Дискретная математика
Часть серии о | ||
Математика | ||
---|---|---|
|
||
Математический портал | ||
Дискретная математика — это исследование математических структур , которые можно считать «дискретными» (по аналогии с дискретными переменными , имеющими биекцию с набором натуральных чисел ), а не «непрерывными» (аналогично непрерывным функциям ). изучаемые в дискретной математике, включают целые числа , графики и утверждения логические Объекты , . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Напротив, дискретная математика исключает темы «непрерывной математики», такие как действительные числа , исчисление или евклидова геометрия . Дискретные объекты часто могут быть пронумерованы целыми числами ; более формально, дискретную математику можно охарактеризовать как раздел математики, изучающий счетные множества. [ 4 ] (конечные множества или множества той же мощности , что и натуральные числа). Однако точного определения термина «дискретная математика» не существует. [ 5 ]
Множество объектов, изучаемых в дискретной математике, может быть конечным или бесконечным. Термин «конечная математика» иногда применяется к частям области дискретной математики, которые имеют дело с конечными множествами, особенно к тем областям, которые имеют отношение к бизнесу.
Исследования в области дискретной математики расширились во второй половине двадцатого века, отчасти благодаря развитию цифровых компьютеров , которые работают «дискретно» и хранят данные в «дискретных» битах. Концепции и обозначения дискретной математики полезны при изучении и описании объектов и проблем в таких областях информатики , как компьютерные алгоритмы , языки программирования , криптография , автоматическое доказательство теорем и разработка программного обеспечения . И наоборот, компьютерные реализации играют важную роль в применении идей дискретной математики к реальным проблемам.
Хотя основными объектами исследования в дискретной математике являются дискретные объекты, аналитические часто используются и методы «непрерывной» математики.
В университетских учебных программах дискретная математика появилась в 1980-х годах, первоначально как вспомогательный курс по информатике; в то время его содержание было несколько бессистемным. Впоследствии учебная программа была преобразована совместно с усилиями ACM и MAA в курс, который в основном предназначен для развития математической зрелости у студентов первого курса; поэтому в настоящее время это также является обязательным условием для поступления на математические специальности в некоторых университетах. [ 6 ] [ 7 ] Появилось также несколько учебников по дискретной математике для средней школы. [ 8 ] На этом уровне дискретная математика иногда рассматривается как подготовительный курс, подобно предварительному исчислению в этом отношении. [ 9 ]
Премия Фулкерсона присуждается за выдающиеся работы в области дискретной математики.
Темы по дискретной математике
[ редактировать ]Теоретическая информатика
[ редактировать ]Теоретическая информатика включает области дискретной математики, имеющие отношение к вычислениям. Он в значительной степени опирается на теорию графов и математическую логику . В теоретическую информатику входит изучение алгоритмов и структур данных. Вычислимость изучает то, что можно вычислить в принципе, и тесно связана с логикой, тогда как сложность изучает время, пространство и другие ресурсы, используемые вычислениями. Теория автоматов и теория формального языка тесно связаны с вычислимостью. Сети Петри и алгебры процессов используются для моделирования компьютерных систем, а методы дискретной математики используются для анализа СБИС электронных схем . Вычислительная геометрия применяет алгоритмы к геометрическим задачам и представлениям геометрических объектов, а компьютерный анализ изображений применяет их к представлениям изображений. Теоретическая информатика также включает изучение различных тем, связанных с непрерывными вычислениями.
Теория информации
[ редактировать ]Теория информации предполагает количественную оценку информации . Тесно связана теория кодирования , которая используется для разработки эффективных и надежных методов передачи и хранения данных. Теория информации также включает в себя сплошные темы, такие как: аналоговые сигналы , аналоговое кодирование , аналоговое шифрование .
