过循环结构逐步逼近解决方案。我们将探讨递归与迭代之间的转换关系,以及它们在效率和栈空间使用上的权衡。 接着,我们将深入到数据结构的构建。本书不会罗列所有数据结构,而是着重于理解它们背后的数学原理。例如,我们将分析数组和链表作为线性数据结构的特点,探讨它们在插入、删除、查找等操作上的时间复杂度和空间复杂度。我们将深入研究树形结构,特别是二叉搜索树,理解其平衡机制(如AVL树、红外黑树)如何保证查找效率,以及它们在排序、搜索等任务中的应用。对于图结构,我们将讲解其表示方法(邻接矩阵、邻接表),并深入探讨经典的图算法,如广度优先搜索(BFS)和深度优先搜索(DFS),以及它们在路径查找、连通性分析中的作用。最短路径算法(Dijkstra、Floyd-Warshall)的原理及其在网络路由、资源分配问题中的应用也将得到深入探讨。 本书还将详细阐述算法的复杂度分析。我们将引入大O记法,作为衡量算法效率的标准语言,通过对常见算法(如冒泡排序、选择排序、插入排序、快速排序、归并排序)的分析,让读者深刻理解时间复杂度和空间复杂度的概念。我们将区分最优、平均和最坏情况复杂度,并探讨如何通过数据结构的选择和算法的优化来降低复杂度。例如,我们将探讨分治策略的强大力量,如在快速排序和归并排序中的应用,以及动态规划如何通过存储子问题解来避免重复计算,解决背包问题、最长公共子序列等经典问题。 第三部分:计算的边界与计算的极限——数学在现代计算机科学中的投影 本部分将超越具体算法的实现,触及计算科学的更深层理论。我们将探讨可计算性理论,引入图灵机这一抽象模型,理解其如何形式化“可计算”的概念。我们将学习停机问题的不可判定性,以及由此引出的计算的根本限制。这将帮助读者理解,并非所有问题都能通过算法来解决,从而培养一种对计算能力更清醒的认识。 随后,我们将转向计算的复杂性理论。本书将简要介绍P类问题和NP类问题,并探讨NP-完全问题的概念。我们将通过一些著名的NP-完全问题(如旅行商问题、 satisfiability problem (SAT))的例子,说明为什么解决这些问题如此困难,以及为什么寻找多项式时间算法的努力至关重要。这将为读者理解一些现实世界中计算瓶颈的根源提供理论支撑。 此外,本书还将探讨概率论与统计学在计算机科学中的应用。我们将讨论随机算法的思想,例如蒙特卡洛方法,以及它们如何利用随机性来解决复杂问题或提高效率。我们将考察概率数据结构(如Bloom Filter、Skip List)的原理,理解它们如何在牺牲少量精度的情况下,显著提升查询速度。统计学在机器学习、数据挖掘以及性能评估中的作用也将被提及,尽管本书不深入具体算法,但会阐明这些数学分支为人工智能和大数据分析奠定的理论基础。 最后,本书将对数理逻辑在形式化方法中的应用进行简要介绍。我们将看到如何利用形式化的逻辑系统来描述和验证软件和硬件的正确性,例如模型检测和定理证明。这将为读者展现数学严谨性在保障大型、复杂系统可靠性方面的巨大价值。 《逻辑的迷宫:算法的基石与计算的演化》不仅仅是一本书,它是一次思维的旅行。它邀请读者踏上一次探索计算思维核心奥秘的旅程,从最纯粹的逻辑推理,到精妙的算法设计,再到计算能力的理论边界。通过理解这些数学基础,读者将能够以一种更深刻、更本质的视角去审视和构建未来的计算系统,真正掌握“程序设计”的灵魂,而非仅仅是代码的堆砌。本书的目标是塑造一种严谨、创新且富有洞察力的计算思维,为每一位渴望深入理解计算世界本质的探索者提供指引。

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目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的语言风格是极其克制和精准的,它几乎没有使用任何华丽的辞藻,所有的表达都直指核心概念,这对于追求效率的学习者来说,无疑是一种福音。我过去尝试过几本号称“通俗易懂”的数学基础书籍,结果发现它们往往为了追求流畅性而牺牲了数学的严谨性,导致很多关键的边界条件被含糊带过。然而,在这本《程序设计的数学基础》中,无论是对集合论的介绍,还是对代数结构(如群、环、域)的探讨,都保持了教科书级别的精确度。特别是关于**集合的基数**和**可数性**的讨论,作者给出的证明过程简洁到令人拍案叫绝。它强迫你进行一种“零冗余”的思考,每一次阅读都像是在解一个精心构造的谜题。如果你期望的是那种带有故事性的、轻松愉快的阅读体验,那么这本书可能不会满足你;但如果你渴望的是未经稀释的、纯粹的知识精华,那么它绝对是首选。

