计算理论导论(英文版)数学基础
计算理论导论(英文版)前言01

What the course is about
The theory of computation represents a fascinating landscape that intersects交叉computer science and mathematics and can be roughly divided into three overlapping areas: AUTOMATA AND LANGUAGES, COMPUTABILITY THEORY , and COMPLEXITY THEORY .
Several different computational models were devised by these early researchers. One model, the Turing machine, stores characters on an infinitely long tape, with one square at any given time being scanned by a read/write head. Another model, recursive functions, uses functions and function composition to
The first step was to define what was meant by a "simple method" for solving a problem, implying a need for a formal model of computation.
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computational models
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2 What the course is about
计算理论基础课件_Introduction..40页PPT

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6、黄金时代是在我们的前面,而不在 我们的 后面。
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7、心急吃不了热汤圆。
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8、你可以很有个性,但某些时候请收 敛。
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Hale Waihona Puke 9、只为成功找方法,不为失败找借口 (蹩脚 的工人 总是说 工具不 好)。
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10、只要下定决心克服恐惧,便几乎 能克服 任何恐 惧。因 为,请 记住, 除了在 脑海中 ,恐惧 无处藏 身。-- 戴尔. 卡耐基 。
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
谢谢!
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ,而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸,生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业,需 要决心 ,能力 ,组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
计算理论基础课件_Introduction..

计算表格
程序 Let me see
一个一般的计算过程
图灵机:现代计算机的理论模型
两端无限长的纸带
与现代计算机相同 之处:程序与数据 混合在一起,由控 制器控制执行
控制器( 读写或计算)
与现代计算机 不同:内存无 限大!没有考 虑输入与输出 !(所有信息 都在子带上)
图灵对可计算的定义:
被求解问题需要形式化; 必须设计一个算法; 算法需要有合理的复杂度(空间与时间 复杂度)
什么是可以计算的
X Y Z ( X , Y , Z R, n 3)
n n n
费马定理
费马声称当n>2时,就找不到满足 xn +yn = zn的整数解
计算的验证形式
数据测试
形式化测试
C. Antony R. Hoare Hoare 逻辑
完成形式化证明的杰出工作,但是仍旧存在困 难(本书介绍的内容基本属于形式化问题)
Gö del's Theorem has been used to argue that a computer can never be as smart as a human being because the extent of its knowledge is limited by a fixed set of axioms, whereas people can discover unexpected truths ...
是物理机械平台,而非数学逻辑平台 当时工艺机械达到了设计这种机械平台 的能力!
图灵对计算机智能的思考
“计算机会思考么?”,这样的问题是 没有什么意义的。 (图灵,1950年) 但是我们可以通过如下测试去判断计算 机是否有智能?
计算机科学导论_Introduction

建立数学模型:将一个现实问题转化成可以被 计算的任务(数学建模)
设计算法:准确而完整地描述可在计算机上执 行的一个求解方案
编写程序或设计硬件逻辑:通过软件或硬件实 现求解方案
可见,软件程序和硬件逻辑都是建立在数 学模型基础上的
计算机科学的数学理论体系
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
数学之外的理科:
应试教育:注重结论性的东西,忽视问题的提 出、过程的探究、实验设计的原始思路
人工智能:擅长学习已有的知识,在自然问题 和工程问题的提出、探究、实验方面只能起辅 助作用
现行教育方式与人工智能学习特点 高度重合
应试教育正在产生一大批“在思想层面上 类人工智能化,而在执行力层面上远低于 人工智能”的学生:
数值计算:
主要包括数值分析、数学分析、线性代数、计算几 何、概率论与数理统计
离散数学:
一般认为包含集合论、逻辑学、代数学、图论、组 合学
数论:
包括初等数论、解析数论、代数数论、几何数论
计算理论:
主要包括算法学、计算复杂性理论、程序理论
离散数学
离散数学是研究离散量的结构及其相互关系的数 学学科
如何学好数学?
关注数学的来龙去脉,知道数学概念、方法和理论的 产生渊源和发展过程:
它们为什么提出来?要解决什么问题? 理解数学的精神实质和思想方法:
注重思考和理解,不要死记硬背数学知识,要活学要用 对于实际问题要能建立正确的数学模型,然后运用已知的数
学工具加以解决
严格训练,培养抽象思维、逻辑推理和归纳构造能力:
数学是一门关键的技术:
数学的思想和方法与高度发展的计算技术相结合,形成 了一种关键性的、可实现的技术,称为“数学技术”
计算机专业应该掌握的理论知识

