計算科學導論（第2版）

目錄

第1章計算工具和計算科學

1.1計算機的發展

1.1.1早期的計算工具

1.1.2古典計算機的發展

1.1.3現代計算機的發展

1.1.4微型計算機的發展

1.2計算機的類型

1.2.1類型與特點

1.2.2大型計算機

1.2.3微型計算機

1.2.4嵌入式計算機

1.3計算技術特征

1.3.1計算技術的發展

1.3.2軟件特征與類型

1.3.3計算機人機界面

1.3.4計算機技術指標

1.4計算學科特征

1.4.1計算學科的形態

1.4.2課程和培養目標

1.4.3計算科學的影響

1.4.4知識產權保護

1.4.5職業道德規範

1.4.6職業衛生健康

習題1

第2章程序語言和軟件開發

2.1程序語言特征

2.1.1程序語言的演化

2.1.2現代程序語言專家

2.1.3程序語言的學習

2.1.4程序語言的類型

2.1.5程序語言的文法

2.1.6程序語言的解釋

2.1.7程序語言的編譯

2.2Python編程基礎

2.2.1程序組成

2.2.2基本元素

2.2.3變量

2.2.4表達式

2.2.5數據類型

2.2.6控制語句

2.2.7函數設計

2.3程序語言介紹

2.3.1經典程序設計語言C

2.3.2面向對象程序語言Java

2.3.3邏輯推理程序語言Prolog

2.3.4函數式程序語言Haskell

2.3.5網頁腳本程序語言JavaScript

2.3.6並行程序基本特征

2.3.7事件驅動程序設計

2.4軟件開發方法

2.4.1程序設計原則

2.4.2程序異常原因

2.4.3軟件工程特征

2.4.4軟件測試方法

2.4.5軟件開發模型

2.4.6開源軟件開發

習題2

第3章計算思維和學科基礎

3.1計算思維

3.1.1計算思維的特征

3.1.2數學思維的概念

3.1.3工程思維的概念

3.1.4問題求解的方法

3.2數學建模

3.2.1數學模型的構建方法

3.2.2囚徒困境： 博弈策略建模

3.2.3機器翻譯： 統計語言建模

3.2.4平均收入： 安全計算建模

3.2.5網頁搜索： 布爾檢索建模

3.2.6生命遊戲： 細胞自動機建模

3.3計算科學基礎： 可計算性

3.3.1圖靈機計算模型

3.3.2停機問題： 理論上不可計算的問題

3.3.3漢諾塔： 現實中難以計算的問題

3.3.4不完備性與可計算性

3.3.5計算科學難題： P=NP？

3.4學科經典問題： 計算復雜性

3.4.1哥尼斯堡七橋問題： 圖論

3.4.2哈密頓回路： 計算復雜性

3.4.3旅行商問題： 計算組合爆炸

3.4.4單向函數： 公鑰密碼的基礎

3.4.5哲學家就餐問題： 死鎖控制

3.4.6兩軍通信： 信號不可靠傳輸

習題3

第4章常用算法和數據結構

4.1算法的特征

4.1.1算法的定義

4.1.2算法的表示

4.1.3算法的評估

4.1.4算法復雜度

4.2常用算法

4.2.1疊代法

4.2.2遞歸法

4.2.3枚舉法

4.2.4分治法

4.2.5貪心法

4.2.6動態規劃

4.2.7篩法求素數

4.2.8蒙特卡洛法

4.2.9遺傳算法

4.3排序與查找

4.3.1冒泡排序

4.3.2插入排序

4.3.3快速排序

4.3.4二分查找

4.3.5分組查找

4.4數據結構

4.4.1基本概念

4.4.2線性結構

4.4.3樹結構

4.4.4圖結構

習題4

第5章信息編碼和數理邏輯

5.1數值信息編碼

5.1.1二進制數的編碼

5.1.2不同數制的轉換

5.1.3二進制整數編碼

