00離散數(shù)學(xué)概述

1、陳培芝,離 散 數(shù) 學(xué),273476952@qq.com 13599901829,課程簡介,離散數(shù)學(xué)，是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的一個重要分支，是整個計算機(jī)學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課。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)，其研究對象一般地是有限個或可數(shù)個元素，因此它充分描述了計算機(jī)科學(xué)離散性的特點(diǎn)。離散數(shù)學(xué)是隨著計算機(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

2、算法分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)容錯判斷機(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,18世紀(jì)以前, 數(shù)學(xué)基本上是研究離散對象的數(shù)量和空間關(guān)系的科學(xué)。之后,因天文學(xué),物理學(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。離散對象的研究則處于停滯狀態(tài)。20世紀(jì)30年代, 圖靈提出計算機(jī)的理論模型——圖靈機(jī)。這種模型早于實(shí)際制造計算機(jī)十多年,

3、現(xiàn)實(shí)的計算機(jī)的計算能力, 本質(zhì)上和圖靈機(jī)的計算能力一樣。由于在計算機(jī)內(nèi),機(jī)器字長總是有限的, 它代表離散的數(shù)或其它離散對象，因此隨著計算機(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,數(shù)理邏輯： “證明”在計算科學(xué)的某些領(lǐng)域至關(guān)重要，構(gòu)造一個證明和寫一個程序的思維過程在本質(zhì)上是一樣的。組合分析：解決問題的一個重要方面就是計數(shù)或枚舉對象。離散結(jié)構(gòu)：用來表示離散對象以及它們之間關(guān)系的抽象數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，包括：集合、排列、關(guān)系、

4、樹、圖。算法化思維：許多問題都可以通過構(gòu)造一個可以被程序?qū)崿F(xiàn)的算法來解決。它的三個步驟是：構(gòu)造（選擇合適的離散模型和操作步驟）、驗證（算法的正確性）、評估（時間和空間的復(fù)雜性）。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。計算科學(xué)、化學(xué)、植物學(xué)、動物學(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),計算機(jī)求解的基本模式是：實(shí)際問

5、題 ? 數(shù)學(xué)建模 ? 算法設(shè)計 ? 編程實(shí)現(xiàn) 離散數(shù)學(xué)為數(shù)學(xué)建模打下知識基礎(chǔ)、為算法設(shè)計提供具體指導(dǎo)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。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,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

6、（關(guān)系代數(shù)）表達(dá)式解析（樹）優(yōu)化編譯器的構(gòu)造（閉包）編譯技術(shù)、程序設(shè)計語言（代數(shù)結(jié)構(gòu)）Lisp和Prolog、人工智能、自動推理、機(jī)器證明（數(shù)理邏輯）網(wǎng)絡(luò)路由算法（圖論）游戲中的人工智能算法（圖論、樹、博弈論）專家系統(tǒng)（集合論、數(shù)理邏輯—知識和推理規(guī)則的計算機(jī)表達(dá)）軟件工程—團(tuán)隊開發(fā)—時間和分工的優(yōu)化（圖論—網(wǎng)絡(luò)、劃分）(各種)算法的構(gòu)造、正確性的證明和效率的評估（離散數(shù)學(xué)的各分支）,學(xué)習(xí)要求,本課程特點(diǎn)定義+定理+

7、例題多做習(xí)題，完成作業(yè)想的清楚，說的明白，寫的工整,教材,屈婉玲，耿素云編著．離散數(shù)學(xué)(第二版)．北京：高等教育出版社,2004屈婉玲，耿素云編著．離散數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析（第2版）．北京：高等教育出版社,2005http://necweb.neu.edu.cn/ncourse/lssx/index.htm,參考教材,[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

8、，2002,數(shù)理邏輯簡介,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中的反映。 邏輯學(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)識論的世界觀為基礎(chǔ)的邏輯學(xué)，形式邏輯主要是對思維的形式結(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。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，通過概念對事物是否具有某種屬性進(jìn)行肯定或否定的回答，這

9、就是判斷；由一個或幾個判斷推出另一判斷的思維形式，就是推理。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,通常認(rèn)為數(shù)理邏輯是由萊布尼茲(Leibniz)創(chuàng)立的。 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。 數(shù)理邏輯的應(yīng)用在形式語義學(xué)、程序設(shè)計方法學(xué)和軟件工程領(lǐng)域。 在邏輯程序設(shè)計方面。 在數(shù)據(jù)庫理論方面。 在程序自

10、動生成、自動轉(zhuǎn)換等的理論和技術(shù)研究中。 在形式語言理論、自動機(jī)理論、可計算理論、計算復(fù)雜性理論等方面。 在人工智能方面。,數(shù)理邏輯簡介,一個土耳其商人想找一個十分聰明的助手協(xié)助他經(jīng)商，有兩人前來應(yīng)聘，這個商人為了試試哪個更聰明些，就把兩個人帶進(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?nèi)齻€人每人摸一頂帽子戴在自己頭上，在我開燈后，請你們盡快說

11、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，同時商人將余下的兩頂帽子藏了起來，接著把燈打開。這時，那兩個應(yīng)試者看到商人頭上戴的是一頂紅帽子，其中一個人便喊道：“我戴的是黑帽子?！?請問這個人說得對嗎？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

12、形式結(jié)構(gòu),3.2 自然推理系統(tǒng),4.1 一階邏輯命題符號化,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,20世紀(jì)數(shù)學(xué)中最為深刻的活動，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尤為突出。 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

13、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)展到整個數(shù)學(xué)領(lǐng)域，在這方面它取得了極大的成功。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，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,康托爾開創(chuàng)的集合論被稱為樸素集合論，因為他沒有對集合論作完整的形式的刻畫，從而導(dǎo)致

14、了理論的不一致(產(chǎn)生了悖論)。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，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,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)值計算來處理，但可以用集合運(yùn)算來處理。

15、因此，集合論在程序語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理、數(shù)據(jù)庫與知識庫、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),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)。——Ｍ.Klein數(shù)學(xué)之所以重要，其中心原因在于它所提供的數(shù)學(xué)系統(tǒng)的豐富多彩；此外的原因是，數(shù)學(xué)給出了一個系統(tǒng)

16、，以便于使用這些模型對物理現(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?！猂.C.Buck&E.F.Buck代數(shù)系統(tǒng)--具有運(yùn)算的集合--是抽象代數(shù)研究的主要對象。,圖論,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。1736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。1936年，匈牙利數(shù)學(xué)家寇

17、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。計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展為圖論的發(fā)展提供了計算工具。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，從而推動科學(xué)技術(shù)不斷地攀登新的高峰。 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、社會科學(xué)以及經(jīng)濟(jì)管理、軍事、國防、