Algorithms and Complexity

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出版者:A K Peters/CRC Press
作者:Herbert S. Wilf
出品人:
页数:228
译者:
出版时间:2002-12-1
价格:USD 51.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9781568811789
丛书系列:
图书标签:
  • 算法
  • 复杂度理论
  • 数据结构
  • 可计算性
  • 计算模型
  • 图论
  • 离散数学
  • 算法分析
  • NP完全
  • 优化
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具体描述

《算法与复杂度:深入探索计算的边界》 本书并非详述《Algorithms and Complexity》这一特定著作,而是旨在为读者构建一个关于算法与复杂性理论的全面理解框架。我们将一同踏上一段探寻计算世界本质的旅程,从最基础的逻辑结构到支撑现代科技的庞大体系,逐步揭示算法的精妙之处以及复杂性理论所勾勒出的计算能力边界。 第一部分:算法的基石——构建与分析 在旅程的开端,我们将首先深入理解“算法”这一核心概念。什么是一个算法?它不仅仅是一系列指令,更是解决特定问题的系统性、步骤化方法。我们将探讨算法的构成要素,如输入、输出、确定性、有限性、有效性等,并理解算法作为一种抽象模型,如何在不同的计算环境中得到实现。 随后,我们将聚焦于算法的设计思维。从简单的排序和搜索算法入手,如冒泡排序、插入排序、选择排序,到更高级的快速排序、归并排序,我们会学习如何分解问题,如何设计出高效、优雅的解决方案。分治法、动态规划、贪心算法等设计范式将一一展现,它们是解决复杂问题的强大工具,我们将通过具体案例来理解它们的设计思路和应用场景。 然而,一个算法的优劣不仅仅取决于其正确性,更在于其效率。因此,我们不得不引入“复杂度分析”。本书将带领读者掌握分析算法时间和空间复杂度的基本方法。我们将学习大 O 记法、大 Ω 记法、大 Θ 记法等渐进符号,理解它们如何描述算法在输入规模增大时性能的增长趋势。通过对常见算法进行精确的复杂度分析,读者将能够量化不同算法的性能差异,从而在实际应用中做出明智的选择。 第二部分:复杂性理论的疆域——计算的极限与分类 当我们将目光投向算法的本质和效率之后,复杂性理论便展现了其宏大的图景。它关注的不仅仅是“能否解决”一个问题,更是“解决一个问题需要多少资源”。我们将探索计算模型,如图灵机,理解它作为理论上最强大的计算模型的普适性。 复杂性理论的核心在于将计算问题按照其所需的资源(主要是时间或空间)进行分类。P 类问题,即可以在多项式时间内解决的问题,构成了我们通常认为“容易”解决的问题的集合。NP 类问题,即其解可以在多项式时间内验证的问题,则引发了关于“是否容易解决”的深刻讨论。NP 完全问题,作为 NP 类问题中最“困难”的一类,它们的求解复杂度直接影响着整个 NP 类问题的求解难度,其存在性与 P=NP 的猜想是理论计算机科学中最具吸引力也最棘手的挑战之一。 本书将详细阐述 P、NP、NP-hard、NP-complete 等概念,并通过实例来阐明这些分类的意义。例如,我们将探讨旅行商问题、背包问题、图着色问题等 NP 完全问题的经典例子,理解它们为什么如此难以高效解决,以及为什么找到它们的(近似)最优解仍然具有重要的现实意义。 除了时间复杂度,我们还将深入研究空间复杂度,理解那些虽然时间上可行但需要海量存储空间的计算任务。对于一些问题,例如判断一个图是否连通,我们可能只需要很少的空间就能找到答案,即使这个图非常庞大。 第三部分:实用性与前沿——算法的现实应用与发展 理论的探索终将回归实践。本书将引导读者思考算法在现实世界中的广泛应用。从操作系统中的调度算法、数据库中的索引算法,到网络通信中的路由算法、人工智能中的机器学习算法,几乎所有现代科技的运行都离不开高效的算法。我们将探讨一些实际应用场景,例如: 数据结构与算法在软件开发中的重要性: 理解不同数据结构(如数组、链表、树、图、哈希表)的特性,以及它们与相应算法的结合,是如何影响软件性能和可维护性的。 算法在特定领域的应用: 例如,在密码学中,对算法复杂度的理解直接关系到信息安全;在计算生物学中,序列比对和基因组分析依赖于高效的字符串算法;在图形学中,渲染和模拟需要大量的几何算法。 近似算法与启发式算法: 面对 NP 完全问题,当精确解的获取成本过高时,近似算法和启发式算法提供了在可接受的时间内获得“足够好”解的途径。我们将探讨这些方法的原理和局限性。 最后,本书将展望算法与复杂性理论的未来发展。计算能力的飞速提升,新的计算模型(如量子计算)的出现,都为算法研究带来了新的机遇和挑战。我们将简要介绍量子计算对复杂性理论可能带来的颠覆性影响,以及当前研究的热点方向,例如可验证计算、差分隐私等。 通过这样一趟由浅入深的探索,读者将不仅仅是了解“算法”与“复杂度”,更是能够建立起一套科学的计算思维,理解计算能力的可能性与局限性,从而在面对复杂问题时,能够运用恰当的工具和方法,做出更具洞察力的决策,并为未来的技术发展打下坚实的基础。

