The Math-Computer Connection

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isbn号码:9780531102312
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  • 数学
  • 计算机科学
  • 计算数学
  • 算法
  • 数值分析
  • 离散数学
  • 数学建模
  • 计算方法
  • 科学计算
  • 交叉学科
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具体描述

Have you ever watched the long, curving flight of a baseball<br >home run? How fast would that baseball have to leave the<br >bat in order to travel a mile or several kilometers?<br > Normally, such questions are answered using mathe-<br >matics rather than by performing experiments. Experi-<br >ments can be great fun. But questions of this nature are<br >often asked out of intellectual curiosity. This kind of<br >curiosity is not so much about baseball as about thinking,<br >that is, curiosity about the way people solve puzzles.<br > The fun in asking such imaginative questions is not<br >really diminished because no player may ever actually hit a<br >baseball a mile. The novelty of asking the question and the<br >excitement of discovering a logical answer by thinking is<br >enjoyable in itself without actually trying to find a way to<br >hit a baseball such an unlikely distance.<br >FORMULA FACTS<br >Solving complicated problems often involves using mathe-<br >matical formulas, or equations. The formulas may come<br >from algebra, geometry, trigonometry, or some other<br >branch of mathematics. In many cases, a formula is used as<br >a rule, explaining how to evaluate some variable or quanti-<br >ty. To mathematicians and scientists, the term evaluate<br ><br >

《数学与计算机的奇妙联结》 在信息爆炸、科技飞速发展的今天,数学和计算机早已不再是各自独立的学科领域,而是相互依存、相互促进的孪生兄弟。本书《数学与计算机的奇妙联结》旨在深入探讨这两个看似抽象又无处不在的领域之间错综复杂而又引人入胜的联系,揭示数学如何成为计算机科学的基石,以及计算机又如何拓展和重塑了数学的边界。本书并非一本枯燥的数学定理堆砌或计算机代码解析的教材,而是一次充满智慧的探索之旅,带领读者领略数学之美在数字世界中的具象化,感受计算思维如何解决现实世界的问题。 本书的第一部分,我们首先将目光聚焦于数学的“起源”在计算领域中的意义。从古老的计算工具,如算盘,到现代计算机的逻辑门电路,数学中的逻辑和算法始终是驱动一切的基础。我们将追溯布尔代数如何奠定数字逻辑的根基,理解二进制系统如何在计算机内部实现信息编码和运算。这部分内容将不仅仅停留在概念层面,还会通过生动的历史故事和直观的类比,让读者体会到这些抽象数学原理是如何被巧妙地转化为物理电路,进而实现复杂计算的。例如,我们将讨论图灵机这一重要的理论模型,它不仅是早期计算机科学的里程碑,更是对“可计算性”这一数学概念的深刻诠释,让我们理解什么是计算机能做的,以及什么又是它无法触及的。 接着,我们将深入计算机科学的核心——算法。算法是解决问题的精确步骤,而数学正是构建和分析算法的有力工具。我们将探讨各种基础算法的数学原理,例如排序算法(如冒泡排序、快速排序)背后的数学思想,以及搜索算法(如二分查找)的效率分析。本书将侧重于算法的“思维方式”,即如何将一个实际问题抽象成数学模型,再用数学语言描述解决方案。我们还会介绍一些高级的算法概念,如动态规划、贪心算法等,并分析它们在解决复杂问题时所展现出的数学智慧。通过对算法的深入理解,读者将能更清晰地看到,每一个高效的程序背后,都隐藏着精妙的数学设计。 本书的第二部分将重点阐述数学在现代计算机科学各个分支中的关键作用。首先,我们将深入探讨离散数学的强大力量。集合论、图论、组合数学等离散数学分支,构成了计算机科学的语言和骨架。例如,图论在网络分析、数据库设计、社交媒体建模等方面有着广泛的应用;集合论是理解数据结构和数据库查询的基础;组合数学则在算法分析、概率统计以及密码学中扮演着至关重要的角色。我们将通过具体的案例,如网页排名算法(PageRank)如何巧妙运用图论原理,来展示离散数学的实际价值。 随后,我们将聚焦于代数结构在计算机科学中的应用。线性代数是机器学习、计算机图形学、数据科学等领域的基石。本书将介绍向量、矩阵、张量等概念,以及它们在图像处理、三维建模、自然语言处理等方面的应用。读者将了解到,我们所看到的绚丽的计算机图形,是如何通过一系列复杂的矩阵变换来实现的;而强大的机器学习模型,又是如何建立在对海量数据的线性代数运算之上。此外,我们还会简要介绍群论、环论等抽象代数概念,并探讨它们在密码学和编码理论中的深远影响,揭示数学的抽象之美如何守护着数字世界的安全。 本书的第三部分将转向计算机如何反哺数学。计算机的出现极大地改变了数学研究的面貌,它不仅是计算工具,更是实验和探索的平台。我们将探讨计算数学的发展,例如数值分析如何利用计算机进行高精度计算,解决许多传统解析方法难以处理的问题。数值模拟在物理学、化学、生物学等领域中扮演着越来越重要的角色,而这一切都离不开强大的计算能力和精确的数值算法。 此外,我们还将讨论符号计算系统的出现,如Mathematica、Maple等。这些工具使得数学家能够进行复杂的符号推导,检验猜想,甚至发现新的数学定理。它们将数学的探索从纸笔的局限中解放出来,极大地加速了数学研究的进程。本书将举例说明,计算机是如何帮助数学家解决一些长期存在的难题,或者发现令人意想不到的数学模式。 最后,我们将展望数学与计算机未来发展的融合趋势。随着人工智能、大数据、量子计算等前沿领域的不断突破,数学与计算机的联系将变得更加紧密和深刻。我们将探讨机器学习的数学原理,包括概率论、统计学、优化理论等在其中发挥的作用。同时,我们也会触及量子计算这一新兴领域,了解它所依赖的量子力学和线性代数的数学基础,以及它可能为解决某些传统计算机难以处理的计算问题带来的革命性变革。 《数学与计算机的奇妙联结》并非一本浅尝辄止的书籍,它旨在为读者提供一个系统而深入的视角,去理解数学作为一种思维方式和工具,如何在计算机科学的各个层面发挥着不可替代的作用。反之,计算机的强大计算能力和模拟能力,又如何为数学研究开辟了全新的天地。本书希望通过生动有趣的讲解和贴近现实的案例,激发读者对数学和计算机科学的兴趣,认识到它们并非是遥不可及的象牙塔,而是塑造我们现代世界、驱动科技进步的强大引擎。无论您是计算机专业的学生、数学爱好者,还是对科技发展充满好奇的读者,本书都将为您带来一次启迪智慧、拓展视野的难忘旅程。通过阅读本书,您将能更深刻地理解,数学与计算机的联结,不仅仅是技术的堆砌,更是人类智慧在逻辑与抽象领域不断探索的生动写照。

