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本书特色:
★在保证表达准确的前提下,尽可能用通俗易懂的语言深入浅出地介绍离散数学,着重突出数学概念和定理的思想、本质。
★本书在每个章节穿插丰富的应用实例,使得读者在学习离散数学理论知识的同时,还能够系统地掌握离散数学的应用知识。
★涵盖集合论、数理逻辑、图论、数论、组合分析、代数结构全部六个数学分支的基本内容。
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《离散数学及其应用》全面系统地介绍了离散数学的基本理论与应用技术,内容主要包括集合与关系理论、组合计算方法与应用、整数与算法设计知识、数理逻辑演算与推理、图模型的基本理论与算法、抽象代数的基础知识等。《离散数学及其应用》注重知识的应用性、表达的可读性和体系的完备性,将分布在不同数学分支的离散数学知识点进行凝练和优化,形成一套相对完备的离散数学知识体系,并且在每个章节穿插丰富的应用实例,使得读者在学习离散数学理论知识的同时,还能比较系统地掌握离散数学的应用知识。《离散数学及其应用》用通俗易懂的语言深入浅出地表达知识内容,着重突出数学概念和定理的思想、本质,而不仅仅是形式化描述,使得广大读者能够通过自己的努力就可以不太困难地掌握离散数学的内容。另外,每章均配有一定数量的习题,供读者练习。 《离散数学及其应用》内容丰富、思路清晰、实例讲解详细、图例直观形象,适合作为计算机及相关专业的本科生教材,也可供工程技术人员和自学读者学习参考。
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本书特色:
★在保证表达准确的前提下,尽可能用通俗易懂的语言深入浅出地介绍离散数学,着重突出数学概念和定理的思想、本质。
★本书在每个章节穿插丰富的应用实例,使得读者在学习离散数学理论知识的同时,还能够系统地掌握离散数学的应用知识。
★涵盖集合论、数理逻辑、图论、数论、组合分析、代数结构全部六个数学分支的基本内容。
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《离散数学及其应用》全面系统地介绍了离散数学的基本理论与应用技术,内容主要包括集合与关系理论、组合计算方法与应用、整数与算法设计知识、数理逻辑演算与推理、图模型的基本理论与算法、抽象代数的基础知识等。《离散数学及其应用》注重知识的应用性、表达的可读性和体系的完备性,将分布在不同数学分支的离散数学知识点进行凝练和优化,形成一套相对完备的离散数学知识体系,并且在每个章节穿插丰富的应用实例,使得读者在学习离散数学理论知识的同时,还能比较系统地掌握离散数学的应用知识。《离散数学及其应用》用通俗易懂的语言深入浅出地表达知识内容,着重突出数学概念和定理的思想、本质,而不仅仅是形式化描述,使得广大读者能够通过自己的努力就可以不太困难地掌握离散数学的内容。另外,每章均配有一定数量的习题,供读者练习。 《离散数学及其应用》内容丰富、思路清晰、实例讲解详细、图例直观形象,适合作为计算机及相关专业的本科生教材,也可供工程技术人员和自学读者学习参考。
前言
第1章集合与计数基础
1.1集合的基本知识
1.1.1数学危机与集合论
1.1.2集合的概念与表示
1.1.3集合的基本运算
1.1.4集合的二进制表示
1.2可数集与不可数集
1.2.1无限集的度量问题
1.2.2自然数集的定义
1.2.3无限集的基数比较
1.3有限集的基本计数技术
1.3.1加法原理与乘法原理
1.3.2容斥原理与鸽笼原理
1.3.3排列计数与组合计数
1.4有限集的高级计数技术