Логика
[ редактировать ]Логика – это изучение принципов обоснованных рассуждений и выводов , а также последовательности , обоснованности и полноты . Например, в большинстве систем логики (но не в интуиционистской логике ) закон Пирса ((( P → Q )→ P )→ P ) является теоремой. Для классической логики это легко проверить с помощью таблицы истинности . Изучение математических доказательств особенно важно в логике и связано с автоматизированным доказательством теорем и формальной проверкой программного обеспечения.
Логические формулы представляют собой дискретные структуры, как и доказательства , которые образуют конечные деревья. [ 10 ] или, в более общем смысле, ориентированные ациклические графовые структуры. [ 11 ] [ 12 ] (при этом каждый шаг вывода объединяет одну или несколько ветвей предпосылок для получения единственного заключения). Значения истинности логических формул обычно образуют конечное множество, обычно ограниченное двумя значениями: true и false , но логика также может быть непрерывнозначной, например, нечеткая логика . Также изучались такие концепции, как бесконечные деревья доказательств или бесконечные деревья вывода. [ 13 ] например, бесконечная логика .
Теория множеств
[ редактировать ]Теория множеств — это раздел математики, изучающий множества , которые представляют собой коллекции объектов, таких как {синий, белый, красный} или (бесконечное) множество всех простых чисел . Частично упорядоченные множества и множества с другими отношениями находят приложения в нескольких областях.
В дискретной математике счетным множествам (включая конечные множества основное внимание уделяется ). Начало теории множеств как раздела математики обычно отмечается работой Георга Кантора , проводившей различие между различными видами бесконечных множеств , мотивированной изучением тригонометрических рядов, а дальнейшее развитие теории бесконечных множеств выходит за рамки дискретных множеств. математика. Действительно, современные работы в области дескриптивной теории множеств широко используют традиционную непрерывную математику.
Комбинаторика
[ редактировать ]Комбинаторика изучает способы объединения или расположения дискретных структур. Перечислительная комбинаторика концентрируется на подсчете количества определенных комбинаторных объектов - например, двенадцатикратный способ обеспечивает единую основу для подсчета перестановок , комбинаций и разделов . Аналитическая комбинаторика занимается перечислением (т. е. определением количества) комбинаторных структур с использованием инструментов комплексного анализа и теории вероятностей . В отличие от перечислительной комбинаторики, которая использует явные комбинаторные формулы и производящие функции для описания результатов, аналитическая комбинаторика направлена на получение асимптотических формул . Топологическая комбинаторика касается использования методов топологии и алгебраической топологии / комбинаторной топологии в комбинаторике . Теория дизайна — это исследование комбинаторных проектов , которые представляют собой коллекции подмножеств с определенными свойствами пересечения . Теория разбиений изучает различные проблемы перечисления и асимптотики, связанные с целочисленными разбиениями. , и тесно связан с q-рядами , специальными функциями и ортогональными полиномами . Теория разделов , первоначально являвшаяся частью теории чисел и анализа , теперь считается частью комбинаторики или независимой областью. Теория порядка — это изучение частично упорядоченных множеств , как конечных, так и бесконечных.
Теория графов
[ редактировать ]Теория графов, изучение графов и сетей , часто считается частью комбинаторики, но она стала достаточно большой и четкой, со своими собственными проблемами, чтобы ее можно было рассматривать как отдельный предмет. [ 14 ] Графы являются одним из основных объектов изучения дискретной математики. Они являются одними из наиболее распространенных моделей как природных, так и искусственных сооружений. Они могут моделировать многие типы отношений и динамику процессов в физических, биологических и социальных системах. В информатике они могут представлять сети связи, организацию данных, вычислительные устройства, поток вычислений и т. д. В математике они полезны в геометрии и некоторых частях топологии , например теории узлов . Алгебраическая теория графов тесно связана с теорией групп, а топологическая теория графов тесно связана с топологией . Существуют также непрерывные графики ; однако по большей части исследования в области теории графов относятся к области дискретной математики.
