程序員數學

程序員數學 pdf epub mobi txt 電子書 下載 在線閱讀 2026

☆☆☆☆☆
出版者:圖靈|人民郵電齣版社
作者:[美] 保羅·奧蘭德
出品人:
頁數:513
译者:百度KFive
出版時間:2021-12
價格:129.80元
裝幀:平裝
isbn號碼:9787115576491
叢書系列:圖靈程序設計叢書·程序員的數學
圖書標籤:
  • 數學
  • 程序員
  • 計算機科學
  • 算法
  • 離散數學
  • 高等數學
  • 編程
  • 數據結構
  • 計算
  • 理論基礎
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具體描述

數學擁有無窮的力量。它既幫助遊戲開發工程師建模物理世界,也幫助量化金融分析師賺取利潤,還幫助音頻處理工程師製作音樂。在數據科學和機器學習領域,數學知識更是不可或缺的。

有人熱愛數學,將它比作詩歌,為之著迷一生;有人很難領會數學的妙處,受睏於“數學焦慮癥”。本書正是為瞭幫助程序員消除這種焦慮,用自己熟悉的工具,即代碼,重新發現數學之美。

◎ 編輯推薦

本書以圖文結閤的方式幫助你用Python代碼解決程序設計中的數學問題。通過邊學邊練,你會發現綫性代數和微積分的重要概念躍然紙上、印在腦中。

◇ 嚮量幾何和計算機圖形

◇ 矩陣和綫性變換

◇ 微積分的核心概念

◇ 仿真和優化

◇ 圖像處理和音頻處理

◇ 用於迴歸和分類的機器學習算法

◎ 內容簡介

代碼和數學是相知相惜的好夥伴,它們基於共同的理性思維,數學公式的推導可以自然地在編寫代碼的過程中展開。

本書帶領程序員使用自己熟知的工具,即代碼,來理解機器學習和遊戲設計中的數學知識。通過Python代碼和300多個練習,讀者將掌握二維嚮量、三維嚮量、矩陣變換、綫性方程、微積分、綫性迴歸、邏輯迴歸、梯度下降等。

◎ 名人推薦

“這本書循序漸進地介紹瞭程序員應該掌握的有用的數學概念。”

——Christopher Haupt,Swoogo公司工程副總裁

“這本書嚴謹而簡明地概述瞭對現代編程起支撐作用的數學知識。”

——Dan Sheikh,BCG Digital Ventures公司工程師

“實用、引人入勝。推薦所有程序員閱讀。”

——Vincent Zhu,RethinkXSocial網站聯閤創始人兼CTO

“這本書為需要提高數學技能的程序員建造瞭一座橋梁,使數學不再那麼神秘、那麼難以理解。”

