Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Дискретная математика & математическая логика

..pdf
Скачиваний:
47
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
19.42 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.Ф. Тюрин, В.М. Ланцов

ДИСКРЕТНАЯ МАТЕМАТИКА & МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи, квалификации (степени)

«бакалавр» и «магистр»

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

УДК 621.399 Т98

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.А. Твердохлебов (Институт точной механики и проблем управления РАН, г. Саратов); доктор технических наук, профессор А.В. Частиков

(Вятский государственный университет, г. Киров)

Тюрин, С.Ф.

Т98 Дискретная математика & математическая логика : учеб. пособие / C.Ф. Тюрин, В.М. Ланцов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 271 с.

ISBN 978-5-398-00964-4

Изложен материал по дискретной математике и математической логике, отсутствующийв ранее изданныхавторами учебных пособиях.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплины «Дискретная математика», «Математическая логика и теория алгоритмов» и «Исследование операций». Может быть полезно магистрам и аспирантам при проведении научных исследований.

УДК 621.399

ISBN 978-5-398-00964-4

© ПНИПУ, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................................

5

1. ИСТОРИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ

 

ИДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКИ.....................................................................

6

2. КОМБИНАТОРИКА..........................................................................................

39

2.1. Разбиения и числа Стирлинга..........................................................

39

2.2. Задача кавалера Де Мере..................................................................

41

2.3. Задача ландскнехта...........................................................................

43

2.4. Принцип включения-исключения и рекуррентные

 

соотношения.....................................................................................

45

2.5. Задачи о разбиении плоскости и пространства..............................

49

2.6. Обобщённый факториал и числа Каталана....................................

55

2.7. Латинские прямоугольники и квадраты.........................................

61

2.8. Блок-схемы и конечные проективные плоскости.........................

68

2.9. Дополнительные виды факториалов...............................................

71

3. ТЕОРИЯ ГРАФОВ..............................................................................................

72

3.1. Трансверсаль и теорема о свадьбах.

 

Трансверсальное покрытие.............................................................

72

3.2. Множества внутренней и внешней устойчивости орграфа...........

76

3.3. Транспортная сеть и задача нахождения

 

максимального потока.....................................................................

79

3.4. Транспортная задача.........................................................................

84

3.5. Задача о знакомствах и теория Рамсея...........................................

91

3.6. Покрытия, независимость, связность..............................................

96

3.7. Эйлеровы и гамильтоновы графы...................................................

99

3.8. Анализ графа марковской цепи.....................................................

103

3.9. Перечисление графов .....................................................................

113

4. ОПТИМИЗАЦИЯ..............................................................................................

119

4.1. Полный перебор..............................................................................

120

4.2. Метод ветвей и границ...................................................................

122

4.3. Линейное программирование........................................................

126

4.4. Целочисленное программирование...............................................

137

4.5. Генетический алгоритм оптимизации ..........................................

146

4.6. Парето-оптимизация.......................................................................

151

4.7. Синтез структурной схемы надёжности системы

 

в соответствии с методикой оптимального резервирования

 

на основе процедуры наискорейшего спуска.............................

152

3

5. ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ..................................................................................

166

5.1. Эквивалентность автоматов. Теорема Мура...............................

168

5.2. Минимизация конечных автоматов .............................................

175

5.3. Автоматы Мили и Мура................................................................

182

5.4. Реактивные системы......................................................................

184

5.5. Коллективы автоматов ..................................................................

186

6. СИНТЕЗЛОГИЧЕСКИХ АВТОМАТОВ..................................................

195

6.1. Абстрактный синтез последовательностного автомата

 

при недетерминированной входной последовательности.........

195

6.2. Абстрактный синтез последовательностного автомата

 

при детерминированной входной последовательности.............

200

6.3. Синтез синхронного автомата ......................................................

203

6.3.1. Синтез счётчика...................................................................

203

6.3.2. Синтез автомата-распознавателя

 

с повторяющимися символами...........................................

205

7. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИИГР..........................................................................

209

8. АЛГОРИТМЫ УПОРЯДОЧЕННОГО ПЕРЕБОРА..............................

218

9. СЛОЖНОСТЬАЛГОРИТМОВ....................................................................

238

10. ПРИМЕРЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

 

АБСТРАКТНЫХ МАШИН...........................................................................

245

10.1. Программирование машины Тьюринга.....................................

245

10.2. Программирование машины Поста............................................

246

10.3. Вычисление логической функции..............................................

247

10.4. Задача распознавания последовательности символов

 

на ленте..........................................................................................

250

11. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ........................................................

253

11.1. Математическая логика. Доказательство правильности

 

программ.......................................................................................

253

11.2.Особенности построения модифицированного дерева опровержения с предположением, содержащим квантор

общности.......................................................................................

255

11.3. Многозначные переключательные функции

 

и их функциональная полнота....................................................

257

11.4. Реляционная алгебра и реляционное исчисление.....................

260

12. ЗАДАЧИ.............................................................................................................

267

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................

269

4

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предполагается использовать совместно с книгами: Аляев Ю.А., Тюрин С.Ф. Дискретная математика и математическая логика. – М.: Финансы и статистика, 2006; Тюрин С.Ф., Аляев Ю.А. Дискретная математика: практическая дискретная математика и математическая логика. – М.: Финансы и статистика, 2010; Тюрин С.Ф. Дискретная математика и математическая логика: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009.

Наше издание в основном содержит материал, отсутствующий в ранее изданных учебных пособиях.