1.4.1递推关系计数法
1.4.2递推关系的求解
1.4.3生成函数计数法
1.5习题
第2章整数与算法设计基础
2.1整数的基本知识
2.1.1整数与整数除法
2.1.2整数的因数分解
2.1.3素数的性质与查找
2.2同余算术及其应用
2.2.1同余关系及其运算
2.2.2同余方程与方程组
2.2.3整数加密算法
2.3算法设计的基本知识
2.3.1算法的基本概念
2.3.2算法效率的度量
2.3.3算法设计应用举例
2.4算法设计策略与应用
2.4.1蛮力与贪心策略
2.4.2递归与分治策略
2.4.3回溯与动态规划策略
2.5习题
第3章命题演算与推理
3.1命题的概念与运算
3.1.1逻辑与命题逻辑
3.1.2命题的基本概念
3.1.3命题的常用联结词
3.2命题公式与等值演算
3.2.1命题公式的基本知识
3.2.2等值关系与等值演算
3.2.3公式的内否与对偶
3.3联结词的完备集
3.3.1联结词的枚举
3.3.2联结词的完备性
3.3.3联结词的应用
3.4命题公式的范式
3.4.1范式的基本概念
3.4.2主析取范式
3.4.3主合取范式
3.4.4主范式间的联系
3.5命题逻辑的演绎推理
3.5.1永真蕴含关系与判定
3.5.2命题公式推演系统
3.5.3命题推证的基本策略
3.6命题逻辑的应用
3.6.1刑侦推断问题
3.6.2组合逻辑电路设计
3.6.3加法器电路设计
3.7习题
第4章谓词演算与推理
4.1个体词、谓词与量词
4.1.1逻辑与谓词逻辑
4.1.2命题函数与谓词
4.1.3量词与特性谓词
4.2谓词公式与等值演算
4.2.1谓词公式的概念
4.2.2变量的自由与约束
4.2.3谓词公式的解释与分类
4.2.4谓词公式的等值与蕴含
4.3谓词公式的范式
4.3.1等值型范式
4.3.2非等值型范式
4.4谓词逻辑的推理
4.4.1谓词公式的推演系统
4.4.2谓词推证的基本方法
4.4.3谓词推理实例选讲
4.5谓词逻辑的应用
4.5.1摘香蕉问题
4.5.2水容器问题
4.6习题
第5章关系模型与理论
5.1关系的数学模型
5.1.1序偶与笛卡儿积
5.1.2关系的概念
5.1.3关系的表示
5.2关系的基本运算
5.2.1关系的集合运算
5.2.2关系的复合运算
5.2.3幂关系与逆关系
5.3关系的基本性质
5.3.1关系的自反与反自反
5.3.2关系的对称与反对称
5.3.3关系的传递性
5.3.4关系性质的判定
5.4关系的性质闭包
5.4.1关系闭包的概念
5.4.2传递闭包的构造
5.4.3关系闭包的性质
5.5关系模型的应用
5.5.1关系代数模型
5.5.2关系演算模型
5.6习题
第6章特殊关系模型
6.1等价关系与元素分类
6.1.1等价关系与等价类
6.1.2集合的划分与商集
6.2相容关系与元素聚类
6.2.1相容关系与相容类
6.2.2集合的覆盖
6.3偏序关系与元素比较
6.3.1偏序关系与哈斯图
6.3.2偏序集的特殊元素
6.3.3全序与良序
6.4特殊关系的应用
6.4.1粗集定义问题
6.4.2得分评判问题
6.5习题
第7章函数与特殊函数
7.1函数的基本概念
7.1.1函数的集合定义
7.1.2函数的基本类型
7.1.3常用特殊函数
7.2函数的基本运算
7.2.1函数的复合运算
7.2.2函数的逆运算
7.2.3函数的递归运算
7.3集合的特征函数
7.3.1特征函数的概念
7.3.2特征函数的运算
7.4有限集的置换函数
7.4.1置换函数的概念
7.4.2置换函数的运算
7.4.3置换的轮换分解
7.5函数关系的应用
7.5.1哈希查找问题
7.5.2宽带分配问题
7.6习题
第8章图的基本理论与算法
8.1图的概念与表示