——Robert Walsh,Excalibur Solutions公司總裁

深入探索計算的基石:現代算法與數據結構的精妙設計 概述 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的視角,剖析支撐現代計算科學與工程的那些最核心、最基礎的數學原理與算法結構。我們聚焦於那些在實際應用中具有高度價值、能夠顯著提升程序性能和解決復雜問題的技術。這不是一本側重於理論證明的枯燥教科書,而是一本強調設計思想、實現細節與性能分析的實踐指南。全書內容緊密圍繞如何將抽象的數學概念轉化為高效、可操作的計算機解決方案展開。 第一部分:離散數學基礎與邏輯推理的構建 本部分作為一切計算的邏輯起點,將徹底重塑讀者對形式化思維的理解。 第一章:集閤論與關係代數在係統建模中的應用 我們將從集閤的嚴謹定義齣發,探討集閤運算如何映射到數據庫查詢、數據結構組織(如哈希錶與樹的內部結構)以及係統狀態的描述。重點分析關係(Relation)的概念,如何用它來定義和驗證程序的正確性,特彆是涉及函數依賴和範式理論(在數據庫設計中的體現)。我們不隻是停留在集閤的並集、交集運算,而是深入探究偏序集(Poset)和格(Lattice)在依賴關係和抽象層次劃分中的關鍵作用。 第二章:圖論:連接世界的網絡結構 圖論是理解復雜係統拓撲結構的核心工具。本章詳細剖析圖的基本概念,從有嚮圖、無嚮圖到帶權圖。重點講解以下幾個關鍵算法的底層數學原理和優化策略: 1. 最短路徑算法(Dijkstra, Bellman-Ford, Floyd-Warshall): 不僅介紹其貪心選擇或動態規劃的原理,更會深入分析在不同圖密度和邊權分布下的時間復雜度變化及適用場景。 2. 最小生成樹(MST): 詳細對比 Kruskal 和 Prim 算法的實現技巧,並探討其在網絡規劃、集群劃分中的實際應用。 3. 網絡流與匹配問題: 深入講解最大流-最小割定理(Max-Flow Min-Cut Theorem)的數學意義,如何將其轉化為解決二分圖匹配、資源分配等實際問題。我們將探討 Edmonds-Karp 和 Dinic 算法的性能瓶頸與突破點。 第三章:數論:加密、校驗與高效運算的支柱 現代計算的安全性與性能,在很大程度上依賴於數論。本章重點關注模運算、同餘理論及其在實踐中的應用。 大數運算與費馬小定理: 講解如何利用數論原理進行快速冪運算,這是公鑰加密算法(如 RSA)的基礎。 擴展歐幾裏得算法: 深入剖析其在求解模逆元中的關鍵作用,這是實現安全通信協議的必要步驟。 中國剩餘定理: 探討其在並行計算、分布式係統中的潛在應用,以及如何利用它分解大問題。 第二部分:算法設計範式與效率優化 本部分將從宏觀設計方法論入手,剖析最主流且最強大的幾種算法設計範式,並輔以大量實際案例進行解析。 第四章:動態規劃:最優子結構的精巧組閤 動態規劃(DP)被譽為解決優化問題的利器。本章的重點在於如何準確地識彆問題的重疊子問題和最優子結構。我們將通過經典的如背包問題、最長公共子序列、矩陣鏈乘法等案例,強調狀態轉移方程的建立過程,以及如何利用空間優化技術(如滾動數組)來顯著降低內存占用。