离散数学在计算机学科中的应用
摘要:在离散数学实际教学中,学生总是问“老师,我们学这门课有什么用?”其实离散数学在计算机学科中无处不在,在很多地方都能找到离散数学的痕迹。数据结构,数据库,人工智能,编译原理,算法设计与
分析
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等课程中都有离散数学的应用。
关键词:离散数学;数据结构;数据库;人工智能
在离散数学实际教学中,学生总是问“老师,我们学这门课有什么用?”其实离散数学在计算机学科中无处不在,在很多地方都能找到离散数学的痕迹。
离散数学是现代数学的一个重要分支,是计算机科学中基础理论的核心课程。计算机学科中普遍采用了离散数学的基本概念、基本
思想
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和基本方法,并把离散数学作为自己的理论基础和重要的数学工具。离散数学是以研究离散性的结构和相互间的关系为主要目标,其研究对象一般地是有限个或可数个元素。离散数学把计算机科学中所涉及到的研究离散量的数学综合在一起,进行较系统的、全面的论述,为研究计算机科学的相关问题提供了有力的工具。
离散数学课程所涉及的概念、方法和理论,大量地应用在数据结构、数据库系统、编译原理、人工智能、计算机体系结构、算法分析与设计、软件工程、多媒体技术、数字电路、计算机网络等专业课程以及信息管理、信号处理、模式识别、数据加密等相关课程中。它所提供的训练十分有益于学生概括抽象能力、逻辑思维能力、归纳构造能力的提高,十分有益于学生严谨、完整、规范的科学态度的培养。这些能力与态度是一切软、硬件计算机科学工作者所不可缺少的,为学习计算机科学的后续课程、从事科研或工程技术工作以及进一步提高科学技术水平奠定理论基础。离散数学提供的营养滋补了计算机科学的众多领域,学好了离散数学就等于掌握了一把开启计算机科学之门不可缺少的钥匙。从学科比较和联系的视角,对离散数学在计算机学科中的应用进行客观理智的分析,可以给予我们诸多启示,进而指导计算机专业学科教育教学的改革和发展。
1 离散数学在数据结构中的应用
计算机要解决一个具体问题,必须运用数据结构知识。离散数学中的集合论、关系、图论、树四个章节就反映了数据结构中四大结构的知识。如集合由元素组成,元素可理解为世上的客观事物。关系是集合的元素之间都存在某种关系。图论是有许多现代应用的古老题目。如组织机构图、家族图、二进制编码都是以树作为模型来讨论。
2 离散数学在数据库中的应用
数据库技术被广泛应用于社会各个领域,关系数据库已经成为数据库的主流,离散数学中的笛卡儿积是一个纯数学理论,是研究关系数据库的一种重要方
法,显示出不可替代的作用。不仅为其提供理论和方法上的支持,更重要的是推动了数据库技术的研究和发展。
3 离散数学在编译原理中的应用
一个典型的编译程序一般都含有八个部分:词法分析程序、语法分析程序、语义分析程序、中间代码生成程序、代码优化程序、目标代码生成程序、错误检查和处理程序、各种信息表格的管理程序。离散数学里的计算模型章节里就讲了三种类型的计算模型:文法、有限状态机和图灵机。以上这些在离散数学里讲述到的知识点在编译原理的词法分析及语法分析中都会用到。因此,离散数学也是编译原理的前期基础课程。
4 离散数学在人工智能中的应用
在人工智能的研究与应用领域中,逻辑推理是人工智能研究中最持久的子领域之一。逻辑是所有数学推理的基础,对人工智能有实际的应用。采用谓词逻辑语言的演绎过程的形式化有助于我们更清楚地理解推理的某些子命题。逻辑规则给出数学语句的准确定义。离散数学中数学推理和布尔代数章节中的知识就为早期的人工智能研究领域打下了良好的数学基础。许多非形式的工作,包括医疗诊断和信息检索都可以和定理证明问题一样加以形式化。因此,在人工智能方法的研究中定理证明是一个极其重要的论题。在这里,推理机就是实现(机器)推理的程序。它既包括通常的逻辑推理,也包括基于产生式的操作。推理机是使用知识库中的知识进行推理而解决问题的。所以推理机也就是专家的思维机制,即专家分析问题、解决问题的方法的一种算法表示和机器实现。
5 离散数学在计算机体系结构中的应用
在计算机体系结构中,指令系统的设计和改进内容占有相当重要的地位,指令系统的优化意味着整个计算机系统性能的提高。指令系统的优化方法很多,一种方法是对指令的格式进行优化,一条机器指令是由操作码和地址码组成,指令格式的优化是指如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息,使程序中的指令的平均字长最短。为此可以用到哈夫曼的压缩概念,哈夫曼(Huffman)压缩是一种无损压缩法。离散数学中关于树的理论应用体现在此。
6 离散数学在计算机其他学科中的应用
离散数学在计算机科学和技术中有着广泛应用,除了在上述提到的领域中发挥了重要作用外,在其他领域也有着重要的应用,如离散数学中的数理逻辑部分在计算机硬件设计中的应用尤为突出,数字逻辑作为计算机科学的一个重要理论,在很大程度上起源于离散数学的数理逻辑中的命题与逻辑演算。
利用命题中各关联词的运算规律把由高低电平表示的各信号之间的运算与二进制数之间的运算联系起来,使得我们可以用数学的方法来解决电路设计问题,使得整个设计过程变得更加直观,更加系统化。
集合论在计算机科学中也有广泛的应用,它为数据结构和算法分析奠定了数学基础,也为许多问题从算法角度如何加以解决提供了进行抽象和描述的一些重要方法,在软件工程和数据库中也会用到。
代数结构是关于运算或计算规则的学问,在计算机科学中,代数方法被广泛应用于许多分支学科,如可计算性与计算复杂性、形式语言与自动机、密码学、网络与通信理论、程序理论和形式语义学等,格与布尔代数理论成为电子计算机硬件设计和通讯系统设计中的重要工具。
图论对开关理论与逻辑设计、计算机制图、操作系统、程序设计语言的编译系统以及信息的组织与检索起重要作用,其平面图、树的研究对集成电路的布线、网络线路的铺设、网络信息流量的分析等的实用价值显而易见。
7 结论
离散数学这门课程是计算机专业的基础课,教学中学生总是会问及所学的知识有什么用处,有了上述的应用后,可以帮助学生更好的理解知识,明白离散数学的用途,帮助学生更好的学习。
浙公网安备 33021202002483