離散數(shù)學(xué)概述

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1、離 散 數(shù) 學(xué) 概 述離 散 數(shù) 學(xué) 課 程 名 稱q離 散 數(shù) 學(xué) Discrete Mathematicsq離 散 數(shù) 學(xué) 結(jié) 構(gòu) Discrete Mathematical Structures 課 程 簡 介q離 散 數(shù) 學(xué) , 是 現(xiàn) 代 數(shù) 學(xué) 的 一 個(gè) 重 要 分 支 , 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 與技 術(shù) 一 級(jí) 學(xué) 科 的 核 心 課 程 , 是 整 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 學(xué) 科 的 專 業(yè) 基礎(chǔ) 課 。q離 散 數(shù) 學(xué) 是 以 研 究 離 散 量 的 結(jié) 構(gòu) 和 相 互 間 的 關(guān) 系 為 主 要目 標(biāo) , 其 研 究 對(duì) 象 一 般 地 是 有 限 個(gè) 或 可 數(shù) 個(gè) 元 素 ,

2、因 此它 充 分 描 述 了 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 離 散 性 的 特 點(diǎn) 。q離 散 數(shù) 學(xué) 是 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 的 發(fā) 展 而 逐 步 建 立 的 , 它 形成 于 七 十 年 代 初 期 , 是 一 門 新 興 的 工 具 性 學(xué) 科 。 后 續(xù) 課 程數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 操 作 系 統(tǒng)編 譯 理 論 算 法 分 析系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 容 錯(cuò) 判 斷機(jī) 器 定 理 證 明 數(shù) 據(jù) 庫 原 理人 工 智 能 離 散 數(shù) 學(xué) 的 發(fā) 展q18世 紀(jì) 以 前 , 數(shù) 學(xué) 基 本 上 是 研 究 離 散 對(duì) 象 的 數(shù) 量 和 空 間 關(guān) 系的 科 學(xué) 。q之 后 ,因 天 文 學(xué) ,物 理

3、學(xué) 的 發(fā) 展 ,如 行 星 軌 道 ,牛 頓 三 大 力 學(xué) 定律 等 研 究 ,極 大 地 推 動(dòng) 了 連 續(xù) 數(shù) 學(xué) (以 微 積 分 ,數(shù) 學(xué) 物 理 方 程 , 實(shí) 、 復(fù) 變 函 數(shù) 論 為 代 表 )的 發(fā) 展 。q離 散 對(duì) 象 的 研 究 則 處 于 停 滯 狀 態(tài) 。q20世 紀(jì) 30年 代 , 圖 靈 提 出 計(jì) 算 機(jī) 的 理 論 模 型 圖 靈 機(jī) 。q這 種 模 型 早 于 實(shí) 際 制 造 計(jì) 算 機(jī) 十 多 年 ,現(xiàn) 實(shí) 的 計(jì) 算 機(jī) 的 計(jì) 算能 力 , 本 質(zhì) 上 和 圖 靈 機(jī) 的 計(jì) 算 能 力 一 樣 。q由 于 在 計(jì) 算 機(jī) 內(nèi) ,機(jī) 器 字 長

4、總 是 有 限 的 , 它 代 表 離 散 的 數(shù) 或其 它 離 散 對(duì) 象 , 因 此 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 和 技 術(shù) 的 迅 猛 發(fā) 展 ,離 散 數(shù) 學(xué) 就 顯 得 重 要 。 離 散 數(shù) 學(xué) 的 內(nèi) 容q數(shù) 理 邏 輯 : “ 證 明 ” 在 計(jì) 算 科 學(xué) 的 某 些 領(lǐng) 域 至 關(guān) 重 要 , 構(gòu)造 一 個(gè) 證 明 和 寫 一 個(gè) 程 序 的 思 維 過 程 在 本 質(zhì) 上 是 一 樣 的 。q組 合 分 析 : 解 決 問 題 的 一 個(gè) 重 要 方 面 就 是 計(jì) 數(shù) 或 枚 舉 對(duì) 象 。q離 散 結(jié) 構(gòu) : 用 來 表 示 離 散 對(duì) 象 以 及 它 們 之 間 關(guān)

