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第5章-计算学科中的数学方法.pdf
第5章 计算学科中的数学方法
数学有连续数学和离散数学之分。
连续数学源于几何。自牛顿开创微积分后,连续数学就以微
积分为基础,用连续的观点,对数学进行研究,对自然科学
(如物理学等)的各种现象进行描述,从而成为人们认识客
观世界的一个重要工具。
离散数学源于算术。是研究离散量(例如自然数、真假值、
字母表等)及其相互关系的一门学科。
数字电子计算机是一个离散结构;只能处理离散的或离散
化了的数量关系。
因此在计算学科中采用的数学方法主要是离散数学方法。
主要内容
数学的基本特征和数学方法的作用
计算学科中常用的数学概念和术语
集合、函数和关系
代数系统(典型:布尔代数)
字母表、字符串和语言
定义、定理和证明
必要条件和充分条件
证明方法
直接证明法和间接证明法
反证法
归纳法
构造性证明
递归和迭代
公理化方法
形式化方法
数学方法
数学方法是指解决数学问题的策略、途径和步骤,它是计
算学科中最根本的研究方法。
理论上,凡能被计算机处理的问题均可以转换为一个数学
问题,换言之,所有能被计算机处理的问题均可以用数学
方法解决。
反之,凡能以离散数学为代表的构造性数学方法描述的问
题,当该问题所涉及的论域为有穷,或虽为无穷但存在有
穷表示时,这个问题也一定能用计算机来处理。
数学方法
无论是计算机科学本身,还是与计算机科学及其应用密切
相关的现代科学研究领域,都面临着:
如何对离散结构建立相应的数学模型;
如何将已用连续数量关系建立起来的数学模型离散化
从而可由计算机加以处理和实现。
数学方法
在对待数学的问题上,计算机科学家与数学家的侧重点不
一样:
数学家关心的是“是什么(What is it)”的问题,重点放在数
学本身的性质上;
计算机科学家不仅要知道“是什么(What is it)”的问题,更
要解决“怎么做(How to do it )”的问题。
数学的基本特征
高度的抽象性 :
抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性
仅保留其量的关系和空间的形式。
逻辑严密性 :
数学高度的抽象性要求其必须具有绝对的逻辑严密性。
只有严格遵守形式逻辑的基本法则,充分保证逻辑上的可靠
性,才能保证结论的正确性。
普遍的适用性 :
数学的高度抽象性决定了它的普遍适用性。
广泛地应用于其他科学与技术,甚至人们的日常生活之中。
数学方法的作用
为科学技术研究提供简洁精确的形式化语言
抽象、简洁、准确
例如牛顿的万有引力定律,爱因斯坦的质能方程等。
数学模型就是运用数学的形式化语言,在观测和实验的基础上建立
起来的;它有助于人们认识和把握超出感性经验之外的客观世界。
为科学技术研究提供数量分析和计算的方法
一门科学要从定性分析发展到定量分析,数学方法从中起了杠杆的
作用。
计算机的问世使一些过去无法解决的数学课题找到了解决的可能性;
原子能的研究和开发、空间技术的发展等都依赖于精确的数值计算
和分析。
为科学技术研究提供了逻辑推理的工具
数学的逻辑严密性使其成为建立理论体系的重要手段
公理化方法。
集合
集合的概念
构造性数学方法的基础。
集合就是一组无重复的对象的全体。
集合中的对象称为集合的元素。
例如:
计算机专业学生全部必修课程可以组成一个集合。
其中的每门课程就是这一集合中的元素。
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