特彆會討論自頂嚮下(帶備忘錄)與自底嚮上(迭代)兩種實現方式的優劣權衡。 第五章:分治法與綫性時間算法的極限探索 分治策略的精髓在於“化整為零,各個擊破”。本章將剖析經典的分治算法,例如快速排序(Quick Sort),不僅講解其核心的樞軸選擇策略(Pivot Selection)對平均和最壞情況性能的決定性影響,還會探討如何通過巧妙的樞軸選擇來規避最壞情況。此外,我們將探討綫性時間選擇算法(如 Median of Medians),揭示在理論上如何保證在綫性時間內找到第 $k$ 小的元素。 第六章:復雜度理論與漸進分析的實用指南 理解算法的性能不僅是寫齣代碼,更是預判係統在高負載下的錶現。本章專注於大 O 錶示法的精確應用和誤區辨析。 精確的常數因子分析: 討論為什麼 $O(n)$ 的算法在某些情況下可能比 $O(n log n)$ 的算法慢,以及如何通過實際的性能測試(Profiling)來確認理論與實踐的差異。 攤還分析(Amortized Analysis): 深入講解如何評估那些操作成本不均的算法(如動態數組的擴容、斐波那契堆)的平均錶現,這是設計高效數據結構的關鍵。 P/NP 問題簡介: 從工程實踐的角度,探討 NP 完全問題的實際意義——我們何時該放棄精確求解,轉而尋找近似算法。 第三部分:高級數據結構與內存效率 本部分關注如何利用數學結構來組織數據,以實現極速的查找、插入和刪除操作,並高效利用現代處理器的緩存結構。 第七章:平衡搜索樹的精細調優 二叉搜索樹(BST)的性能嚴重依賴於其平衡性。本章將詳細解析AVL 樹、紅黑樹(Red-Black Tree)的維護機製,重點在於鏇轉操作的數學不變性是如何被保持的。對於紅黑樹,我們將深入探究其顔色屬性是如何保證高度始終是 $O(log n)$ 的,並對比其在實踐中相比 B 樹的適用場景。 第八章:哈希函數的設計與衝突解決策略 哈希錶是現代編程中應用最廣泛的數據結構之一。本章將聚焦於高質量哈希函數的設計原則。 通用哈希與完美哈希: 討論如何構造一個能將輸入均勻分散的函數,並探討拉鏈法、開放尋址法(綫性探測、二次探測、雙重哈希)在解決衝突時的性能差異和內存局部性影響。 布隆過濾器(Bloom Filter): 作為一個概率型數據結構,講解它如何利用多個哈希函數在極低的誤報率下實現快速的成員查詢,廣泛應用於緩存優化和網絡爬蟲去重。 第九章:空間劃分結構與高維數據查詢 當數據維度增加時,傳統的綫性搜索和樹結構效率急劇下降。本部分將介紹用於處理高維空間數據的結構: K-D 樹(K-Dimensional Tree): 剖析其構建過程和最近鄰搜索(Nearest Neighbor Search)的原理,以及在高維空間中“維度災難”對其性能的影響。 八叉樹(Octree)和四叉樹(Quadtree): 探討它們在三維和二維空間數據管理中的應用,例如在計算機圖形學(光綫追蹤)和地理信息係統(GIS)中的核心地位。 通過以上九個章節的係統學習,讀者將能夠構建起一套紮實的數學思維框架,從而不僅能熟練使用現有算法庫,更能根據特定問題的需求,從零開始設計齣兼顧數學嚴謹性與工程實用性的高效解決方案。本書強調的是思考路徑而非死記硬背代碼,旨在培養解決“前所未見”問題的能力。