8.1.1图模型的由来
8.1.2图的定义与分类
8.1.3图的表示方法
8.2图的运算与结构
8.2.1图的基本运算
8.2.2图模型的度结构
8.2.3图同构及其判定
8.3图的通路与连通性
8.3.1通路的概念与计数
8.3.2可达性及其判定
8.3.3无向图的连通性
8.3.4有向图的连通性
8.4图模型的基本算法
8.4.1深度优先搜索
8.4.2广度优先搜索
8.4.3单源最短路径
8.4.4多源最短路径
8.5图模型的应用
8.5.1交通灯相位问题
8.5.2作业规划问题
8.5.3机器学习问题
8.6习题
第9章树的基本理论与算法
9.1无向树的基本知识
9.1.1无向树的概念与性质
9.1.2无向图的生成树
9.1.3最小生成树
9.2根树的基本知识
9.2.1有向树与根树
9.2.2根树的基本算法
9.2.3前缀码与最优树
9.3特殊根树与算法
9.3.1平衡树模型
9.3.2红黑树模型
9.3.3B树模型
9.4树模型的应用
9.4.1找假币问题
9.4.2轮流摸牌问题
9.4.3关键道路问题
9.5习题
第10章特殊图模型与算法
10.1欧拉图与哈密顿图
10.1.1欧拉图及其性质
10.1.2哈密顿图及其性质
10.1.3中国邮路问题
10.2二分图与匹配问题
10.2.1二分图的概念与性质
10.2.2完备匹配与最大匹配
10.2.3最大匹配判定与构造
10.3平面图与着色问题
10.3.1平面图的概念与性质
10.3.2平面图的对偶图
10.3.3着色问题与算法
10.4网络流图及其优化问题
10.4.1流网络与切割
10.4.2最大流求解算法
10.5特殊图模型的应用
10.5.1鼓轮设计问题
10.5.2最优路线问题
10.5.3稳定婚配问题
10.6习题
附录A抽象代数结构基本知识
参考文献
前言 一般来说,科学技术的专业研究或研发需要解决如下四个层次的基本问题:首先,要有一个基本的思想或创意;其次,建立一套基本理论支撑这个思想或创意;再次,用相关的数学理论或模型来量化表示、分析这套理论;最后,根据数学理论或数学模型实现对若干理论问题的求解,实现想法或创意。比如说,希望人类能像鸟儿一样在天上飞翔。这就是一个想法,从专业角度看,要实现这个想法就必须建立一套空气动力学理论来论证该想法的合理性、可行性,使用数学方法实现对该理论的定量分析并探索问题的求解方案。具体地说,就是建立若干代数方程或微分方程实现对该理论的数学建模,并通过求解这些方程探索飞行器设计与制造问题的求解方案。因此,任何一门科学技术专业都有一套与之紧密相关的数学理论为其提供坚实的基础和定量分析工具。 我们知道,18世纪机械工业革命的核心技术物理学、力学取得了巨大进步,而支撑物理学、力学巨大进步的基础正是微积分的发明和发展。如今,我们已经进入信息社会,信息社会的核心是计算机科学与技术。那么,作为能够有效支撑物理学的微积分是否能有效支撑计算机科学与技术呢?很遗憾,答案是否定的。微积分虽然能够解决计算机与信息科学的部分问题,但是不足以完全支撑整个计算机与信息科学。因为计算机系统本质上是一种离散系统,只能进行有限次计算或信息处理,而且要求所用求解方法必须是满足规定处理效率的构造性方法。然而,微积分以极限或无限为基础,在很多方面难以满足计算机问题求解的需要。因此,对于计算机相关专业的学生来说,除了要学好微积分等现有工科数学之外,还必须牢固掌握与计算机专业技术紧密相关的计算机专业数学。 由于计算机是一种离散系统,处理对象是离散量或离散化的连续量。因此,通常将计算机专业数学称为离散数学。离散数学包含了人类在创造、运用和研究计算机过程中所使用的基本数学方法和数学思想,以及与这些数学问题相关的基础知识。