Теория чисел
[ редактировать ]Теория чисел занимается свойствами чисел в целом, особенно целых чисел . Он имеет приложения в криптографии и криптоанализе , особенно в отношении модульной арифметики , диофантовых уравнений , линейных и квадратичных сравнений, простых чисел и проверки на простоту . Другие дискретные аспекты теории чисел включают геометрию чисел . В аналитической теории чисел также используются методы непрерывной математики. Темы, выходящие за рамки дискретных объектов, включают трансцендентные числа , диофантовую аппроксимацию , p-адический анализ и функциональные поля .
Алгебраические структуры
[ редактировать ]Алгебраические структуры встречаются как в виде дискретных, так и в виде непрерывных примеров. К дискретным алгебрам относятся: булева алгебра, используемая в логических элементах и программировании; реляционная алгебра, используемая в базах данных ; дискретные и конечные версии групп , колец и полей важны в алгебраической теории кодирования ; дискретные полугруппы и моноиды появляются в теории формальных языков .
Дискретные аналоги непрерывной математики
[ редактировать ]В непрерывной математике существует множество концепций и теорий, которые имеют дискретные версии, такие как дискретное исчисление , дискретные преобразования Фурье , дискретная геометрия , дискретные логарифмы , дискретная дифференциальная геометрия , дискретное внешнее исчисление , дискретная теория Морса , дискретная оптимизация , дискретная теория вероятностей , дискретная вероятность. распределение , разностные уравнения , дискретные динамические системы и дискретные векторные меры .
Исчисление конечных разностей, дискретный анализ и дискретное исчисление
[ редактировать ]В дискретном исчислении и исчислении конечных разностей , функция определенная на интервале целых чисел , обычно называется последовательностью . Последовательность может быть конечной последовательностью из источника данных или бесконечной последовательностью из дискретной динамической системы . Такая дискретная функция может быть определена явно списком (если ее область определения конечна) или формулой для ее общего термина, или она может быть задана неявно с помощью рекуррентного соотношения или разностного уравнения . Разностные уравнения подобны дифференциальным уравнениям , но заменяют дифференцирование , беря разность между соседними членами; их можно использовать для аппроксимации дифференциальных уравнений или (чаще) изучать самостоятельно. Многие вопросы и методы, касающиеся дифференциальных уравнений, имеют аналоги для разностных уравнений. Например, там, где используются интегральные преобразования в гармоническом анализе для изучения непрерывных функций или аналоговых сигналов, существуют дискретные преобразования для дискретных функций или цифровых сигналов. А также дискретные метрические пространства , существуют более общие дискретные топологические пространства , конечные метрические пространства , конечные топологические пространства .
Исчисление шкалы времени представляет собой объединение теории разностных уравнений с теорией дифференциальных уравнений , которое имеет приложения к областям, требующим одновременного моделирования дискретных и непрерывных данных. Другим способом моделирования такой ситуации является понятие гибридных динамических систем .
Дискретная геометрия
[ редактировать ]Дискретная геометрия и комбинаторная геометрия посвящены комбинаторным свойствам дискретных наборов геометрических объектов. Давняя тема в дискретной геометрии — замощение плоскости .
В алгебраической геометрии понятие кривой может быть расширено до дискретной геометрии, если принять спектры над колец многочленов конечными полями в качестве моделей аффинных пространств над этим полем и позволить подмногообразиям или спектрам других колец предоставить кривые, лежащие в это пространство. Хотя пространство, в котором появляются кривые, имеет конечное число точек, кривые представляют собой не столько наборы точек, сколько аналоги кривых в непрерывных условиях. Например, каждая точка вида для поле можно изучать либо как , точка или как спектр локального кольца в (xc) — точка вместе с окрестностью вокруг нее. Алгебраические многообразия также имеют четко определенное понятие касательного пространства, называемого касательным пространством Зарисского , что делает многие особенности исчисления применимыми даже в конечных условиях.