5

1.ИСТОРИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛОГИКИ

ИДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКИ

До конца XX века дискретная математика не выделялась как отдельная дисциплина, а была специальным разделом математики. Когда один из авторов этой книги еще в конце 60-х, будучи старшеклассником, посещал так называемую ШЮМ – Школу юных математиков Пермского ордена Трудового красного знамени Государственного университета имени А.М. Горького (кто сейчас помнит об этом названии!), никто не употреблял словосочетание «дискретная математика». Называли разделы математики вообще – « теория множеств», «теория групп», «алгебраические системы» и пр.

Математическая логика считалась разделом дискретной математики. Название дисциплины «Дискретная математика», вероятнее всего, стало употребляться с середины 70-х годов. Потом появилась и соответствующая кафедра МГУ (её возглавил О.Б. Лупанов). В середине 90-х годов XX века, когда стали формироваться первые государственные образовательные стандарты, наверное,

ипроизошло разделение на две разные дисциплины: «Дискретная математика» и «Математическая логика и теория алгоритмов». Причём вначале изучается дискретная математика, а в следующем семестре – математическая логика и теория алгоритмов. Тем не менее бывает очень сложно разделить некоторые темы между двумя дисциплинами: «Булевы функции», они же «Логические функции», «Автоматы», которые используются и в теории алгоритмов, «Языки

играмматики» – этот раздел нужен и для теории автоматов, и для теории алгоритмов, т.е. это разделение, в общем-то, условное. Рассмотрим историю дискретной математики и математической логики в персоналиях.

6

Античность

Исторический экскурс следует начать с Сократа. В начале была логика, причём логика как раздел философии. Впрочем, тогда вся наука была единой и называлась философией. Да и сейчас на Западе учёные получают учёную степень «Доктор философии» – Ph.D. Только более чем через две тысячи лет логика трансформировалась в математическую логику.

Итак, Сократ – рис. 1.1 (др.-греч. Σωκράτης, ок. 469 до н.э. – 399 до н.э.) – древнегреческий философ, учение которого знаменует поворот в философии – от рассмотрения природы и мира к рассмотрению человека.

Рис. 1.1. Сократ

Широко известны его изречения: «Все люди смертны. Сократ – человек. Следовательно, Сократ смертен…», « Я знаю, что ничего не знаю, но многие не знают и этого», «Здоровье – не всё, всё остальное без здоровья – ничто…». О Сократе мы знаем из сочинений его ученика Платона. Есть даже мнение, что Сократ – вымышленный образ (так же, как Атлантида). Но о Сократе писал не только Платон.

Согласно Платону, Сократ был осуждён на смерть и выпил по приговору суда чашу с ядом – рис. 1.2:

7

Рис. 1.2. Смерть Сократа

Когда друзья хотели его похитить из тюрьмы, он не согласился и даже посмеялся над ними, спросив, знают ли они такое место за пределами Аттики, куда не было бы доступа смерти.

Учеником Сократа был Платон – рис. 1.3 (428 или 427 до н.э., 348 или 347 до н.э.) – древнегреческий философ. Настоящее имя его – Аристокл. Платон – это прозвище, означающее «широкий, широкоплечий».

Рис. 1.3. Платон

Аристотель – рис. 1.4 (др.-греч. Аριστοτέλης), называемый также Стагирит по месту рождения (384, Стагир – 322 до н.э., полуостров Халкидикав Македонии) – древнегреческий философ иучёный.

Ученик Платона, с 343 до н.э. воспитатель Александра Македонского.

8

Именно он считается создателем формальной логики, силлогистики, основанной на дедукции. Основной труд Аристотеля по логике – « Органон». Считается, что наукавЕвропеначаласьс Аристотеля.

Рис. 1.4. Аристотель

Семнадцатилетний Аристотель сказал о своём шестидесятилетнем учителе Платоне: «Платон мне друг, но истина дороже!»

Евклид, или Эвклид (др.-греч. Ευκλείδης, вторая половина III в. до н.э.) – древнегреческий математик – рис. 1.5. Евклид был старше учеников Платона, но моложе Архимеда; он жил и работал в Александрии во времена Птолемея I.

Рис. 1.5. Эвклид

9

Именно с Эвклида началась так называемая аксиоматика, геометрия Эвклида строилась на аксиомах, из которых выводились теоремы. Только в XIX веке пришло понимание того, что можно взять другие аксиомы (например, исключить аксиому о параллельных) и получить совершенно другую геометрию – Лобачевского, Римана. Поиском ответа на вопрос «эвклидово ли наше пространство?» занимаются современные учёные.

Как-то царь Птолемей спросил Евклида, нет ли более короткого пути к изучению геометрии кроме как через изучение его основного труда «Начал», на что Евклид ответил: «В геометрии нет царского пути».

Один юноша спросил у Евклида: «А какая мне будет выгода от этой науки?» Евклид подозвал раба и сказал: «Дай ему три обола, раз он хочет извлекать прибыль из учёбы». Обол́– это название монеты и единицы веса.

Кроме того, в науке известен так называемый алгоритм Эвклида– процедура поиска наименьшего общего делителя, хотя сама теорияалгоритмов считается основанной гораздопозже– в Средние века.

Средневековье

Полагают, что теория алгоритмов как раздел математической логики началась с Аль-Хорезми (полное имя – Абу Абдулла (или Абу Джафар) Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми), ок. 783 – ок. 850,

рис. 1.6.

Аль Хорезми написал первое руководство по арифметике, основанное на позиционном принципе. Ему принадлежит процедура (алгоритм) вычислений в десятичной арифметике (так мы и вычисляем – « столбиком»). Написал знаменитую книгу «Китаб аль-джебр валь-мукабала» – « Книга о восстановлении и противопоставлении» (посвящена решению линейных и квадратных уравнений), от названия которой произошло слово «алгебра». Имя автора в латинизированной форме Algorismus и Algorithmus стало, как считается, обозначать в средневековой Европе всю систему десятичной арифметики.

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]