5、 系 的 抽 象 數(shù) 學(xué)結(jié) 構(gòu) , 包 括 : 集 合 、 排 列 、 關(guān) 系 、 樹 、 圖 。q算 法 化 思 維 : 許 多 問 題 都 可 以 通 過 構(gòu) 造 一 個(gè) 可 以 被 程 序 實(shí) 現(xiàn)的 算 法 來 解 決 。 它 的 三 個(gè) 步 驟 是 : 構(gòu) 造 ( 選 擇 合 適 的 離 散 模型 和 操 作 步 驟 ) 、 驗(yàn) 證 ( 算 法 的 正 確 性 ) 、 評(píng) 估 ( 時(shí) 間 和 空間 的 復(fù) 雜 性 ) 。q應(yīng) 用 和 建 模 : 在 可 以 想 到 的 任 何 研 究 領(lǐng) 域 都 有 離 散 數(shù) 學(xué) 的 應(yīng)用 。 計(jì) 算 科 學(xué) 、 化 學(xué) 、 植 物 學(xué) 、 動(dòng) 物

6、學(xué) 、 語 言 學(xué) 、 地 理 、 經(jīng) 濟(jì) 學(xué) 等 , 構(gòu) 造 離 散 模 型 都 是 極 其 有 用 的 解 決 問 題 的 方 法 。 教 學(xué) 內(nèi) 容 集 合 論數(shù) 理 邏 輯 圖 論代 數(shù) 結(jié) 構(gòu) 為 什 么 要 學(xué) 離 散 數(shù) 學(xué) q計(jì) 算 機(jī) 求 解 的 基 本 模 式 是 :實(shí) 際 問 題 數(shù) 學(xué) 建 模 算 法 設(shè) 計(jì) 編 程 實(shí) 現(xiàn) q離 散 數(shù) 學(xué) 為 數(shù) 學(xué) 建 模 打 下 知 識(shí) 基 礎(chǔ) 、 為 算 法 設(shè) 計(jì) 提 供 具 體指 導(dǎo)q離 散 數(shù) 學(xué) 結(jié) 構(gòu) 實(shí) 際 上 就 是 通 用 的 抽 象 的 模 式 的 集 合 。 告 訴你 各 種 模 式 的 本 質(zhì) 特 征 和

7、 它 們 之 間 的 關(guān) 系 , 以 及 選 用 它 們的 策 略 ; 告 訴 你 哪 些 問 題 是 可 解 的 , 哪 些 是 當(dāng) 前 在 圖 靈 機(jī)模 型 上 無 ( 最 優(yōu) ) 解 的 , 哪 些 是 可 以 得 到 近 似 /較 優(yōu) 解 的 。q簡 而 言 之 , 離 散 數(shù) 學(xué) 的 作 用 就 在 于 訓(xùn) 練 運(yùn) 用 離 散 結(jié) 構(gòu) 作 為問 題 的 抽 象 模 型 、 構(gòu) 造 算 法 、 解 決 問 題 的 能 力 。 離 散 數(shù) 學(xué) 的 應(yīng) 用 舉 例q關(guān) 系 型 數(shù) 據(jù) 庫 的 設(shè) 計(jì) ( 關(guān) 系 代 數(shù) )q表 達(dá) 式 解 析 ( 樹 )q優(yōu) 化 編 譯 器 的 構(gòu) 造 (

8、 閉 包 )q編 譯 技 術(shù) 、 程 序 設(shè) 計(jì) 語 言 ( 代 數(shù) 結(jié) 構(gòu) )qLisp和 Prolog、 人 工 智 能 、 自 動(dòng) 推 理 、 機(jī) 器 證 明 ( 數(shù) 理 邏 輯 )q網(wǎng) 絡(luò) 路 由 算 法 ( 圖 論 )q游 戲 中 的 人 工 智 能 算 法 ( 圖 論 、 樹 、 博 弈 論 )q專 家 系 統(tǒng) ( 集 合 論 、 數(shù) 理 邏 輯 知 識(shí) 和 推 理 規(guī) 則 的 計(jì) 算 機(jī) 表 達(dá) )q軟 件 工 程 團(tuán) 隊(duì) 開 發(fā) 時(shí) 間 和 分 工 的 優(yōu) 化 ( 圖 論 網(wǎng) 絡(luò) 、 劃 分 ) q(各 種 )算 法 的 構(gòu) 造 、 正 確 性 的 證 明 和 效 率 的 評(píng)