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读后感

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用户评价

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从结构上看,这本书的后半部分明显偏重于新兴计算范式,而不是对经典算法的巩固。例如,在讨论到PCP定理(Probabilistically Checkable Proofs)时,作者没有提供任何可操作的证明构建步骤,而是聚焦于PCP定理对算术证明复杂度的影响,以及它如何重塑了“可信计算”的定义。这让我感觉这本书的出版时间可能稍滞后于某些最前沿的理论突破,或者作者故意选择了更有哲学厚度的侧重点。我特别留意了它对“近似比”的讨论,作者并没有采用常见的 $alpha$-approximation 的数学表达,而是用了一种更直观的“信息损耗率”模型来描述,这使得初次接触近似算法的读者能更快抓住其核心思想。不过,书中对一些关键算法的伪代码描述非常简洁,甚至可以说是过度精简,省略了初始化和边界条件的处理,这在实际编码时会造成不便。总体而言,这本书提供的是一种自上而下的、高度理论化和概念化的视角,它要求读者不仅要理解算法的“如何做”,更要深入挖掘其“为什么存在”以及“其存在的意义”。它是一本挑战性的、需要反复品味的理论结晶,而非一本轻松的阅读材料。

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这本书最让我感到惊讶的,是其对“非确定性”的哲学解读,这一点在其他主流算法教材中几乎是缺失的。它没有满足于仅仅将“非确定性图灵机”作为一个理论工具来介绍,而是深入探讨了“我们对未来计算路径的假设”如何影响我们对当前问题的定性。在描述NP完全性时,作者引入了“可验证性”与“创造性”之间的辩证关系,并用大量的篇幅对比了不同文化背景下对“完美解”的追求差异,试图从社会学角度来解读计算复杂性的本质。这种跨学科的融合非常大胆。举个例子,在分析NP-Hard问题时,作者并未过多纠缠于集合论的严格定义,反而引用了艺术史中关于“复兴”与“创新”的讨论来类比算法的搜索空间,这无疑是一次大胆的尝试。这种处理方式让原本枯燥的理论变得富有生命力和文化内涵。虽然这种风格非常吸引我——因为它满足了我对知识广度的渴求——但我也必须承认,它会让那些专注于提高编程竞赛成绩或者准备面试的读者感到困惑。这本书的价值不在于教你如何“解决”问题,而在于教你如何“思考”问题的本质和局限性,它更像是一本算法的“元认知”指南。