5.1.4二進制小數編碼

5.1.5實數與浮點數的轉換

5.1.6二進制補碼運算

5.2非數值信息編碼

5.2.1字符的早期編碼

5.2.2國際字符統一碼Unicode

5.2.3音頻數據編碼

5.2.4點陣圖像編碼

5.2.5矢量圖形編碼

5.2.6文本數據編碼

5.3壓縮與糾錯編碼

5.3.1信息熵的度量

5.3.2無損壓縮編碼

5.3.3圖像壓縮技術JPEG

5.3.4視頻壓縮技術MPEG

5.3.5信號糾錯編碼

5.4數理邏輯與應用

5.4.1數理邏輯概述

5.4.2基本邏輯運算

5.4.3命題邏輯演算

5.4.4謂詞邏輯演算

5.4.5數理邏輯應用

習題5

第6章計算機系統工作原理

6.1應用軟件層

6.1.1系統層次模型

6.1.2應用層的架構

6.1.3程序執行過程

6.1.4虛擬機技術

6.2操作系統層

6.2.1操作系統功能

6.2.2桌面操作系統Windows

6.2.3網絡操作系統Linux

6.2.4移動操作系統Android

6.3指令系統層

6.3.1指令基本組成

6.3.2CISC與RISC

6.3.3RISCV指令集

6.3.4控制指令的實現

6.3.5系統引導過程

6.4系統結構層

6.4.1馮·諾依曼計算機結構

6.4.2哈佛計算機結構

6.4.3個人計算機結構

6.4.4計算機集群結構

6.5硬件設備層

6.5.1計算機主要硬件設備

6.5.2運算部件： CPU基本結構

6.5.3運算部件： CPU流水線技術

6.5.4運算部件： CPU運算過程

6.5.5存儲部件： 類型和層次

6.5.6存儲部件： 內存和外存

6.5.7傳輸部件： 並行與串行

6.5.8傳輸部件： 總線和接口

6.6邏輯電路層

6.6.1集成電路： MOS晶體管

6.6.2集成電路： CMOS電路

6.6.3集成電路： 制程工藝參數

6.6.4數據存儲： DRAM存儲原理

6.6.5數據存儲： 寄存器結構

6.6.6數據存儲： 閃存讀寫原理

習題6

第7章網絡通信和信息安全

7.1網絡原理

7.1.1網絡基本類型

7.1.2網絡通信協議

7.1.3網絡體系結構

7.1.4網絡通信技術

7.1.5軟件定義網絡

7.1.6無線網絡技術

7.2安全防護

7.2.1安全問題

7.2.2黑客攻擊

7.2.3安全體系

7.2.4物理隔離

7.2.5防火墻技術

7.3加密與解密

7.3.1加密原理

7.3.2RSA加密

7.3.3ECC加密

7.3.4哈希函數

7.3.5密碼破解

7.3.6安全計算

習題7

第8章計算領域的技術熱點

8.1人工智能技術

8.1.1圖靈測試

8.1.2研究流派

8.1.3機器學習

8.1.4神經網絡

8.1.5計算視覺

8.1.6細胞機器人

8.2大數據技術

8.2.1大數據的特點

8.2.2數據采集技術

8.2.3數據清洗技術

8.2.4數據挖掘技術

8.2.5海量數據計算

8.2.6大數據應用案例

8.3數據庫技術

8.3.1數據庫的組成

8.3.2數據庫的操作

8.3.3數據庫語言SQL

8.3.4新型數據庫NoSQL

8.3.5嵌入式數據庫SQLite

8.4量子計算技術

8.4.1量子計算發展與性能

8.4.2量子計算機硬件技術

8.4.3量子計算的程序設計

8.4.4量子計算存在的問題

8.5計算領域的新技術

8.5.1物聯網技術

8.5.2雲計算技術

8.5.3區塊鏈技術

8.5.4計算社會學

習題8

參考文獻

附錄A常用數學運算符號

附錄B常用英文縮寫與說明