理论计算基础:复杂性、可计算性与自动机
"Introduction to Theory of Computation - Anil Maheshwari & Michiel Smid - Carleton University" 《Introduction to Theory of Computation》是一本专为计算机科学本科生设计的免费教科书,自2002年起在卡尔顿大学教授。这本书主要涵盖了计算理论的基础知识,包括复杂性理论、可计算性理论和自动机理论。在2011/2012学年之前,这门课程作为二年级必修课(COMP 2805),但从2012/2013学年开始,它被降级为三年级选修课(COMP 3803)。 理论计算是计算机科学的核心领域,它研究的是计算的可能性、效率和局限性。以下是书中涉及的一些关键概念和章节概览: 1. **目的与动机**: - **复杂性理论**:探讨解决问题的难度和计算资源的关系,例如P类问题和NP类问题。 - **可计算性理论**:研究什么可以被有效地计算,如图灵机模型和停机问题。 - **自动机理论**:关注如何设计和分析能识别特定语言的机器,如有限状态自动机(FA)和图灵机。 2. **数学预备知识**:学习者需要掌握的数学基础,包括逻辑、集合论和基本的证明技巧。 3. **证明技术**: - **直接证明**:直接展示一个命题的真实性。 - **构造性证明**:通过构建实例来证明一个命题。 - **非构造性证明**:证明一个命题的正确性但不提供具体的构造方法。 - **反证法**:通过假设命题的否定并导出矛盾来证明原命题的正确。 - **鸽巢原理**:用于证明在有限空间内无法避免某种情况发生的原理。 - **归纳法**:基于基础情况和归纳步骤来证明命题对所有自然数都成立的方法。 - **更多证明示例**:书中提供了多种证明策略的实际应用。 4. **有限自动机和正规语言**: - **有限自动机(FA)**:一种简单的计算模型,通常用于识别正规语言。 - **确定性有限自动机(DFA)**:每个状态只有一个转移,对应正规表达式到正规语言的直接映射。 - **非确定性有限自动机(NFA)**:每个状态可能有多个转移,尽管其功能等价于DFA,但允许更灵活的构造。 书中通过实例深入浅出地介绍了这些概念,如控制环礁闸门的自动机,以及通过不同类型的自动机进行的转换和操作。此外,还讨论了正规运算,如并集、闭包和连接,以及如何利用这些运算构建更复杂的语言识别器。 《Introduction to Theory of Computation》是理解计算理论基础的重要资源,适合希望深入了解计算可能性、复杂性和效率的学生。通过学习这本书,学生将能够掌握基本的证明技巧,理解和分析自动机,并为后续的算法分析和复杂性理论打下坚实的基础。
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