可以这样说,正如微积分支撑了作为近代工业文明基础的物理学,离散数学支撑了作为现代信息社会基础的计算机科学与技术。事实上,学好离散数学不仅可以为计算机后续几乎所有软硬件专业课程奠定必需的入门知识基础,而且能够培养出良好的逻辑思维、算法思维和抽象思维能力,为计算机科学技术的理论研究和应用开发打下一个坚实的数学理论基础。 离散数学是一门综合数学学科,主要包括集合论、数理逻辑、图论、数论、组合分析、代数结构六个数学分支,分别从不同角度出发研究各种离散数学结构、分析离散量之间数与形的关系,以充分满足计算机相关学科对离散量进行表示和处理的数学需求。离散数学所含知识内容广泛,涉及多个不同的数学分支和思维方式,为广大初学者学习和掌握离散数学知识带来一定困难。为此,编者编写了这本离散数学教程,以较好地满足广大读者系统地学习和掌握离散数学知识的需要。关于本书的编写,编者着重考虑如下三个要点: 第一,强调应用性。一项知识有了具体的应用,大家自然会感兴趣,兴趣是最好的老师和学习动力。因此,本书在每个章节穿插丰富的应用实例,使得读者在学习离散数学理论知识的同时,还能够系统地掌握离散数学的应用知识。 第二,强调可读性。本书站在本科生低年级的思维角度进行编写,在保证表达准确的前提下,尽可能用通俗易懂的语言深入浅出地介绍离散数学,着重突出数学概念和定理的思想、本质,而不仅仅是形式化描述,使得广大读者能够通过自己的努力就可以不太困难地掌握离散数学的基本理论和应用知识。 第三,强调完备性。本书旨在为整个计算机学科提供一套相对完备的基本数学理论,涵盖集合论、数理逻辑、图论、数论、组合分析、代数结构全部六个数学分支的基本内容,通过对相关知识点的凝练和结构优化,使得这六部分内容形成一个完备统一的整体。 全书内容一共分为十章和附录: 第1章和第2章是全书最基础的知识。第1章主要介绍集合、自然数与组合计数的初步知识;第2章将自然数集合这种最基本的离散结构扩展到整数集合,考察整数的基本理论,并以整数算法为切入点讨论算法的基本知识和设计策略。 第3章和第4章介绍数理逻辑的基本知识,为后续内容提供逻辑表达和处理工具。第3章主要介绍命题逻辑演算与推理;第4章则是将数理逻辑由命题判断的层次进一步推进到更为精细复杂的概念层次,考察基于概念演算的谓词逻辑。 随后的连续三章介绍关系的基本理论与应用。第5章从集合的角度介绍关系的数学模型,包括关系的基本概念、运算和性质;第6章主要介绍等价、相容和偏序这三种特殊关系的数学模型与性质;第7章主要从关系的角度考察函数与映射的概念,可以看成是关系理论的一种应用。其实,关系理论是整个离散数学知识体系的枢纽,一头联系集合论,另一头联系图论,同时关系数学模型的表达和演算还可以看成是谓词逻辑的一个直接应用。 第8、9、10章则是从二元关系的角度介绍和讨论图模型的基本理论与应用。第8章介绍图模型的基本知识与算法;第9章介绍树模型的基本知识与算法;第10章介绍若干特殊图模型的基本知识与算法,包括欧拉图、哈密顿图、二分图、平面图、网络流图。 附录A通过二维码形式介绍抽象代数结构的基本知识,读者也可以通过下列网址下载这部分内容的电子文档:http://panbaiducom/s/1pL3Cmuf。 本书读者对象为计算机科学与技术专业、软件工程专业、信息安全专业、物联网专业、电子信息工程专业、自动化专业、信息与计算科学专业的本科生和低年级研究生,以及相关专业的广大科技工作者。 感谢研究生谢云飞、孙伟、曹浩宇、刘雷雷、钟欣、汪庆辉、张永刚、江迪、陈龙、俞鹏飞、姚旭晨、李文静、郑岩,以及本科生徐玲、耿晶晶、许超婷、张舒梅、熊少昆等同学提供的帮助,感谢合肥工业大学计算机与信息学院的大力支持。 由于时间仓促,书中难免存在不妥之处,敬请读者不吝指正! 编者
随手扫一扫~了解多多