Graphs, Dioids and Semirings pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Michel Gondran

出品人:

页数:404

译者:

出版时间:2008-05-19

价格:USD 119.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387754499

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
• 数学
• 图论
• Graphs
• Dioids
• Semirings
• Algebraic Structures
• Discrete Mathematics
• Mathematical Theory
• Combinatorics
• Optimization
• Computer Science
• Formal Languages

《图论、戴德与半环》：一种代数视角下的组合结构探秘 本书旨在深入探索图论、戴德（Dioids）和半环（Semirings）这三个看似独立的数学领域之间的深刻联系。我们并非将它们孤立地视为独立的学科，而是力图从一个统一的代数框架出发，揭示它们在描述和解决复杂组合问题时所展现出的强大力量。通过本书的学习，读者将能够理解如何运用半环代数的工具来建模和分析各种图论问题，从而获得更深刻的洞察和更高效的解决方案。 核心概念的引入与融合： 本书的第一部分将专注于介绍图论的基本概念。我们将从最基础的图的定义、顶点、边、邻接矩阵、关联矩阵等开始，逐步深入到连通性、路径、圈、树、二分图、平面图等经典图论主题。在此过程中，我们会引入一些图的属性和刻画，例如度数序列、生成树、最小生成树、最短路径算法（如Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法）等。然而，我们的重点并非仅仅是算法的描述，而是为后续引入代数工具奠定坚实的基础。我们将强调图的结构特性，以及这些特性如何可以用集合论和关系代数来表示。 第二部分将转向戴德（Dioids）的概念。戴德，顾名思义，是一种“双”结构，它通常被定义为具有两个特殊元素的代数结构，类似于半环。我们会详细介绍戴德的定义、性质以及其在不同数学分支中的应用。特别地，我们将关注戴德的有限表示、生成集以及其上的同态和同构。读者将了解到，戴德可以被视为描述特定类型关系和操作的自然语言，尤其是在处理具有“任何”或“存在”等量词的逻辑表达式时。 第三部分，也是本书的核心，将深入探讨半环（Semirings）的理论。半环是比环更宽松的代数结构，它具有两个运算：加法和乘法。加法满足交换律、结合律，存在零元素（加法单位元）；乘法满足结合律，存在幺元（乘法单位元）。但与环不同的是，半环中的加法不要求存在负元素，即每个元素在加法下不一定有逆元。这种特性使得半环在描述非负量、概率、成本、距离等概念时尤为得心应手。 我们将详细介绍各种经典的半环，例如： 布尔半环（Boolean Semiring）： ${ {0, 1}, lor, land }$,其中“或”作为加法，“与”作为乘法。这个半环在逻辑运算和集合的并集、交集运算中扮演重要角色。 自然数半环（Natural Numbers Semiring）： ${mathbb{N}_0, +, imes}$,其中普通的加法和乘法。 最优路径半环（Tropical Semiring / Min-Plus Semiring）： ${mathbb{R} cup {infty}, min, +}$,其中“min”操作作为加法，“+”作为乘法。这个半环是处理最短路径问题的核心工具。 概率半环（Probability Semiring）： $[0, 1]$上的特定加法（如累积概率）和乘法。 我们会系统地阐述半环的代数性质，包括理想、模、商半环、同态定理等。特别地，我们将着重于半环在序列、语言、自动机以及计算复杂度理论中的应用。 图与半环的桥梁： 本书的真正价值在于将图论的概念用半环的语言进行重新诠释和泛化。我们将展示如何将图的邻接关系、路径信息甚至更复杂的图属性映射到半环的元素和运算中。 邻接矩阵的半环表示： 图的邻接矩阵可以自然地嵌入到某个半环中。例如，对于一个加权图，其边权可以作为半环的元素。矩阵的乘法在半环的运算下，可以被解释为求取路径的组合（例如，求取所有长度为k的路径的某种组合）。 最短路径算法的半环视角： 最著名的例子是利用最优路径半环（Min-Plus Semiring）来解决最短路径问题。Floyd-Warshall算法本身就可以看作是在这个半环上的矩阵乘法的一个特例。我们将深入分析这种联系，并展示如何利用半环的代数性质来理解和改进最短路径算法。 路径计数与枚举： 在某些半环（如自然数半环）中，邻接矩阵的幂次可以用来计数不同长度的路径。通过半环的运算，我们可以更抽象地处理路径枚举和计数的问题。 图的结构性分析： 很多图的结构属性，如连通性、强连通分量、传递闭包等，都可以通过在特定的半环上进行运算来计算。例如，一个图的传递闭包可以看作是其邻接矩阵在布尔半环上的一个无限次幂。 戴德在图与半环中的角色： 戴德作为半环的一个推广或特定形式，在本书中也将扮演重要角色。某些图论问题，特别是涉及到“存在性”判断或“或”关系的问题，可以用戴德来更自然地建模。例如，在某些逻辑推理或集合关系问题中，戴德的结构能够更贴切地捕捉问题的本质。我们将探讨戴德如何作为半环的“通用”框架，为分析更广泛的组合结构提供便利。 应用领域展望： 本书的最后一个部分将聚焦于将所学理论应用于实际问题。我们将探讨图论、戴德和半环在以下领域的交叉应用： 网络流与通信： 分析网络中的容量、延迟，并优化信息传输路径。 算法设计与分析： 设计更高效的算法，分析算法的复杂度，尤其是在涉及组合优化问题时。 形式语言与自动机理论： 理解和处理语言的生成、识别以及状态转移系统。 数据库理论： 查询优化和数据关联分析。 逻辑与推理： 构建形式化的逻辑系统，进行推理和知识表示。 生物信息学： 例如，序列比对和通路分析。 学习目标： 通过阅读本书，读者将能够： 1. 深刻理解图论的基本概念和重要算法。 2. 掌握戴德和半环的基本定义、性质和运算规则。 3. 建立图论模型与半环代数之间的联系。 4. 运用半环的工具解决图论中的经典问题，如最短路径、传递闭包等。 5. 理解如何将半环的思想推广到更一般的代数结构中。 6. 开阔视野，认识到代数方法在解决组合问题中的强大潜力，并将其应用于不同领域的实际问题。 本书适合具备一定离散数学和线性代数基础的读者，包括计算机科学、数学、工程学等专业的学生和研究人员。我们力求以清晰的语言和详实的例子，引领读者穿越图论、戴德与半环的神秘世界，发现它们之间浑然天成的数学之美。