首先,应该意识到数学修养的重要性。
作为一个优秀的程序员,一定的数学修养是十分重要也是必要的。
数学是自然科学的基础,计算机科学实际上是数学的一个分支。
计算机理论其实是很多数学知识的融合,软件工程需要图论,密码学需要数论,软件测试需要组合数学,计算机程序的编制更需要很多的数学知识,如集合论、排队论、离散数学、统计学,当然还有微积分。
计算机科学一个最大的特征是信息与知识更新速度很快,随着数学知识与计算机理论的进一步结合,数据挖掘、模式识别、神经网络等分支科学得到了迅速发展,控制论、模糊数学、耗散理论、分形科学都促进了计算机软件理论、信息管理技术的发展。
严格的说,一个数学基础不扎实的程序不能算一个合格的程序员,很多介绍计算机算法的书籍本身也就是数学知识的应用与计算机实现手册。
第一部是《算法导论》,英文名称:Introduction to Algorithms,作者:Thomas H. Cormen ,Ch arles E. Leiserson ,Ronald L. Rivest ,Clifford Stein。
本书的主要作者来自麻省理工大学计算机,作者之一Ronald L.Rivest 由于其在公开秘钥密码算法RSA上的贡献获得了图灵奖。
这本书目前是算法的标准教材,美国许多名校的计算机系都使用它,国内有些院校也将本书作为算法课程的教材。
另外许多专业人员也经常引用它。
本书基本包含了所有的经典算法,程序全部由伪代码实现,这更增添了本书的通用性,使得利用各种程序设计语言进行程序开发的程序员都可以作为参考。
语言方面通俗,很适合作为算法教材和自学算法之用。
另一部是很多人都应该知道的Donald.E.Knuth所著《计算机程序设计艺术》,英文名称:The Art of Computer Programming。
Donald.E.Knuth人生最辉煌的时刻在斯坦福大学计算机系渡过,美国计算机协会图灵奖的获得者,是本领域内当之无愧的泰斗。
唐常杰翻译的计算理论导引

周学时 4
任课教师 唐常杰
时间 每周三 8:00-11:35
地点 研 3-301
教材 Material: Michael Sipser (MIT)
[Required] Sipser, Michael, Introduction to the Theory of Computation. PWS Publishing Company, 1997. (Both first and second printing are okay. ISBN 0-619-21674-2)
CS_Dept.Sichaun Univ.
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本电子教案由机械工业出版社出版
可计算理论 2020/9/11
CS_Dept.Sichaun Univ.
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请提改进意见
任课教师 : 唐常杰 联系信息 四川大学计算机科学与技术系 主任。 博士生导师 中国计算机学会数据库专业委员会副主任 下载教案网址 机械工业出版社网址 或 下列网址
内容 Chapters 0 - 8.3 (up to the PSPACE-completeness of TQBF)
可计算理论 2020/9/11
CS_Dept.Sichaun Univ.
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关于选择教材的体会
2001-2002 我们采用教材为: Lewis, Harry R., and Papadimitriou, Christos H., Elements of the Theory of Computation, 2nd ed. Prentice-Hall, 1997.
川大计算机学院: /~tangchangjie/teach/tang_teaching.htm
数值计算基础 英文

数值计算基础英文The foundation of numerical computation involves the fundamental principles and techniques used in performing mathematical calculations using numerical values. It encompasses various mathematical operations such as addition, subtraction, multiplication, division, exponentiation, and root extraction. Additionally, it includes concepts related to numerical methods, numerical analysis, and computational mathematics.Numerical computation serves as the basis for various fields such as engineering, physics, computer science, and finance. It is essential for solving complex mathematical problems and simulating real-world phenomena through computational models. Understanding the basics of numerical computation is crucial for accurately representing, analyzing, and interpreting quantitative data in diverse applications.In numerical computation, it is important to considerthe precision of numerical values, the impact of rounding errors, and the selection of appropriate algorithms for different types of calculations. Additionally, the representation of numbers in different formats such as floating-point representation and fixed-point representation is a key aspect of numerical computation.Moreover, the study of numerical computation involves the analysis of convergence, stability, and accuracy of numerical algorithms. It also encompasses the utilization of computational tools and software for efficient and reliable numerical calculations.Overall, a strong foundation in numerical computation is essential for professionals and students in various fields to effectively tackle mathematical problems, optimize algorithms, and make informed decisions based on numerical analysis. It provides the necessary skills to leverage computational resources for problem-solving and decision-making in diverse disciplines.。
计算引论教学大纲-中文版

