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出版者:

作者:廖燕芬 编

出品人:

页数:315

译者:

出版时间:2008-4

价格:30.00元

装帧:

isbn号码:9787111233541

丛书系列:

图书标签:

• 财税
• 金融
• 基础知识
• 会计
• 税务
• 理财
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• 专业
• 学习

探秘数字世界的基石：计算机科学核心原理与前沿应用 本书旨在为读者构建一个全面、深入且富有前瞻性的计算机科学知识图谱，重点聚焦于支撑现代信息技术运转的底层逻辑、核心算法以及正在引领下一轮技术革命的前沿领域。我们完全避开了财税金融领域的基础理论、会计准则、货币银行学或投资理财策略等内容，专注于纯粹的计算科学与工程实践。 --- 第一部分：计算的本质与理论基础 (The Essence of Computation and Theoretical Foundations) 本部分将带领读者深入探究计算机科学的哲学基石和数学模型，理解“计算”的本质限制与无限可能。 第一章：计算的数学模型与可计算性理论 本章首先回顾图灵机模型（Turing Machine）的构建及其重要意义，阐述其作为通用计算模型的地位。随后，我们将详细探讨停机问题（Halting Problem）的不可解性，并引入哥德尔不完备性定理在计算理论中的映射意义。着重分析可判定性（Decidability）与不可判定性（Undecidability）的界限，并讨论随机计算（Randomized Computation）与量子计算在理论模型上的初步区别与联系。我们还将介绍$ ext{P}$、$ ext{NP}$、$ ext{NP-Complete}$ 等复杂性类，深入剖析“高效求解”的理论含义，以及 $ ext{P}$ 是否等于 $ ext{NP}$ 这一世纪难题对实际应用的影响。 第二章：离散数学结构与逻辑系统 计算机的语言是精确的逻辑。本章聚焦于支撑算法设计和数据结构的基础数学工具。详细讲解集合论、关系与函数在计算机建模中的应用，特别是偏序集和格（Lattice）。深入研究命题逻辑和一阶谓词逻辑的公理系统、推理规则及完备性。讨论布尔代数在线路设计和逻辑优化中的核心作用，并介绍形式化验证（Formal Verification）中如何利用逻辑工具确保软件的正确性。此外，图论（Graph Theory）作为描述复杂系统连接性的核心工具，将进行全面系统的讲解，包括最短路径算法、网络流问题及图着色理论的应用场景。 第三章：自动机理论与形式语言 本章是编译原理和形式化描述的理论根基。从最基础的有限自动机（Finite Automata）开始，区分确定性有限自动机（DFA）和非确定性有限自动机（NFA），并证明它们的等价性。随后，引入下推自动机（Pushdown Automata），阐述其识别上下文无关文法（Context-Free Grammars, CFG）的能力，这直接关系到现代编程语言的语法定义。最后，探讨正则文法（Regular Grammars）与正则表达式的严谨数学基础，以及它们在文本处理和协议分析中的实际效能。 --- 第二部分：算法设计与数据组织 (Algorithm Design and Data Organization) 此部分专注于高效解决问题的思维框架和组织大规模信息的方法论。 第四章：高效算法设计范式 本章系统介绍解决复杂问题的核心设计策略。重点剖析分治法（Divide and Conquer）、动态规划（Dynamic Programming）的原理与应用，通过实例（如矩阵链乘法、最长公共子序列）展示最优子结构和重叠子问题的识别技巧。深入探讨贪心算法（Greedy Algorithms）的适用条件与局限性。此外，还将讲解回溯法（Backtracking）与分支限界法（Branch and Bound）在组合优化问题中的应用，以及如何运用概率方法（如蒙特卡洛模拟）来设计近似算法。 第五章：高级数据结构与存储优化 数据结构是高效算法的载体。本章跳出基础数组和链表，重点讲解平衡搜索树，如红黑树（Red-Black Trees）和 $ ext{AVL}$ 树的自平衡机制及其 $ ext{O}(log n)$ 性能保证。详细介绍 $ ext{B}$ 树和 $ ext{B+}$ 树在磁盘存储和数据库索引中的关键作用。深入探讨散列表（Hash Tables）的冲突解决策略（如链式法和开放寻址法）及其负载因子管理。