普通高等教育“十二五”规划教材 大学计算机 计算思维导论PDF电子书下载

第1章 引论 1

1.1什么是计算 2

1.2计算机科学与计算科学 2

1.3来自计算机发展史的启示 3

1.3.1来自计算工具发展的启示 3

1.3.2来自元器件发展的启示 5

1.3.3来自计算机硬件发展的启示 7

1.3.4来自计算机软件发展的启示 9

1.3.5一些重要思想/重要事件及其带来的影响 11

1.4计算机应用 13

1.5计算机发展趋势 15

1.5.1高性能计算：无所不能的计算 15

1.5.2普适计算：无所不在的计算 16

1.5.3服务计算与云计算：万事皆服务的计算 17

1.5.4智能计算 18

1.5.5生物计算 19

1.5.6未来互联网与智慧地球 20

思考题 22

参考文献 23

第2章 计算系统的基本思维 25

2.1理解0和1的思维 26

2.1.1语义符号化的典型案例：0/1与《易经》 26

2.1.2思维方式与逻辑运算：0/1与逻辑 27

2.1.3二进制与算术运算：0/1与数值信息 28

2.1.4编码与符号运算：0/1与非数值信息 31

2.1.5 0和1与电子元器件 34

2.1.6 0和1思维小结 38

2.2图灵机与冯·诺依曼计算机 39

2.2.1图灵机：关于通用机器及指令、程序及其自动执行 39

2.2.2冯·诺依曼计算机 41

2.2.3存储器：可按地址自动存取内容的部件 42

2.2.4机器指令与机器级程序与算法 45

2.2.5机器级程序的存储与执行 47

2.2.6关于冯·诺依曼计算机的贯通性思维小结 50

2.3现代计算机 51

2.3.1现代计算机的构成 51

2.3.2存储体系：不同性能资源的组合优化思维 52

2.3.3为什么要有操作系统——硬件功能扩展的基本思维 55

2.3.4化整为零的基本思维——磁盘与文件管理 57

2.3.5任务-作业与内存管理：分工合作与协同求解复杂系统问题的基本思维 59

2.3.6分时-并行控制思维：任务-作业管理与处理机管理 62

2.3.7现代计算机的工作过程 64

2.3.8现代计算机的发展 65

2.3.9关于现代计算机的贯通性思维小结 67

2.4不同抽象层级的计算机（软件） 67

2.4.1人-机交互层面的计算机——计算机语言与编译器 68

2.4.2机-机交互层级的计算机：协议与编码器/解码器/转换器/处理器 75

2.4.3分层抽象进行复杂问题化简的示例：操作系统对设备的分层控制 78

2.4.4关于不同抽象层级计算机的思维小结 85

思考题 85

参考文献 87

第3章 问题求解框架 89

3.1传统程序的基本构成要素 90

3.1.1常量、变量、表达式 90

3.1.2语句与程序控制 92

3.1.3函数与函数调用 97

3.1.4常量/变量、数据存储与数据结构 98

3.1.5程序构造及其表达方法 102

3.2算法类问题求解框架 105

3.2.1算法的基本概念 105

3.2.2数学建模：建立问题的数学模型 108

3.2.3算法思想：算法策略选择 109

3.2.4算法设计：算法思想的精确表达 110

3.2.5算法的模拟与分析 113

3.2.6算法的复杂性 114

3.2.7算法类问题求解框架 115

3.3现代程序的基本构成要素 116

3.3.1对象与类的概念——通俗示例 116

3.3.2类与对象的概念——面向对象的程序 119

3.3.3面向对象程序构造的一个例子——可视化编程的思维模式 121

3.3.4现代程序构造及其表达方法 123

3.4系统类问题求解框架 126

3.4.1什么是系统 126

3.4.2建立问题域/业务模型 130

3.4.3建立软件域模型 135

3.4.4软件模块的构造与实现 141

3.4.5软件系统的构造与实现 145

3.4.6软件系统的测试、部署与运行 147

3.4.7软件体系结构与软件模式问题 150

3.4.8系统的可靠性和安全性问题 156

3.4.9小结 158

思考题 159

参考文献 161

第4章 算法与复杂性 163

4.1排序问题及其算法 164

4.1.1排序问题 164

4.1.2基本排序算法 167

4.1.3 PageRank排序：排序问题的不同思考方法 174

4.2递归及递归算法 180

4.2.1递归：用有限的语句定义对象的无限集合 180

4.2.2递归算法：自身调用自身，高阶调用低阶 187

4.3遗传算法：计算复杂性与仿生学算法示例 194

4.3.1可求解与难求解问题 194

4.3.2遗传算法：仿生学算法的简单示例 196

4.3.3遗传算法暨问题求解算法的进一步探讨 202

思考题 210

参考文献 211

第5章 数据抽象、设计与挖掘 213

5.1数据与大数据 214

5.2数据管理和数据库：数据聚集的核心 216

5.2.1数据聚集成“库”——数据库及数据库管理 216

5.2.2数据库的基本结构形式——数据表 217

5.2.3数据表的操作——关系操作 220

5.2.4用数学定义数据表及其操作——关系模型 223

5.2.5数据库语言——用计算机语言表达数据表及其操作 226

5.2.6 DBMS——数据库语言的执行或者数据表操作的自动实现 231

5.3数据分析的核心——联机数据分析和数据挖掘 232

5.3.1例子——超市数据库 232

5.3.2超市数据分析方法——二维交叉表 234

5.3.3数据仓库联机数据分析（OLAP）：由二维数据分析到多维数据分析 235

5.3.4数据也是生产力——数据挖掘 240

5.4抽象、理论和设计 248

5.4.1抽象：理解→区分→命名→表达 249

5.4.2理论：定义→性质（公理和定理）→证明 254

5.4.3设计：形式→构造→自动化 257

5.4.4抽象—理论—设计之间的关系 259

思考题 260

参考文献 261

第6章 计算机网络、信息网络与网络化社会 263

6.1网络与社会 264

6.2计算机网络 264

6.2.1网络通信的基本原理 264

6.2.2计算机网络连接：不同类别的机器网络 269

6.3因特网与Web——信息网络 279

6.3.1由计算机网络走向文档/信息网络Web 279

6.3.2超文本/超媒体的表达与解析 280

6.3.3超文本/超媒体的组织与管理 284

6.3.4无限资源库的发掘和利用：搜索引擎 286

6.3.5互动网络与群体网络：互联网的创新更重要的是思维的创新 287

6.4网络化社会与网络计算：用科学方法研究网络问题 290

6.4.1形形色色的网络 290

6.4.2网络问题抽象与基本网络计算问题 291

6.4.3网络计算示例：社会网络的一个问题研究 297

思考题 302

参考文献 304