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这本书的装帧设计确实很引人注目,封面采用了深邃的藏蓝色,配以简洁有力的白色字体,立刻给人一种严谨而又不失现代感的印象。我之前对这类偏理论性的书籍总有些敬而远之,总觉得内容会过于晦涩难懂,但拿到手翻阅后,才发现作者在排版上花了大量的心思。章节之间的逻辑过渡非常清晰,即使是初次接触这个领域的读者,也能很快抓住核心脉络。尤其让我欣赏的是,书中对于一些复杂概念的引入,并非采用生硬的定义堆砌,而是通过巧妙的类比和图示,将抽象的数学思想具象化。比如在介绍离散结构时,作者运用了大量的现实生活中的例子进行铺垫,使得原本枯燥的证明过程也变得生动起来。我特地对比了一下其他几本同类书籍,深感这本书在“可读性”和“专业性”之间找到了一个绝佳的平衡点。可以说,光是阅读目录和前言,就已经让人对接下来的学习内容充满了期待,它成功地将“数学基础”这个听起来有些沉重的词汇,转化成了一种引人探索的知识之旅。

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我是一名正在攻读计算机科学硕士的学生,在我的专业课程中,经常会遇到需要追溯到更深层次数学原理的要求,而这本书恰好填补了我在这方面的知识空白。我尤其关注了书中关于算法复杂度和可计算性理论的部分。作者在阐述图灵机模型时,没有仅仅停留在对经典定义的复述上,而是深入挖掘了不同计算模型之间的等价性,并通过严谨的数学推导,展示了为何这些模型在计算能力上是等价的。这种深入骨髓的剖析,对于希望从事编译器设计或形式化验证的同行来说,简直是如虎添翼。书中那些精妙的证明步骤,每一个逻辑跳跃都经过了深思熟虑,让我在阅读时不得不放慢速度,甚至需要准备草稿纸进行二次验证。这绝不是一本可以泛泛而读的书籍,它要求读者必须投入心神,与之进行一场智力上的深度对话。读完后,我感觉自己看待日常遇到的计算问题时,视角都提升到了一个更高的抽象层次。

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我花了比预期更长的时间来完成这本书的阅读,但这绝非因为内容枯燥,而是因为我总忍不住停下来,去回味作者是如何将看似不相关的数学领域串联起来的。它最让我震撼的地方,在于其展现的**数学美感**。例如,当作者讨论到概率论在随机算法中的应用时,不仅仅是计算期望值,而是深入到了马尔可夫链和平稳分布,这使得我能够清晰地看到,概率不仅仅是‘运气’,而是一种高度结构化的数学工具。书中对**信息论**基础的引入也极为巧妙,它没有将其视为一个独立的学科,而是将其作为理解数据表示和编码效率的数学视角。整本书读下来,我感觉自己像是完成了一次对现代计算科学底层逻辑的系统性重构。它不仅仅是知识的积累,更是一种思维模式的重塑,让我能够以更宏大、更本质的视角去审视所有与计算相关的问题。这本书,更像是一张高质量的蓝图,而非一堆零散的砖块。

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从一个有着多年软件开发经验的工程师的角度来看,这本书的价值在于它提供了理解“为什么”的能力,而非仅仅教你“怎么做”。在日常工作中,我们使用各种框架和库,它们背后运行着复杂的逻辑,但很少有人去深究其底层数学依据。这本书像是为我们这些实干家提供了一把“透视镜”。我特别喜欢它对数理逻辑在程序正确性验证中的应用的讲解,书中详细阐述了如何利用命题演算和一阶逻辑来形式化地描述程序的性质。这使得我对单元测试和断言的理解不再局限于代码层面的检查,而是上升到了逻辑完备性的层面。虽然书中涉及的数学符号和术语相当专业,但作者处理得非常优雅,总是先铺陈实际应用场景,再引入数学工具,这种“工具导向”的教学方式,极大地激发了我将理论付诸实践的兴趣。它让我明白,真正的工程能力,必然建立在坚实的数学基石之上。

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计算机最本质的东西: 基于自然数的计算; 函数为什么使用lambda表示法;递归函数;图灵机和可计算;自动机;形式语言。

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