9、估 ( 離 散 數(shù) 學(xué) 的 各分 支 ) 學(xué) 習(xí) 要 求q本 課 程 特 點(diǎn)定 義 +定 理 +例 題q多 做 習(xí) 題 , 完 成 作 業(yè)想 的 清 楚 , 說 的 明 白 , 寫 的 工 整 教 材 q耿 素 云 , 屈 婉 玲 編 著 離 散 數(shù) 學(xué) (修 訂 版 ) 北 京 : 高 等教 育 出 版 社 ,2004q耿 素 云 , 屈 婉 玲 編 著 離 散 數(shù) 學(xué) 學(xué) 習(xí) 指 導(dǎo) 與 習(xí) 題 解 析 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,2005qhttp:/ 參 考 教 材q左 孝 凌 , 李 為 鑒 , 劉 永 才 編 著 離 散 數(shù) 學(xué) 上 海 : 上 海科 學(xué) 技 術(shù) 文

10、獻(xiàn) 出 版 社 ,1982q孫 吉 貴 , 楊 鳳 杰 , 歐 陽 丹 彤 , 李 占 山 編 著 離 散 數(shù) 學(xué) 高 等 教 育 出 版 社 , 2002q美 Kenneth H.Rosen著 袁 崇 義 , 屈 婉 玲 , 王 捍 貧 , 劉田 譯 離 散 數(shù) 學(xué) 及 其 應(yīng) 用 北 京 : 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,2002 數(shù) 理 邏 輯 簡 介q邏 輯 學(xué) 是 一 門 研 究 思 維 形 式 及 思 維 規(guī) 律 的 科 學(xué) , 也 就 是 研 究推 理 過 程 的 規(guī) 律 的 科 學(xué) 。 邏 輯 規(guī) 律 就 是 客 觀 事 物 在 人 的 主 觀意 識(shí) 中 的 反 映 。 q邏

11、輯 學(xué) 分 為 辯 證 邏 輯 與 形 式 邏 輯 兩 種 , 辯 證 邏 輯 是 以 辯 證 法認(rèn) 識(shí) 論 的 世 界 觀 為 基 礎(chǔ) 的 邏 輯 學(xué) , 形 式 邏 輯 主 要 是 對(duì) 思 維 的形 式 結(jié) 構(gòu) 和 規(guī) 律 進(jìn) 行 研 究 的 類 似 于 語 法 的 一 門 工 具 性 學(xué) 科 。q思 維 的 形 式 結(jié) 構(gòu) 包 括 了 概 念 、 判 斷 和 推 理 之 間 的 結(jié) 構(gòu) 和 聯(lián) 系, 其 中 概 念 是 思 維 的 基 本 單 位 , 通 過 概 念 對(duì) 事 物 是 否 具 有 某種 屬 性 進(jìn) 行 肯 定 或 否 定 的 回 答 , 這 就 是 判 斷 ; 由 一 個(gè)

12、或 幾 個(gè)判 斷 推 出 另 一 判 斷 的 思 維 形 式 , 就 是 推 理 。q用 數(shù) 學(xué) 方 法 來 研 究 推 理 的 規(guī) 律 稱 為 數(shù) 理 邏 輯 。 這 里 所 指 的 數(shù)學(xué) 方 法 , 就 是 引 進(jìn) 一 套 符 號(hào) 體 系 的 方 法 , 在 其 中 表 達(dá) 和 研 究推 理 的 規(guī) 律 。 數(shù) 理 邏 輯 簡 介q通 常 認(rèn) 為 數(shù) 理 邏 輯 是 由 萊 布 尼 茲 (Leibniz)創(chuàng) 立 的 。 q數(shù) 理 邏 輯 的 內(nèi) 容 包 括 :證 明 論 、 模 型 論 、 遞 歸 論 、 公 理 化 集 合 論 。 q數(shù) 理 邏 輯 的 應(yīng) 用 在 形 式 語 義 學(xué) 、