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读后感

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用户评价

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这本《The Math-Computer Connection》的阅读体验简直是一场思维的盛宴,它以一种近乎诗意的方式,将抽象的数学概念与生动的计算机科学应用编织在一起,让人在惊叹于作者的洞察力的同时,也不禁反思我们所处世界的底层逻辑。全书的叙事节奏张弛有度,初读时,那些关于离散数学和图论在算法优化中的精妙应用,仿佛是将陈旧的教科书知识重新注入了鲜活的血液。作者并没有停留在理论的罗列,而是深入挖掘了历史脉络,展示了从莱布尼茨的二进制构想到现代人工智能的深度学习框架中,数学思维如何作为核心驱动力。我尤其欣赏其中关于‘不可判定性’的讨论,它不仅清晰地阐述了哥德尔和图灵的工作,更引导读者去思考计算的本质边界——我们能知道什么,以及我们能计算什么。书中对特定案例的剖析,比如RSA加密算法背后的数论基础,那种层层递进的逻辑推导,让人感觉自己不是在阅读,而是在亲手构建一个复杂的数字世界。那些关于复杂性理论的章节,虽然初看起来有些晦涩,但作者巧妙地引入了现实世界的例子,比如物流调度和蛋白质折叠问题,使得原本高冷的理论瞬间变得触手可及。阅读过程中,我多次停下来,拿起笔在草稿纸上演算那些小小的证明,这种主动参与感极大地增强了理解的深度。