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这部作品的问世，对于那些沉浸在抽象代数和离散数学交汇处的学者们来说，无疑是一场思想的盛宴。它似乎捕捉到了那些隐藏在图论、网络结构乃至并行计算底层逻辑中的精髓——那些非经典的代数结构。我特别欣赏作者在处理“半环”（Semirings）这个概念时所展现出的细致入微。不同于我们熟悉的经典环结构，半环在处理不确定性、最优化路径寻找（如Floyd-Warshall算法背后的代数视角）时，提供了更具弹性和普适性的数学框架。阅读过程中，我能感受到作者试图构建一座桥梁，连接纯粹的代数理论与高度应用化的领域。它不是一本面向初学者的入门读物，毋宁说，它更像是为那些已经熟悉群论、环论基础，但渴望将视野拓展到更广阔代数景观的研究人员准备的深度指南。书中对某些特定结构的命名和分类，尤其是在探讨幂等性（Idempotency）性质如何影响运算的收敛性与可解性方面，展示了作者深厚的学术功底。虽然部分推导过程略显跳跃，但一旦跟上其逻辑链条，便会发现其中的优雅与力量。这本书要求读者保持极高的专注度，因为它探讨的范畴并非数学中的“热门”领域，但恰恰是这些看似边缘的结构，支撑着现代信息科学和运筹学的核心算法。