13、 程 序 設(shè) 計(jì) 方 法 學(xué) 和 軟 件 工 程 領(lǐng) 域 。 在 邏 輯 程 序 設(shè) 計(jì) 方 面 。 在 數(shù) 據(jù) 庫 理 論 方 面 。 在 程 序 自 動(dòng) 生 成 、 自 動(dòng) 轉(zhuǎn) 換 等 的 理 論 和 技 術(shù) 研 究 中 。 在 形 式 語 言 理 論 、 自 動(dòng) 機(jī) 理 論 、 可 計(jì) 算 理 論 、 計(jì) 算 復(fù) 雜 性理 論 等 方 面 。 在 人 工 智 能 方 面 。 數(shù) 理 邏 輯 簡 介一 個(gè) 土 耳 其 商 人 想 找 一 個(gè) 十 分 聰 明 的 助 手 協(xié) 助 他 經(jīng) 商 , 有 兩人 前 來 應(yīng) 聘 , 這 個(gè) 商 人 為 了 試 試 哪 個(gè) 更 聰 明 些 , 就 把

14、兩個(gè) 人 帶 進(jìn) 一 間 漆 黑 的 屋 子 里 , 他 打 開 燈 后 說 : “ 這 張 桌子 上 有 五 頂 帽 子 , 兩 頂 是 紅 色 的 , 三 頂 是 黑 色 的 , 現(xiàn) 在, 我 把 燈 關(guān) 掉 , 而 且 把 帽 子 擺 的 位 置 弄 亂 , 然 后 我 們 三個(gè) 人 每 人 摸 一 頂 帽 子 戴 在 自 己 頭 上 , 在 我 開 燈 后 , 請(qǐng) 你們 盡 快 說 出 自 己 頭 上 戴 的 帽 子 是 什 么 顏 色 的 。 ” 說 完 后, 商 人 將 電 燈 關(guān) 掉 , 然 后 三 人 都 摸 了 一 頂 帽 子 戴 在 頭 上, 同 時(shí) 商 人 將 余 下 的

15、 兩 頂 帽 子 藏 了 起 來 , 接 著 把 燈 打 開。 這 時(shí) , 那 兩 個(gè) 應(yīng) 試 者 看 到 商 人 頭 上 戴 的 是 一 頂 紅 帽 子, 其 中 一 個(gè) 人 便 喊 道 : “ 我 戴 的 是 黑 帽 子 。 ” 請(qǐng) 問 這 個(gè) 人 說 得 對(duì) 嗎 ? 他 是 怎 么 推 導(dǎo) 出 來 的 呢 ? 數(shù) 理 邏 輯 簡 介前 提 結(jié) 論推 理 ( 規(guī) 則 ) 數(shù) 理 邏 輯 的 知 識(shí) 體 系1.1 命 題 與 聯(lián) 結(jié) 詞1.2 命 題 公 式 及 其 賦 值2.1 等 值 式2.2 析 取 范 式 與 合 取 范 式 3.1 推 理 的 形 式 結(jié) 構(gòu)3.2 自 然 推 理

16、系 統(tǒng) 4.1 一 階 邏 輯 命 題 符 號(hào) 化4.2 一 階 邏 輯 公 式 及 解 釋5.1 一 階 邏 輯 等 值 式 與 置 換 規(guī) 則5.2 一 階 邏 輯 前 束 范 式5.3 一 階 邏 輯 的 推 理 理 論 集 合 論 (set theroy)概 述q20世 紀(jì) 數(shù) 學(xué) 中 最 為 深 刻 的 活 動(dòng) , 是 關(guān) 于 數(shù) 學(xué) 基 礎(chǔ) 的 探 討 。這 不 僅 涉 及 到 數(shù) 學(xué) 的 本 性 , 也 涉 及 到 演 繹 數(shù) 學(xué) 的 正 確 性 。數(shù) 學(xué) 中 若 干 悖 論 的 發(fā) 現(xiàn) , 引 發(fā) 了 數(shù) 學(xué) 史 上 的 第 三 次 危 機(jī) ,這 種 悖 論 在 集 合 論 中