课程名称:中文:计算理论导论英文:Introduction to the Theory of Computation先修课程:《数据结构与算法》或《算法分析与设计》,《程序设计》教材:<Introduction to the Theory of Computation>(《计算理论导论》), Michael Sipser, 机械工业出版社.参考书:1.<Introduction to Automata Theory, Languages, and Computation>(《自动机理论、语言和计算导论》), John E. Hopcroft, Rajeev Motwani, and Jeffrey D. Ullman. 清华大学出版社内容简介:本课程主要讲述计算机的三个数学模型,即有穷自动机、下推自动机(上下文无关文法)和图灵机。
涉及了计算理论的自动机、可计算性两个中心领域,辅之计算复杂性领域。
学习本门课后学生应该能够回答下述问题:什么使得某些问题难计算而其他问题易于计算?什么问题是计算机可以解决的,什么问题是计算机根本无法解决的?课程主要内容包括:1.相关数学概念与术语介绍 ; 2.有穷自动机、正则语言和非确定性; 3.DFA 与 NFA的等价性,正则语言的性质; 4.正则语言与正则表达式; 5.非正则语言; 6.上下文无关语言与上下文无关文法; 7.下推自动机; 8.非上下文无关语言; 9.图灵机形式定义,多带图灵机、非确定型图灵机和枚举器; 10.希尔伯特问题和算法定义; 11.可判定语言:与正则语言、上下文无关语言相关的可判定问题; 12.停机问题:对角化方法,停机问题的不可判定性; 13.不可判定语言:语言理论归约、计算历史归约; 14.PCP,映射归约; 15.计算复杂性、P、NP、NPC。
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N-ary relation
1-ary relation 2-ary relation 3-ary relation
unary relations binary relations ternary relations
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5 composition
QR= {(a,b): for some c, (a,c)Q and (c,b) R }
Composition of f: AB and g:B C is a function h from A to C such that h(a)=g(f(a)).
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6 special types of binary relations
directed graph
Node Edges Notes: do not allow “parallel arrows”.
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written
Listing Refer to other sets and properties
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Set operations
Union: AB Intersection: AB Complement: A Difference: A-B Disjoint Sets: AB=Null
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A path in a binary relation R is a sequence (a1,..,an) for some n1 such that (ai, ai+1)R for i=1, …, n-1; this path is said to be from a1 to an. The length of a path (a1,..,an) is n. The path (a1,..,an) is a cycle if the ai’s are all distinct and also (an, a1) R .
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Finite and Infinite Sets
1.4
Size We call two sets A and B equinumerous if there is a bijection f: A B . Equinumerosity is a symmetric relation Equinumerosity is a equivalence relation
For the objects belong to the relation No the objects not distinguished
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Ordered Pairs
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Cartesian product
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Binary relation
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Ordered tuple
Ordered 2-tuple
All of the elements on the diagonal line of its matrix are 1.
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Symmetric
A relation RA×A is symmetric if (b,a) R whenever (a,b) R. In the directed graph representing a symmetric relation, whenever there is an arrow between two nodes, there are arrows between those nodes in both directions. Characteristics of matrix?
elements Color(R1) Shape(R2) Size(R3) x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 red blue red blue yellow yellow red yellow round square triangular triangular round Square triangular triangular Small Large Small Small Small Small Large Large
Example: {(a,b): a and b are persons with the same father}
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undirected graph
A symmetric relation without pairs of the form (a,a) is represented as an undirected graph, or simple a graph.
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Laws and Properties
Commutative law Associative law Distributive law Absorption law Demogan’s law Idempotent law
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Super Set
A collection of any sets
ordered pairs
Ordered Ordered Ordered Ordered
3-tuple ordered triples 4-tuple quadruples 5-tuple quintuples 6-tuple sextuples Sequence is an ordered n-tuple for some unspecified n, where n is the length of the sequence. N-fold Cartesian product
Chapter 0: Introduction, mathematical notation, proof techniques
1
0.2.1 Standard Set Theory review
A set is an unordered collection of objects.
Elements ( members) Multiset - Do distinguish repetitions of the elements {7,7} and {7}
R1={(x,y):x C, y S, and x is a city in state y} R2={(x, y):x S, y C, and y is a city in state x}
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2 expression
Domain f(a) image of a under f
f: AB f(a) = b
1 0 if ( a , b ) f otherwise
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Adjacent matrix
M [a, b] {
Properties of relations
Reflexive Symmetric
Asymmetric Anti-symmetric
Transitive
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Reflexive
Argument
value
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3 Certain kinds of functions
One-to-one 一对一 Onto 满射 Bijection 双射
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4 Inverse of a binary relation R-1
Note
The inverse of a function need not be a function. If f is a bijection, f -1 is a function. f -1(f(a))=a , for each aA; f (f -1(b))=b , for each bB;a,b∈A ∧ a≠b源自∧ (a,b)R → (b,a)R
Example1: Let P be the set of all persons, {(a,b): a ,b P and a is the father of b}
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Transitive
A relation RA×A is transitive if whenever (a , b) R and (b, c) R, then (a , c) R. In terms of the directed graph representation, transitivity is equivalent to the requirement that whenever there is a sequence of arrows leading from an element a to an element z, there is an arrow directly from a to z.
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Asymmetric (非对称性)
A relation RA×A is asymmetric if: ∃(a, b ∈ A ∧ (a , b) R → (b , a) R )
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Antisymmetric (反对称性)
A relation RA×A is anti-symmetric :
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infinite
S S
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Coverage
Difference between coverage and partition
10
0.2.2 sequences and tuples
How to express relations between objects The language of sets