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初读这本《Algorithms and Complexity》,我本以为能找到对经典排序和图论算法的深入剖析,毕竟书名是如此直白。然而,这本书的侧重点却让我有些意外,也因此带来了不少惊喜。它并没有把大量篇幅放在对快速排序或Dijkstra算法的数学推导上,而是用一种非常宏大的视角来审视“复杂性”这个概念本身。作者似乎更热衷于探讨算法在信息爆炸时代的哲学意义,比如,当面对一个本质上不可解的问题时,我们应该如何定义“高效”?书中花费了整整两章篇幅来讨论“近似算法”的伦理边界,引出了许多发人深省的讨论:为了在合理时间内得到一个“足够好”的解,我们愿意牺牲多少精确度?这种对算法的抽象化和概念化的处理,使得这本书更像是一部探讨计算理论哲学而非纯粹技术手册的作品。它的语言风格也偏向于学术思辨,引用的案例往往来自前沿的计算生物学和金融建模,而不是教科书上常见的那些基础案例。对于那些只想快速查询某个数据结构实现细节的读者来说,这本书可能会显得有些“跑题”和晦涩难懂,但对于那些希望从更高维度理解计算限制和可能性的研究者而言,它无疑提供了一个极其宝贵的、充满挑战性的新视角。我尤其欣赏作者在探讨P/NP问题时,没有简单地陈述猜想,而是通过引入量子计算的早期概念作为对比,拓宽了我们对“可解性”的想象空间,这在同类书籍中是相当少见的。

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这本书的排版和装帧,坦白说,透露着一股浓厚的“学院派”气息,厚重得让人感觉不是用来快速翻阅的工具书,而是需要时间沉淀的案头书。我最想吐槽的是它的图表设计,很多关键的复杂性模型图,如果不是我拿着另一本基础教材对照着看,几乎无法理解其内在逻辑。这绝不是一本面向初学者的入门读物。作者似乎默认读者已经对计算理论的基础有非常扎实的掌握,所以很多关键的引子和定义都省略了,直接跳跃到更精细的分析层面。比如,在讨论随机化算法的有效性时,书中对蒙特卡洛方法的介绍非常简略,但对其在贝叶斯推断中的应用却进行了极其详尽的、近乎于论文摘要的阐述。这导致我在尝试理解书中关于“零知识证明”那一部分时,花费了比预期多出三倍的时间来回溯先前遗漏的知识点。我感觉这本书的受众更像是已经完成了博士课程,正在尝试将计算理论应用于特定交叉学科(比如密码学或高性能计算)的专业人士。它更像是一本“进阶研究参考”,而不是一本“教学用书”。它对算法效率的评估标准也极其苛刻,往往不是关注渐进复杂度 $O(n log n)$ 这种级别的差异,而是纠结于常数因子和缓存命中率对实际运行时间的影响,这种微观层面的极致追求,对于日常开发工作来说,可能有些过犹不及,但对于理论极限的探索来说,却展现了作者严谨的治学态度。

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阅读这本书的过程,与其说是学习知识,不如说是一场智力上的“角力”。我发现自己经常需要暂停阅读,走到白板前,尝试重构作者提出的某些论证框架。它的叙事方式非常独特,不同于传统教材那种清晰的“问题-方法-结论”的线性结构。相反,它更像是一系列围绕核心复杂性理论展开的深度对话或思想实验的集合。在探讨时间-空间权衡时,作者引入了图灵机模型的一个变种,这个变种的设定非常新颖,它要求存储器本身具有计算能力,这彻底颠覆了我对传统图灵机模型的认知。接着,作者立即将这个概念应用到了对生物信息学中基因序列比对的建模上,这种跨越巨大技术鸿沟的跳跃性思维,非常考验读者的知识广度和联想能力。有时候,我会觉得作者的表达过于口语化和跳跃,仿佛在与一位同样顶尖的同行进行私下交流,而不是面向大众出版物。这种风格的优点在于极具启发性,能激发读者去主动填补空白;缺点也很明显,对于那些需要明确、无歧义指导的读者来说,可能会感到极度受挫。总而言之,这是一本需要读者主动投入大量思考和背景知识储备才能真正消化的书籍,它提供的知识深度远超一般读物,但阅读体验的友好度相对较低。

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