Дискретное моделирование
[ редактировать ]В прикладной математике дискретное моделирование является дискретным аналогом непрерывного моделирования . В дискретном моделировании дискретные формулы соответствуют данным . Распространенным методом в этой форме моделирования является использование рекуррентного отношения . Дискретизация касается процесса перевода непрерывных моделей и уравнений в дискретные аналоги, часто с целью упрощения вычислений за счет использования аппроксимаций. Численный анализ дает важный пример.
Проблемы
[ редактировать ]История дискретной математики включает в себя ряд сложных проблем, которые привлекли внимание отдельных областей этой области. В теории графов многие исследования были мотивированы попытками доказать теорему о четырех цветах , впервые сформулированную в 1852 году, но не доказанную до 1976 года (Кеннет Аппель и Вольфганг Хакен, используя существенную помощь компьютера). [ 15 ]
В логике из второй задачей списка Дэвида Гильберта открытых задач было доказательство аксиом арифметики представленного в 1900 году , непротиворечивости , . Вторая теорема Гёделя о неполноте , доказанная в 1931 году, показала, что это невозможно – по крайней мере, в самой арифметике. Десятая проблема Гильберта заключалась в том, чтобы определить, имеет ли данное полиномиальное диофантово уравнение с целыми коэффициентами целочисленное решение. В 1970 году Юрий Матиясевич доказал, что этого сделать невозможно .
Необходимость взлома немецких кодов во время Второй мировой войны привела к достижениям в криптографии и теоретической информатике : первый программируемый цифровой электронный компьютер был разработан в английском Блетчли-парке под руководством Алана Тьюринга и его основополагающей работы «О вычислимых числах». [ 16 ] Холодная война фундаментальные достижения, такие как криптография с открытым ключом означала, что криптография оставалась важной, и в последующие десятилетия были разработаны . Телекоммуникационная отрасль также способствовала развитию дискретной математики, особенно теории графов и теории информации . Формальная проверка логических утверждений была необходима для разработки программного обеспечения критически важных для безопасности систем , и именно развитию автоматизированного доказательства теорем эта необходимость привела к .
Вычислительная геометрия стала важной частью компьютерной графики, включенной в современные видеоигры и инструменты автоматизированного проектирования .
Некоторые области дискретной математики, особенно теоретическая информатика, теория графов и комбинаторика , играют важную роль в решении сложных проблем биоинформатики , связанных с пониманием древа жизни . [ 17 ]
В настоящее время одной из самых известных открытых задач в теоретической информатике является проблема P=NP , которая предполагает взаимосвязь между классами сложности P и NP . Институт математики Клея предложил премию в 1 миллион долларов США за первое правильное доказательство, а также призы за шесть других математических задач . [ 18 ]
См. также
[ редактировать ]- Очерк дискретной математики
- Cyberchase — шоу, обучающее детей дискретной математике.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ричард Джонсонбо , Дискретная математика , Прентис Холл, 2008.
- ^ Франклин, Джеймс (2017). «Дискретное и непрерывное: фундаментальная дихотомия в математике» . Журнал гуманистической математики . 7 (2): 355–378. дои : 10.5642/jhummath.201702.18 . S2CID 6945363 . Проверено 30 июня 2021 г.
- ^ «Дискретные структуры: что такое дискретная математика?» . cse.buffalo.edu . Проверено 16 ноября 2018 г.
- ^ Биггс, Норман Л. (2002), Дискретная математика , Oxford Science Publications (2-е изд.), The Clarendon Press Oxford University Press, стр. 89, ISBN 9780198507178 , MR 1078626 ,
Дискретная математика - это раздел математики, в котором мы занимаемся вопросами, связанными с конечными или счетными бесконечными множествами.
- ^ Хопкинс, Брайан, изд. (2009). Ресурсы для преподавания дискретной математики: классные проекты, исторические модули и статьи . Математическая ассоциация Америки. ISBN 978-0-88385-184-5 .
- ^ Левассер, Кен; Дорр, Ал. Прикладные дискретные структуры . п. 8.