17、 尤 為 突 出 。 q集 合 論 最 初 是 一 門 研 究 數(shù) 學(xué) 基 礎(chǔ) 的 學(xué) 科 , 它 從 一 個(gè) 比 “ 數(shù)” 更 簡 單 的 概 念 -集 合 出 發(fā) , 定 義 數(shù) 及 其 運(yùn) 算 , 進(jìn) 而 發(fā)展 到 整 個(gè) 數(shù) 學(xué) 領(lǐng) 域 , 在 這 方 面 它 取 得 了 極 大 的 成 功 。q集 合 論 的 起 源 可 以 追 溯 到 19世 紀(jì) 末 期 。 1874年 , 29歲 的 德國 數(shù) 學(xué) 家 康 托 爾 (Georg Cantor)在 “ 數(shù) 學(xué) 雜 志 ” 發(fā) 表 了 關(guān)于 無 窮 集 合 論 的 第 一 篇 革 命 性 文 章 , 從 1874年 至 1884年 間

18、, Cantor的 系 列 有 關(guān) 集 合 的 文 章 , 奠 定 了 集 合 論 的 基 礎(chǔ) 。 集 合 論 概 述q康 托 爾 開 創(chuàng) 的 集 合 論 被 稱 為 樸 素 集 合 論 , 因 為 他 沒 有 對(duì)集 合 論 作 完 整 的 形 式 的 刻 畫 , 從 而 導(dǎo) 致 了 理 論 的 不 一 致 (產(chǎn) 生 了 悖 論 )。q在 集 合 論 的 若 干 悖 論 中 , 最 通 俗 易 懂 的 是 Russell(羅 素 )的 理 發(fā) 師 悖 論 : 一 個(gè) 鄉(xiāng) 村 理 發(fā) 師 , 自 夸 本 村 無 人 可 與 相比 , 宣 稱 他 當(dāng) 然 不 給 自 己 刮 臉 的 人 刮 臉 ,

19、 但 卻 給 本 村 所有 自 己 不 刮 臉 的 人 刮 臉 。 一 天 他 發(fā) 生 了 疑 問 , 他 是 否 應(yīng)當(dāng) 給 自 己 刮 臉 。 集 合 論 概 述q集 合 不 僅 可 以 用 來 表 示 數(shù) 即 其 運(yùn) 算 , 更 可 以 用 于 非 數(shù) 值信 息 的 表 示 和 處 理 , 如 數(shù) 據(jù) 的 增 加 、 刪 除 、 修 改 、 排 序, 以 及 數(shù) 據(jù) 間 關(guān) 系 的 描 述 , 有 些 很 難 用 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 值 計(jì) 算來 處 理 , 但 可 以 用 集 合 運(yùn) 算 來 處 理 。q因 此 , 集 合 論 在 程 序 語 言 、 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 、 編 譯 原 理 、

20、數(shù) 據(jù)庫 與 知 識(shí) 庫 、 形 式 語 言 和 人 工 智 能 等 領(lǐng) 域 中 都 得 到 了 廣泛 的 應(yīng) 用 , 并 且 還 得 到 了 發(fā) 展 , 如 Zadeh(扎 德 )的 模 糊 集理 論 和 Pawlak的 粗 糙 集 理 論 。 代 數(shù) 系 統(tǒng)q近 世 代 數(shù) , , 是 關(guān) 于 運(yùn) 算 的 學(xué) 說 , 是 關(guān) 于 運(yùn) 算 規(guī) 則的 學(xué) 說 , 但 它 不 把 自 己 局 限 在 研 究 數(shù) 的 運(yùn) 算 性 質(zhì) 上 , 而是 企 圖 研 究 一 般 性 元 素 的 運(yùn) 算 性 質(zhì) 。 .Kleinq數(shù) 學(xué) 之 所 以 重 要 , 其 中 心 原 因 在 于 它 所 提 供 的