最后，介绍用于处理大规模、非结构化数据的树形结构，例如 $ ext{Trie}$ 树和 $ ext{K-D}$ 树，并分析其在空间复杂度上的优化点。 第六章：并行计算与并发控制 随着摩尔定律的放缓，利用多核架构和分布式系统变得至关重要。本章讲解并行计算的基本模型（如 $ ext{SIMD}$ 和 $ ext{MIMD}$）。详细分析并发环境下的挑战，包括竞态条件（Race Conditions）和死锁（Deadlocks）。深入探讨同步机制，如互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphores）和条件变量，并讨论无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）的设计思想，以实现更高的吞吐量和更低的延迟。 --- 第三部分：系统底层架构与硬件交互 (System Architecture and Hardware Interaction) 本部分剖析软件运行所依赖的物理和虚拟环境，揭示操作系统和计算机结构的底层奥秘。 第七章：计算机系统组织与体系结构 本章侧重于从微观层面理解计算机如何执行指令。详细解析指令集架构（ISA）的概念，区分精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的哲学差异。深入探讨流水线技术（Pipelining）的原理、风险管理（如数据冒险和控制冒险）以及超标量（Superscalar）处理器的工作机制。着重分析存储器层次结构，包括缓存（Cache）的工作原理、局部性原理（Locality Principles）以及缓存一致性协议（Cache Coherency Protocols）在多处理器系统中的重要性。 第八章：操作系统核心：进程、内存与 I/O 管理 操作系统是连接硬件与应用程序的桥梁。本章聚焦于进程与线程管理，阐述上下文切换的开销与优化。详细讲解虚拟内存（Virtual Memory）的概念，包括分页（Paging）和分段（Segmentation）机制，以及地址翻译（Address Translation）过程。深入剖析虚拟内存的页面置换算法（如 $ ext{LRU}$、$ ext{FIFO}$）。此外，还将介绍文件系统和磁盘调度策略，以及 $ ext{I/O}$ 子系统中的中断处理和直接内存访问（DMA）。 --- 第四部分：现代计算的前沿领域 (Frontiers of Modern Computing) 本部分着眼于当前技术发展中最活跃、最具颠覆性的领域，探索下一代计算范式。 第九章：网络通信与分布式系统设计 本章超越单一主机的限制，关注如何构建可靠、可扩展的网络服务。详细解析 $ ext{TCP/IP}$ 协议栈的细节，特别是三次握手、拥塞控制算法（如 $ ext{TCP Reno}$ 或 $ ext{Cubic}$）。在分布式系统方面，重点讨论一致性模型（Consistency Models）与可用性（Availability）之间的权衡，深入探讨 $ ext{CAP}$ 定理的实际意义。介绍分布式事务处理的挑战，包括 $ ext{Paxos}$ 或 $ ext{Raft}$ 等领导者选举和日志复制协议的核心思想，以确保数据在多节点间的正确同步。 第十章：机器学习的计算基础与优化 本章从计算视角审视现代人工智能。不涉及复杂的统计推断，而是聚焦于模型训练的计算效率。详细介绍梯度下降（Gradient Descent）及其变体（如 $ ext{Adam}$、$ ext{RMSProp}$）的迭代优化过程。讨论反向传播（Backpropagation）算法的数学实现与计算图的构建。分析大规模矩阵运算在 $ ext{GPU}$ 上实现的并行加速原理（$ ext{CUDA}$ 编程模型基础），以及模型量化（Quantization）和剪枝（Pruning）等技术如何实现模型在边缘设备上的高效部署。 第十一章：量子计算的初步概念与潜力 作为对传统计算极限的回应，本章引入量子计算的基本概念。介绍量子比特（Qubit）、叠加态（Superposition）和纠缠（Entanglement）的物理意义。阐述量子逻辑门（如 $ ext{Hadamard}$ 门、$ ext{CNOT}$ 门）的矩阵表示和作用。简要介绍 $ ext{Shor}$ 算法和 $ ext{Grover}$ 算法的核心思想及其对现有加密体系构成的理论挑战，为读者勾勒出未来计算技术的发展方向。

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