Operational Semantics for Timed Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Rust, Heinrich

出品人:

页数:223

译者:

出版时间:2005-5

价格:474.60元

装帧:

isbn号码:9783540255765

丛书系列:

图书标签:

• Operational Semantics
• Timed Systems
• Formal Verification
• Concurrency
• Real-Time Systems
• Modeling
• Specification
• Computer Science
• Logic
• Semantics

《计算的本质：模型、理论与实践》 这是一本深入探索计算世界基础的著作，它不仅仅是一本教材，更是一次对构成我们数字世界的基石进行解构与重塑的智力旅程。本书旨在为读者提供一个全面而深刻的理解，即计算究竟是什么，它是如何运作的，以及其理论边界与实际应用之间的微妙联系。我们将从最抽象的模型开始，逐步走向其在现实世界中的具体体现，并通过严谨的理论分析和生动的实践案例，揭示计算科学的迷人之处。 第一部分：计算的模型 在本书的第一部分，我们将首先聚焦于构建计算世界的“骨架”——计算模型。我们不会局限于单一的抽象机器，而是将视角拓展到多种关键模型，从而展现计算能力的丰富性和多样性。 有限自动机 (Finite Automata - FA) 与正则语言 (Regular Languages): 我们将从最简单但极为重要的模型——有限自动机开始。通过对状态、转换和接受状态的细致阐述，读者将理解 FA 如何识别一类特殊的语言，即正则语言。我们会深入探讨有限自动机的等价性、最小化算法，以及它们在词法分析、模式匹配等实际领域的应用。例如，在编译器前端的词法分析阶段，正则表达式就扮演着至关重要的角色，而正则表达式的语义正是由有限自动机所定义的。我们将分析不同类型的 FA，如确定性有限自动机 (DFA) 和非确定性有限自动机 (NFA)，并证明它们在表达能力上的等价性，这本身就是形式语言理论中的一个经典且深刻的结论。 下推自动机 (Pushdown Automata - PDA) 与上下文无关语言 (Context-Free Languages - CFL): 随着我们对计算复杂度的要求提高，有限自动机的能力显得捉襟见肘。这时，栈（Stack）这一数据结构登场，催生了下推自动机。我们将详细介绍 PDA 的工作原理，以及它们所能识别的语言——上下文无关语言。CFL 在编程语言语法分析中扮演着核心角色。我们会探讨上下文无关文法 (CFG) 与 PDA 之间的等价性，并通过具体的例子，例如分析算术表达式或程序代码的语法结构，来展示 CFL 的强大之处。本书还将深入研究 CFL 的一些关键性质，如“泵引理”(Pumping Lemma)，以及如何使用它来证明一个语言不是上下文无关的。 图灵机 (Turing Machines - TM) 与递归可枚举语言 (Recursively Enumerable Languages): 图灵机是计算理论的“珠穆朗玛峰”，它被普遍认为是能模拟任何可计算过程的通用模型。我们将详细定义图灵机的组成部分：磁带、读写头、状态寄存器和转换函数。通过对图灵机进行细致的分析，读者将理解其通用性，以及它所能识别的语言——递归可枚举语言。本书将重点讨论停机问题 (Halting Problem) 的不可解性，这是计算理论中最深刻的理论结果之一，它揭示了算法的局限性。我们还将探讨图灵机的变体，如多带图灵机和非确定性图灵机，并证明它们在计算能力上的等价性。 Lambda 演算 (Lambda Calculus): 除了基于状态的抽象机器模型，我们还将引入函数式编程的基石——Lambda 演算。Lambda 演算是一种形式化函数和函数应用的系统，它完全基于变量的绑定、抽象和应用。我们将介绍 Lambda 演算的语法、求值规则（如 Beta 归约），以及如何用 Lambda 演算来编码基本的数据结构（如自然数、布尔值）和控制结构。Lambda 演算为理解函数式编程语言的语义提供了坚实的基础，并与图灵机在计算能力上是等价的，这一点至关重要。 第二部分：计算的理论 在理解了各种计算模型之后，本书将转向计算理论的核心——探究计算的本质、能力与局限性。 可计算性理论 (Computability Theory): 这一部分将深入研究哪些问题是可以通过算法解决的，哪些是不可解的。