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UIUC CS173:理论计算机科学的积木.pdf
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UIUC CS173:理论计算机科学的积木
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理论计算机科
学基石(版本 1.3
)
玛格丽特·M·弗莱克
2013年1月1日
目录
前言 xi
1 数学回顾 1
1.1 一些集合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 实数对 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 指数和对数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 一些方便的函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 求和 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.6 字符串 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 表示法的变化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 逻辑 10
2.1 关于风格的一点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 命题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 复杂命题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 蕴含 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 逆命题、逆否命题、双条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 复杂陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7 逻辑等价 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
i
目录 ii
2.8 一些有用的逻辑等价 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.9 否定命题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.10 谓词和变量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.11 其他量词 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.12 表示法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.13 有用的表示法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.14 二维点的表示法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.15 否定带有量词的陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.16 绑定和作用域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.17 符号表示的变化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 证明 27
3.1 证明一个普遍陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 另一个涉及奇数和偶数的直接证明的例子 . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 直接证明概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 证明存在性陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 反驳一个普遍陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 反驳一个存在性陈述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.7 证明方法回顾 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.8 直接证明:两个变量的例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.9 另一个两个变量的例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.10 情况证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.11 重新表述命题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.12 反证法证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.13 反证法证明的另一个例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
目录 iii
4 数论 39
4.1 因子和倍数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 带有整除性的直接证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 保持在集合中 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 素数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 最大公约数和最小公倍数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.6 除法算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7 欧几里得算法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8 伪代码 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.9 递归版本的最大公约数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.10 同余模 k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.11 同余模 k的证明. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.12 等价类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.13 等价关系的更广泛视角 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.14 术语的变化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 集合 52
5.1 集合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2 需要注意的事项 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 基数,包含关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 空真 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 集合运算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.6 集合恒等式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.7 集合并的大小 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.8 乘法规则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.9 结合这些基本规则 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
目录 iv
5.10 证明关于集合包含的事实 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.11 一个抽象的例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.12 一个带有乘法的例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.13 使用集合和逆否命题的证明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.14 符号表示的变化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6 关系 67
6.1 关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 关系的性质:自反 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.3 对称和反对称 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.4 传递性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.5 关系的类型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.6 证明一个关系是等价关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.7 证明反对称性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7 函数和满射 77
7.1 函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.2 函数何时相等? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.3 什么不是函数? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.4 图像和满射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.5 为什么有些函数不是满射? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.6 否定满射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.7 嵌套量词 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.8 证明一个函数是满射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.9 一个二维例子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.10 组合两个函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
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