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读完这本著作，我深刻体会到作者对于拓扑结构与代数结构之间内在联系的深刻洞察力。那些关于度量空间、距离函数以及如何在半环上定义“收敛性”的讨论，为从全新的角度审视算法复杂性提供了理论支撑。它不是简单地将图论问题嵌入到一个已有的代数结构中，而是从“代数结构本身的行为”出发，去反向指导我们如何更有效地对图进行建模和分析。特别是书中关于“遍历理论”（Traversal Theory）在半环框架下的表述，视角极为新颖。它将遍历路径的优化问题转化为对特定半环代数上迭代运算极限的求解，这超越了传统图论中基于DFS或BFS的直接构造方法，提供了一种更为本质的、基于代数完备性的解释。对于那些致力于形式化方法和高阶算法设计的研究人员来说，这本书无疑是不可或缺的参考资料，它提供了一种语言，一种描述复杂系统动态的精确且强大的语言。

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这本书的排版和整体呈现，流露出一种对知识本身的敬畏感。它不是那种可以轻松“浏览”的书籍，更像是一部需要备有笔记本和大量空白页来记录思考的案头工具书。它成功地将图论的几何直觉与代数结构的抽象形式进行了强有力的融合，尤其是在处理非经典张量积或特定领域上的矩阵运算时，半环代数的作用被提升到了前所未有的高度。我注意到作者在处理“幂零元”和“零因子”在这些结构中的行为时，采用了非常规的视角，这对于习惯了经典域和环的读者来说，无疑是一次观念的冲击和重塑。这种视角转换的关键在于，它让我们意识到，很多我们习以为常的代数性质（如元素唯一可逆性）在更一般化的代数框架下是多么脆弱，而其替代物（如吸收元、特殊单位元）又是多么精妙。这本书的价值在于，它提供了一套“非欧几里得”的代数工具箱，去解决那些在标准框架下显得异常棘手的问题。

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此书的风格极其内敛，它不迎合快速变化的学术热点，而是专注于那些具有持久价值的数学基础。我尤其欣赏作者对“Dioids”（半环的特例，常被称为“广义半环”）的细致区分和专门论述。这些结构——比如Min-Plus代数或Max-Plus代数——是运筹学和动态规划领域的核心，但它们在经典代数教材中常常被一笔带过。这本书却将它们提升到了与经典环和域同等重要的地位进行系统阐述，深入剖析了其独特的单位元、零元以及它们的吸收性质如何决定了特定算法的收敛速度和正确性。虽然书中缺乏大量的彩色图表来辅助理解，但文字描述的精确性和逻辑推导的严密性，要求读者必须主动参与到思考的过程中去。每一次对晦涩定理的攻克，都会带来一种智力上的巨大满足感，仿佛自己挖掘到了某种数学世界深处的秘密通道。这是一本需要被“征服”的著作，而非被“阅读”的消遣之作。

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翻开这本书，首先映入眼帘的是其严谨而内敛的学术风格，那种散发着老派数学专著的沉稳气息。它不像某些当代教材那样追求花哨的图示或过于简化的叙述，而是采取了一种近乎于宣言式的精确性来定义和论证概念。这种写作手法对于寻求数学真理的读者来说是宝贵的，因为它迫使我们正视概念的原始定义和推演的每一步逻辑。我发现书中对“半格”（Lattices）与“半环”之间微妙关系的探讨尤为引人入胜。作者似乎并未止步于展示两者间的同构映射，而是深入挖掘了在特定运算封闭下，结构继承的性质是如何影响其在图算法中的实际表现。例如，在描述如何用半环运算来重构最短路径问题的Bellman-Ford迭代过程时，那种从纯代数抽象回归到实际计算的转化过程，展现出一种令人信服的数学美学。坦率地说，我希望书中能有更多的具体案例分析，将理论与实际应用场景进行更紧密的挂钩，不过，就其作为一部理论基石著作而言，这种克制也是可以理解的，它留下了供后学者自行探索的空间。

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