作者簡介

◎ 著者簡介

保羅·奧蘭德(Paul Orland),矽榖創業公司Tachyus的聯閤創始人兼CEO,擁有耶魯大學數學學士學位和華盛頓大學物理學碩士學位,曾任微軟公司軟件開發工程師,近10年來一直緻力於使用數學和函數式編程來優化能源生産。

◎ 譯者簡介

百度KFive,KFive是百度App大前端團隊,成員涵蓋PC端和手機百度的大前端研發者。在業務支持之外,KFive研究的技術方嚮還包括前端基礎架構、跨端開發、Node.js、端智能和前端智能化等,並且積纍瞭豐富的産齣。KFive的名稱不僅來源於起初的辦公地點在百度科技園五號樓,更體現瞭其對軟件開發的理解,即“五Key”:Key1者,精益求精;Key2者,大巧不工;Key3者,獨運匠心;Key4者,百煉韆錘;Key5者,善始善終。

目錄資訊

第1章 通過代碼學數學 1
1.1 使用數學和軟件解決商業問題 2
1.2 如何高效學習數學 9
1.3 用上你訓練有素的左腦 11
1.4 小結 14
第一部分 嚮量和圖形
第2章 二維嚮量繪圖 16
2.1 二維嚮量繪圖 16
2.2 平麵嚮量運算 25
2.3 平麵上的角度和三角學 41
2.4 嚮量集閤的變換 57
2.5 用Matplotlib繪圖 61
2.6 小結 62
第3章 上升到三維世界 63
3.1 在三維空間中繪製嚮量 64
3.2 三維空間中的嚮量運算 70
3.3 點積:測量嚮量對齊 78
3.4 嚮量積:測量定嚮區域 88
3.5 在二維平麵上渲染三維對象 96
3.6 小結 102
第4章 變換嚮量和圖形 103
4.1 變換三維對象 105
4.2 綫性變換 117
4.3 小結 132
第5章 使用矩陣計算變換 134
5.1 用矩陣錶示綫性變換 135
5.2 不同形狀矩陣的含義 148
5.3 用矩陣平移嚮量 163
5.4 小結 174
第6章 高維泛化 176
6.1 泛化嚮量的定義 177
6.2 探索不同的嚮量空間 188
6.3 尋找更小的嚮量空間 205
6.4 小結 220
第7章 求解綫性方程組 222
7.1 設計一款街機遊戲 223
7.2 找到直綫的交點 227
7.3 將綫性方程泛化到更高維度 240
7.4 通過解綫性方程來改變嚮量的基 253
7.5 小結 257
第二部分 微積分和物理仿真
第8章 理解變化率 261
8.1 根據體積計算平均流速 262
8.2 繪製隨時間變化的平均流速 266
8.3 瞬時流速的近似值 271
8.4 體積變化的近似值 278
8.5 繪製隨時間變化的體積圖 283
8.6 小結 290
第9章 模擬運動的對象 291
9.1 模擬勻速運動 291
9.2 模擬加速 295
9.3 深入研究歐拉方法 296
9.4 用更小的時間步執行歐拉方法 300
9.5 小結 305
第 10章 使用符號錶達式 306
10.1 用計算機代數係統計算精確的導數 309
10.2.1 將錶達式拆分成若乾部分 310
10.2.3 使用Python語言實現錶達式樹 311
10.2.4 練習 313
10.3 符號錶達式的應用 315
10.4 求函數的導數 323
10.5 自動計算導數 330
10.6 符號化積分函數 335
10.7 小結 338
第 11章 模擬力場 339
11.1 用嚮量場對引力建模 339
11.2 引力場建模 342
11.3 把引力加入小行星遊戲 345
11.4 引入勢能 350
11.5.1 用橫截麵測量陡度 354
11.5.2 計算偏導數 356
11.5.3 用梯度求圖形的陡度 357
11.5.4 用勢能的梯度計算力場 359
11.5.5 練習 361
11.6 小結 364
第12章 優化物理係統 365
12.1 測試炮彈模擬器 367
12.2 計算最佳射程 373
12.3 增強模擬器 381
12.4 利用梯度上升優化範圍 388
12.5 小結 399
第13章 用傅裏葉級數分析聲波 400
13.1 聲波的組閤和分解 401
13.2 用Python播放聲波 402
13.3 把正弦波轉化為聲音 406
13.4 組閤聲波得到新的聲波 412
13.5 將聲波分解為傅裏葉級數 419
13.6 小結 428
第三部分 機器學習的應用
第14章 數據的函數擬閤 431
14.1 衡量函數的擬閤質量 433
14.2 探索函數空間 441
14.3 使用梯度下降法尋找最佳擬閤綫 445
14.4 非綫性函數擬閤 448
14.5 小結 453
第15章 使用logistic迴歸對數據分類 455
15.1 用真實數據測試分類函數 456
15.2 繪製決策邊界 460
15.3 將分類問題構造為迴歸問題 464
15.4 探索可能的logistic函數 471
15.5 尋找最佳logistic函數 477
15.6 小結 483
第16章 訓練神經網絡 484
16.1 用神經網絡對數據進行分類 485
16.2 手寫數字圖像分類 486
16.3 設計神經網絡 491
16.4 用Python構建神經網絡 499
16.5 使用梯度下降法訓練神經網絡 504
16.6 使用反嚮傳播計算梯度 509
16.7 小結 513
附錄A 準備Python(圖靈社區下載)
附錄B Python技巧和竅門(圖靈社區下載)
附錄C 使用OpenGL和PyGame加載和渲染三維模型(圖靈社區下載)
附錄D 數學符號參考(圖靈社區下載)
· · · · · · (收起)

讀後感

評分☆☆☆☆☆

真的很好玩啊哈哈哈。作者用 Points 來畫點,用 Segment 來畫綫。 用 Polygon 畫多邊形。 繪製復雜的數學圖形。 可以畫正弦麯綫。 首先構建一個組閤列錶(x、y 都是 -5 ~ 5 的範圍內取值,然後組閤齣 tuple,並放大)。 對每一個平移,作用於 dino 坐標,然後 unpack 給 Polygo...

評分☆☆☆☆☆

真的很好玩啊哈哈哈。作者用 Points 來畫點,用 Segment 來畫綫。 用 Polygon 畫多邊形。 繪製復雜的數學圖形。 可以畫正弦麯綫。 首先構建一個組閤列錶(x、y 都是 -5 ~ 5 的範圍內取值,然後組閤齣 tuple,並放大)。 對每一個平移,作用於 dino 坐標,然後 unpack 給 Polygo...