- ^ Джеффри Хаусон, Альберт, изд. (1988). Математика как предмет службы . Издательство Кембриджского университета. стр. 77–78. ISBN 978-0-521-35395-3 .
- ^ Розенштейн, Джозеф Г. Дискретная математика в школах . Американское математическое общество. п. 323. ИСБН 978-0-8218-8578-9 .
- ^ «УЦМП» . uchicago.edu .
- ^ Троэльстра, А.С.; Швихтенберг, Х. (27 июля 2000 г.). Основная теория доказательств . Издательство Кембриджского университета. п. 186. ИСБН 978-0-521-77911-1 .
- ^ Басс, Сэмюэл Р. (1998). Справочник по теории доказательств . Эльзевир. п. 13. ISBN 978-0-444-89840-1 .
- ^ Баадер, Франц; Брюка, Герхард; Эйтер, Томас (16 октября 2001 г.). KI 2001: Достижения в области искусственного интеллекта: Совместная немецко-австрийская конференция по искусственному интеллекту, Вена, Австрия, 19–21 сентября 2001 г. Материалы . Спрингер. п. 325. ИСБН 978-3-540-42612-7 .
- ^ Бразерстон, Дж.; Борнат, Р.; Кальканьо, К. (январь 2008 г.). «Циклические доказательства завершения программы в логике разделения». Уведомления ACM SIGPLAN . 43 (1): 101–112. дои : 10.1145/1328897.1328453 .
- ^ Мохар, Боян ; Томассен, Карстен (2001). Графы на поверхностях . Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 978-0-8018-6689-0 . OCLC 45102952 .
- ^ Перейти обратно: а б Уилсон, Робин (2002). Четырех цветов достаточно . Лондон: Книги Пингвина. ISBN 978-0-691-11533-7 .
- ^ Ходжес, Эндрю (1992). Алан Тьюринг: Загадка . Случайный дом .
- ^ Ходкинсон, Тревор Р.; Парнелл, Джон А.Н. (2007). Реконструкция Древа Жизни: Таксономия и систематика крупных и видовых таксонов . ЦРК Пресс. п. 97. ИСБН 978-0-8493-9579-6 .
- ^ «Проблемы премии тысячелетия» . 24 мая 2000 г. Проверено 12 января 2008 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Биггс, Норман Л. (2002). Дискретная математика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850717-8 .
- Дуайер, Джон (2010). Введение в дискретную математику для бизнеса и вычислений . ISBN 978-1-907934-00-1 .
- Эпп, Сюзанна С. (4 августа 2010 г.). Дискретная математика с приложениями . Томсон Брукс/Коул. ISBN 978-0-495-39132-6 .
- Грэм, Рональд ; Кнут, Дональд Э .; Паташник, Орен (1994). Конкретная математика (2-е изд.). Аддисон-Уэсли. ISBN 0-201-55802-5 .
- Гримальди, Ральф П. (2004). Дискретная и комбинаторная математика: прикладное введение . Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-72634-3 .
- Кнут, Дональд Э. (2011). Искусство компьютерного программирования . Том. 1–4а Коробочный набор. Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0-321-75104-1 .
- Матушек, Иржи ; Нешетрил, Ярослав (1998). Дискретная математика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850208-1 .
- Обренич, Бояна (2003). Практические задачи по дискретной математике . Прентис Холл. ISBN 978-0-13-045803-2 .
- Розен, Кеннет Х.; Майклс, Джон Г. (2000). Справочник по дискретной и комбинаторной математике . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-0149-0 .
- Розен, Кеннет Х. (2007). Дискретная математика: и ее приложения . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-288008-3 .
- Симпсон, Эндрю (2002). Дискретная математика на примерах . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-709840-7 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Дискретная математика. Архивировано 29 августа 2011 г. на Wayback Machine в математических архивах utk.edu, содержит ссылки на учебные планы, учебные пособия, программы и т. д.
- Центральный штат Айовы: Программа электротехнологий. Дискретная математика для электротехники .