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说实话,这本书的深度远超出了我的预期,它更像是一部连接不同学科的桥梁著作,而不是一本专注于某一领域的专著。《The Math-Computer Connection》的结构安排非常巧妙,它没有采用严格的线性推进方式,而是像一个多维的网格,各个章节之间相互引用、相互印证,形成一个完整的知识体系。我特别欣赏作者在讨论‘随机性与伪随机性’时所采用的批判性视角。他不仅仅是描述了线性同余生成器的工作原理,而是深入探讨了‘真正的随机’在计算世界中的不可得性,以及这对于蒙特卡洛方法和密码学安全意味着什么。这种追本溯源的探讨方式,迫使读者去质疑那些我们习以为常的计算假设。在关于‘计算复杂性’的章节中,作者引入了一种类比,将P、NP、NP-完全问题比喻为不同层级的物理定律,清晰地描绘了问题的难度梯度。这种类比的有效性在于,它能让非专业人士迅速掌握问题的核心困境。阅读过程中,我感觉自己像是在攀登一座知识的阶梯,每一步都有坚实的基础支撑,虽然过程需要集中精神,但每登高一层,视野便开阔一分,对计算世界的理解也变得更加立体和深刻。

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拿到这本书时,我原本期待的是一本标准的、略显枯燥的技术指南,但《The Math-Computer Connection》却出乎意料地提供了一份充满人文关怀的科技哲学探讨。它的语言风格极其流畅自然,甚至在处理像‘拓扑学在数据结构中的隐喻’这类高深主题时,也能保持一种近乎闲聊般的亲切感。书中穿插的那些关于早期计算机先驱的轶事,比如冯·诺依曼在设计体系结构时如何直觉性地运用概率论,为冰冷的逻辑世界增添了许多人性的温度。最让我印象深刻的是关于‘优雅的代码’的定义部分,作者没有用冗长的篇幅来讨论代码规范,而是将其升华到了数学审美的高度——一个好的算法,就像一个简洁的数学证明,其美感来源于其内在的必然性和最少干预性。这种对“美”的追求,贯穿了全书,从矩阵运算的几何直观到模糊逻辑在决策系统中的应用,无不体现出作者对数学作为一门艺术的深刻理解。对于那些已经工作多年的程序员来说,这本书提供了一个绝佳的机会,让他们跳出日常的CRUD循环,重新审视自己工具箱中的数学基石,并激发了对创造更具本质性的软件的渴望。

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这本书给我的冲击感主要来自于它对‘模型化’过程的细致解剖。它不是简单地展示数学如何被应用于计算机,而是深入探讨了人类如何‘选择’或‘构建’一个数学模型来映射现实世界。作者在探讨机器学习中的贝叶斯方法时,非常坦诚地展示了先验知识选择的主观性与模型的客观性之间的张力,这在我看来是全书最精彩的部分之一。他没有回避这些哲学上的灰色地带,反而将其视为研究的动力。通过对有限元分析和微分方程求解在工程模拟中的应用描述,我看到了数学模型如何通过精密的离散化和迭代逼近,将连续的物理世界转化为可计算的比特流。这种对‘逼近的艺术’的描绘,让我对许多工程软件的工作原理有了全新的认识——我们使用的工具,本质上都是在无限的复杂性中,精心选择并构建的有限而有用的近似。全书的图表和示例代码都经过了精心筛选,它们不是单纯的插图,而是论证的一部分,每一个公式的出现都有其深刻的语境。对于想深入理解现代工程和数据科学背后的思维逻辑的人来说,这本书是不可多得的“内功心法”指南。

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这本书的阅读体验更像是一次智力上的‘考古’之旅,它将现代计算机科学中看似分散的知识点,通过数学这条主线索,重新串联成一张宏大而自洽的地图。《The Math-Computer Connection》最令人称道的一点是其对‘信息论’基础的重申,并将其与现代大数据处理和网络通信的效率瓶颈联系起来。作者对香农的熵概念的阐释,清晰地揭示了任何压缩或传输的极限所在,这种对‘极限’的探究,比单纯介绍压缩算法本身更有价值。此外,书中对‘符号逻辑’在软件验证和形式化方法中的应用进行了独特的阐述,它展示了如何用最严格的数学工具来确保程序行为的正确性,这对于提升软件的可靠性至关重要。我尤其喜欢作者在收尾部分对‘通用计算模型’的未来展望,它不仅仅是技术预测,更像是对计算科学在人类认知领域中潜在角色的深刻预言。整本书的写作风格既有严谨的逻辑骨架,又不失对未来可能性探索的热情,读完后,我感觉自己的思维模式被重新校准了,对‘计算’二字的理解达到了前所未有的清晰度。

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