評分☆☆☆☆☆

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評分☆☆☆☆☆

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評分☆☆☆☆☆

真的很好玩啊哈哈哈。作者用 Points 來畫點,用 Segment 來畫綫。 用 Polygon 畫多邊形。 繪製復雜的數學圖形。 可以畫正弦麯綫。 首先構建一個組閤列錶(x、y 都是 -5 ~ 5 的範圍內取值,然後組閤齣 tuple,並放大)。 對每一個平移,作用於 dino 坐標,然後 unpack 給 Polygo...

用戶評價

评分☆☆☆☆☆

坦白講,我最初對這本《程序員數學》是抱持著懷疑態度的。市麵上的“XX與編程”係列書籍,十有八九都是掛羊頭賣狗肉,前麵講幾頁基礎概念,後麵就變成各種低劣的C++或Python代碼示例堆砌。然而,這本書完全顛覆瞭我的固有印象。它的每一個章節都像是一個精心設計的實驗,通過一係列漸進式的數學工具,去解構一個特定的計算機科學難題。比如,它深入探討瞭模運算在哈希函數設計中的重要性,並詳細剖析瞭如何利用有限域的性質來抵抗碰撞攻擊。這種由淺入深、層層遞進的講解方式,讓我感覺自己不是在“學習數學”,而是在“掌握一種更高級的編程思維”。作者的筆觸極為細膩,尤其是在處理不確定性問題時,貝葉斯定理的引入和解釋,清晰到讓人拍案叫絕——它沒有把重點放在復雜的概率公式上,而是聚焦於“信息更新”和“先驗概率的修正”這一核心思想,這直接映射到瞭機器學習模型訓練過程中參數的迭代優化。這本書的閱讀體驗是高度沉浸式的,它迫使你停下來,思考為什麼計算機要用這種方式來處理數據,而不是僅僅滿足於代碼能跑起來就行。讀完後,那種豁然開朗的感覺,是對所有投入時間最好的迴報。

评分☆☆☆☆☆

這本《程序員數學》簡直是為我這種對編程理論感到力不從心的人量身定做的!我一直覺得,想深入理解算法的效率、數據結構的底層邏輯,甚至圖形學的變換,都繞不開數學。但以往那些數學書,要麼過於抽象晦澀,要麼就是把工程應用的需求完全拋在腦後,讀起來像是啃硬骨頭。這本書最讓我驚喜的地方,在於它極其巧妙地將那些看似高深的數學概念,如綫性代數中的矩陣運算、概率論中的隨機過程,與實際的編程場景緊密結閤起來。比如,講到嚮量空間時,它不是單純地定義什麼基底和維度,而是立刻引申到計算機圖形學中三維模型的鏇轉和平移,讓你瞬間明白“這玩意兒在代碼裏是怎麼跑起來的”。再比如,它在介紹離散數學時,沒有陷入純粹的邏輯符號推導,而是緊接著講解瞭圖論在網絡路由、編譯器的依賴分析中的應用。作者的敘述風格非常接地氣,就像一位經驗豐富的資深工程師在給你“傳幫帶”,用大量的實例和代碼片段(雖然書裏沒有直接的代碼,但描述的邏輯清晰到仿佛能直接敲齣來)來驗證理論的有效性。讀完之後,我感覺自己對性能瓶頸的分析能力、對新算法的接受速度都有瞭質的飛躍,不再是隻會調用庫函數的“調包俠”,而是能真正理解函數背後數學原理的構建者瞭。這本書的價值遠超一本教科書,它更像是一本程序員的“內功心法修煉手冊”,是每一位渴望技術深度的開發者書架上不可或缺的工具書。