21、 數(shù) 學(xué) 系 統(tǒng)的 豐 富 多 彩 ; 此 外 的 原 因 是 , 數(shù) 學(xué) 給 出 了 一 個(gè) 系 統(tǒng) , 以便 于 使 用 這 些 模 型 對(duì) 物 理 現(xiàn) 實(shí) 和 技 術(shù) 領(lǐng) 域 提 出 問 題 , 回答 問 題 , 并 且 也 就 探 索 了 模 型 的 行 為 。 R.C.Buck&E.F.Buckq代 數(shù) 系 統(tǒng) -具 有 運(yùn) 算 的 集 合 -是 抽 象 代 數(shù) 研 究 的 主 要 對(duì) 象 。 代 數(shù) 結(jié) 構(gòu) 的 知 識(shí) 體 系半 群 與 群 環(huán) 與 域 格 與 布 爾 代 數(shù)分 類 代 數(shù) 推 廣 成 分 : 載 體 及 運(yùn) 算公 理 : 運(yùn) 算 性 質(zhì)代 數(shù) 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成

22、代 數(shù) 系 統(tǒng) 的同 態(tài) 與 同 構(gòu)代 數(shù) 系 統(tǒng) 間 的 關(guān) 系映 射 子 代 數(shù)積 代 數(shù)商 代 數(shù)等 價(jià) 關(guān) 系笛 卡 兒 積子 集 新 代 數(shù) 系 統(tǒng) 同種的同類型的產(chǎn) 生 半 群 與 群廣 群 二 元 運(yùn) 算 的 封 閉 性結(jié) 合 律半 群 單 位 元獨(dú) 異 點(diǎn)每 個(gè) 元 素 可 逆 群 交 換 律 交 換 半 群交 換 律 交 換 獨(dú) 異 點(diǎn)交 換 律 Abel群有 限 個(gè) 元 素 有 限 群 生 成 元 循 環(huán) 群實(shí) 例 n元 置 換 群實(shí) 例 Klein群 圖 論q圖 論 是 離 散 數(shù) 學(xué) 的 重 要 組 成 部 分 , 是 近 代 應(yīng) 用 數(shù) 學(xué) 的 重 要 分 支 。q1

23、736年 是 圖 論 歷 史 元 年 , 因 為 在 這 一 年 瑞 士 數(shù) 學(xué) 家 歐 拉 (Euler)發(fā) 表 了 圖 論 的 首 篇 論 文 哥 尼 斯 堡 七 橋 問 題 無 解 , 所 以 人們 普 遍 認(rèn) 為 歐 拉 是 圖 論 的 創(chuàng) 始 人 。q1936年 , 匈 牙 利 數(shù) 學(xué) 家 寇 尼 格 ( Konig) 出 版 了 圖 論 的 第 一 部 專著 有 限 圖 與 無 限 圖 理 論 , 這 是 圖 論 發(fā) 展 史 上 的 重 要 的 里 程 碑, 它 標(biāo) 志 著 圖 論 將 進(jìn) 入 突 飛 猛 進(jìn) 發(fā) 展 的 新 階 段 。q計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 的 發(fā) 展 為 圖 論

24、的 發(fā) 展 提 供 了 計(jì) 算 工 具 。q現(xiàn) 代 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 需 要 借 助 圖 論 來 描 述 和 解 決 各 類 課 題 中 的 各種 關(guān) 系 , 從 而 推 動(dòng) 科 學(xué) 技 術(shù) 不 斷 地 攀 登 新 的 高 峰 。 q作 為 描 述 事 務(wù) 之 間 關(guān) 系 的 手 段 或 稱 工 具 , 圖 論 在 許 多 領(lǐng) 域 , 諸 如, 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 、 物 理 學(xué) 、 化 學(xué) 、 運(yùn) 籌 學(xué) 、 信 息 論 、 控 制 論 、 網(wǎng) 絡(luò) 通 訊 、 社 會(huì) 科 學(xué) 以 及 經(jīng) 濟(jì) 管 理 、 軍 事 、 國 防 、 工 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 等 方 面都 得 到 廣 泛 的 應(yīng) 用 , 也 正 是 因 為 在 眾 多 方 面 的 應(yīng) 用 中 , 圖 論 自 身才 得 到 了 非 常 迅 速 的 發(fā) 展 。

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