我们将系统地阐述递归函数、图灵可计算性以及 Lambda 演算之间的等价性，确立丘奇-图灵论题 (Church-Turing Thesis) 的重要地位。我们将进一步探索不可解问题的类型，如停机问题、图灵机是否会停机的问题等，并介绍Rice定理，它指出了任何关于图灵机计算性质的非平凡属性都是不可判定的。 计算复杂性理论 (Computational Complexity Theory): 即使一个问题是可计算的，它是否能在实际可接受的时间和空间内解决？计算复杂性理论正是研究这一问题的学科。我们将介绍时间复杂性和空间复杂性的概念，并引入 P 类问题（可以在多项式时间内解决的问题）和 NP 类问题（可以在多项式时间内验证解的问题）。本书将详细阐述 NP-完备性 (NP-completeness) 的概念，以及它对算法设计和优化的深远影响。我们将探讨著名的 NP-完备问题，如旅行商问题 (Traveling Salesperson Problem, TSP) 和 SAT 问题，并讨论解决 NP-难问题的策略，如近似算法和启发式算法。 可判定性与不可判定性 (Decidability and Undecidability): 我们将更深入地探讨形式系统中的可判定性问题。例如，命题逻辑和一阶逻辑的有效性判定问题，以及它们与计算模型之间的联系。理解哪些问题是算法可判定的，而哪些是算法不可判定的，对于设计可靠的系统和理解理论的极限至关重要。 形式验证基础 (Foundations of Formal Verification): 形式验证是利用数学方法来证明软件或硬件设计的正确性。我们将介绍形式验证的基本思想，以及它如何依赖于计算理论的概念，特别是模型检验 (Model Checking) 和定理证明 (Theorem Proving) 的基础。理解形式验证的理论基础，对于构建高度可靠的系统，例如安全关键的软件和硬件，是不可或缺的。 第三部分：计算的实践与应用 理论的意义在于指导实践。在本书的第三部分，我们将把抽象的计算模型和理论转化为具体的计算实践和应用。 编程语言理论与语义 (Programming Language Theory and Semantics): 我们将从计算模型的角度审视各种编程语言的设计。我们将介绍不同类型的编程语言范式，如命令式、函数式、逻辑式编程，并探讨它们在形式语义学 (Formal Semantics) 中的表达。我们将深入研究程序语言的语义学，包括操作语义 (Operational Semantics) 和 denotational semantics，这能帮助我们精确地理解程序的行为。 编译器设计与实现 (Compiler Design and Implementation): 编译器是将高级编程语言转换为机器可执行代码的桥梁。我们将结合形式语言理论、自动机理论和计算复杂性理论，来解释编译器的各个阶段，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化和目标代码生成。读者将理解编译器设计背后的数学原理，以及如何应用理论知识来构建高效的编译器。 算法分析与设计 (Algorithm Analysis and Design): 本书将深入探讨各种经典算法的设计原则和分析方法。我们将从排序、搜索到图算法、动态规划等，展示如何利用计算理论的知识来设计高效的算法，并分析其时间复杂度和空间复杂度。我们将强调算法的效率对实际应用的重要性，尤其是在处理大规模数据时。 并发与并行计算 (Concurrency and Parallel Computing): 在现代计算环境中，并发和并行处理已成为主流。我们将探讨并发模型的挑战，如死锁、活锁和资源竞争，并介绍处理这些问题的理论方法和实践技术。我们将讨论共享内存模型、消息传递模型以及相关的同步机制。 计算的边界与未来 (Frontiers and Future of Computation): 最后，本书将展望计算科学的未来。我们将触及量子计算、生物计算、人工智能等前沿领域，并探讨它们与经典计算理论的关系，以及可能带来的革命性变化。我们将思考计算的终极可能性，以及人类在探索和扩展计算能力方面所面临的机遇与挑战。 《计算的本质：模型、理论与实践》 旨在成为一本既有理论深度又不失实践指导意义的著作。无论您是计算机科学的学生、研究人员，还是希望深入理解数字世界运作原理的爱好者，本书都将为您提供一个坚实的知识框架，并激发您对计算科学更深层次的探索。它是一扇窗，让我们得以窥见那些驱动着我们现代文明的无形力量的奥秘。

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