评分☆☆☆☆☆

這本《程序員數學》的真正妙處,在於它像一位哲學導師,而不是一個死闆的教師。它不僅告訴你“怎麼做”,更重要的是讓你思考“為什麼必須這麼做”。在講解算法復雜度時,作者對於“P vs NP”問題的討論雖然簡短,卻充滿瞭洞見,它引導讀者去思考計算的本質邊界,而不是盲目追求優化一個指數級增長的解法。我特彆喜歡它在描述邏輯與集閤論時所采用的那種辯證的語氣,它將形式邏輯的嚴密性與編程中條件判斷的實際編寫之間的微妙差異進行瞭對比分析。例如,在解釋量詞的嵌套和範圍時,它清晰地指齣瞭在編程語言中處理邊界條件和異常情況時,邏輯錯誤往往源於對這些基礎概念理解的偏差。這本書的行文風格流暢自然,閱讀過程中幾乎感覺不到閱讀一本技術書籍的枯燥感,更像是在參與一場與作者思想的深度對話。它塑造瞭一種對精確性的尊重和對問題深層結構的探索欲,這對於任何想在技術領域走得更遠的人來說,都是不可或缺的內在驅動力。

评分☆☆☆☆☆

我得說,這本書的編排邏輯簡直是鬼斧神工般的精妙,它沒有采用傳統的數學分支結構,而是完全以“解決編程問題”為導嚮來組織內容的。這一點對於我這種更側重於應用、對純理論不感冒的開發者來說,簡直是醍醐灌頂。它不是先告訴你什麼是微積分,而是直接從“如何計算一個動態係統的變化率”入手,自然而然地引齣導數的概念和求導的方法。這種“需要什麼,學什麼”的模式,極大地降低瞭學習的挫敗感。我尤其欣賞它在講解組閤數學時,對“計數和枚舉”在算法復雜度分析中的作用的強調。以往我總覺得計數就是小學數學,但這本書讓我明白,在處理NP難問題時,如何有效地進行狀態空間計數,直接決定瞭我們能否找到一個可行的啓發式解法。而且,書中的推導過程非常嚴謹,每一步的邏輯跳躍都被細緻地填補瞭,即便是一些涉及到高階數學的證明,作者也處理得恰到好處,既保留瞭數學的嚴謹性,又確保瞭程序員讀者能夠跟上思路,不會因為看不懂證明的“天書”而感到氣餒。總而言之,這本書完美地平衡瞭“理論的深度”和“實踐的廣度”,讓數學從一個冰冷的工具箱,變成瞭一個充滿活力的思維模型。

评分☆☆☆☆☆

說實話,作為一名專注於後端服務的工程師,我一度認為自己隻需要掌握數據庫的範式和基本的離散結構就夠瞭,對高等數學和連續數學不屑一顧。這本書強行給我上瞭一課,讓我意識到自己的認知多麼狹隘。它用非常直觀的例子解釋瞭傅裏葉變換在信號處理和數據壓縮中的威力,並將其巧妙地轉化為瞭在處理大規模數據流時的“頻域分析”思路——即便我暫時不用去寫DSP代碼,這種“從時域到頻域”的視角轉換,也極大地拓寬瞭我對數據特徵提取的理解。更讓我印象深刻的是,書中對“數值穩定性”的討論。它沒有迴避浮點數運算帶來的精度損失問題,而是通過矩陣求逆、特徵值分解等綫性代數的工具,係統地分析瞭數值誤差的傳播路徑,這對於編寫需要高度精確計算的金融或科學計算模塊至關重要。這本書的價值在於,它係統性地梳理瞭數學理論在計算機科學各個細分領域中的“隱性應用”,很多我以前認為是“領域內知識”的東西,其實底層都是由統一的數學原理支撐的。它提供瞭一種俯瞰整個計算機科學全貌的製高點。

评分☆☆☆☆☆

很好,作者的例子簡單易懂,很適閤 python 和 機器學習初學者

评分☆☆☆☆☆

很好,作者的例子簡單易懂,很適閤 python 和 機器學習初學者

评分☆☆☆☆☆

很不錯的書,用代碼的方式學數學。

评分☆☆☆☆☆

很不錯,例子都簡單明瞭,很有意思!

评分☆☆☆☆☆

深入淺齣, 癱瘓式手把手教程, 配閤代碼附件,非常棒。

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