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第1部分 计算工具3

第1章 计算工具和技术特征3

1.1 计算机的发展3

1.1.1 早期的计算工具3

1.1.2 中世纪的计算机5

1.1.3 现代计算机发展8

1.1.4 微型计算机发展11

1.2 计算机的类型14

1.2.1 类型与特点14

1.2.2 大型计算机15

1.2.3 微型计算机17

1.2.4 嵌入式计算机19

1.3 计算机的特征21

1.3.1 计算机技术特征21

1.3.2 软件特征与类型23

1.3.3 计算机人机界面26

1.3.4 计算机技术指标29

1.4 计算机新技术32

1.4.1 物联网技术发展32

1.4.2 云计算技术发展33

1.4.3 大数据技术发展35

1.4.4 计算社会学发展37

1.4.5 志愿者计算项目39

习题141

第2章 程序语言和软件开发42

2.1 程序语言特征42

2.1.1 程序语言的演化42

2.1.2 程序语言的类型47

2.1.3 入门级编程语言48

2.1.4 编程环境与平台50

2.1.5 程序解释与编译52

2.2 程序基本结构56

2.2.1 C程序结构56

2.2.2 数据类型57

2.2.3 关键字59

2.2.4 表达式61

2.2.5 控制结构63

2.3 程序语言介绍67

2.3.1 面向对象编程语言Java67

2.3.2 动态程序设计语言Python72

2.3.3 数据统计编程语言R75

2.3.4 逻辑推理编程语言Prolog77

2.3.5 并行编程接口规范MPI80

2.4 软件开发方法83

2.4.1 编程语言评估83

2.4.2 软件工程特征85

2.4.3 程序设计原则87

2.4.4 软件测试方法88

2.4.5 软件开发模型91

习题293

第2部分 计算思维97

第3章 计算思维和人工智能97

3.1 计算思维97

3.1.1 计算思维的特征97

3.1.2 数学思维的概念98

3.1.3 工程思维的概念101

3.1.4 计算机解题方法103

3.1.5 数学模型的构建105

3.2 建模案例106

3.2.1 囚徒困境：博弈策略建模106

3.2.2 机器翻译：统计语言建模109

3.2.3 平均收入：安全计算建模112

3.2.4 网页搜索：布尔检索建模114

3.2.5 生命游戏：细胞自动机建模116

3.3 解题方法121

3.3.1 枚举法121

3.3.2 分治法122

3.3.3 贪心法124

3.3.4 动态规划125

3.3.5 筛法求素数128

3.3.6 随机化算法130

3.4 图灵机与人工智能132

3.4.1 图灵机的结构与原理132

3.4.2 不完备性与可计算性136

3.4.3 停机问题与NP问题137

3.4.4 图灵测试与人工智能141

3.4.5 人工智能研究与应用143

习题3148

第4章 算法基础和数据结构149

4.1 算法的特征149

4.1.1 算法的定义149

4.1.2 算法的表示150

4.1.3 算法的评估152

4.1.4 算法复杂度153

4.2 递归与迭代156

4.2.1 递归算法思想156

4.2.2 迭代算法思想158

4.2.3 递归与迭代的区别159

4.2.4 递归与迭代的应用160

4.3 排序与查找162

4.3.1 冒泡排序162

4.3.2 插入排序163

4.3.3 快速排序164

4.3.4 二分查找166

4.3.5 索引查找167

4.4 数据结构169

4.4.1 基本概念169

4.4.2 线性结构172

4.4.3 树形结构174

4.4.4 图形结构179

4.4.5 文件结构182

习题4186

第3部分 计算技术189

第5章 信息编码和逻辑运算189

5.1 数值信息编码189

5.1.1 二进制编码特征189

5.1.2 不同数制的转换192

5.1.3 二进制整数编码195

5.1.4 二进制小数编码196

5.1.5 二进制补码运算199

5.2 非数值信息编码202

5.2.1 英文字符编码202

5.2.2 中文字符编码204

5.2.3 国际字符编码207

5.2.4 声音的数字化209

5.2.5 图像的数字化211

5.3 压缩与纠错编码214

5.3.1 信息量的度量214

5.3.2 无损压缩编码217

5.3.3 有损压缩技术221

5.3.4 信号纠错编码223

5.4 逻辑运算与应用227

5.4.1 基本逻辑运算227

5.4.2 命题逻辑演算230

5.4.3 谓词逻辑演算233

5.4.4 逻辑运算应用235

习题5238

第6章 硬件结构和操作系统239

6.1 计算机系统结构239

6.1.1 冯·诺依曼结构239

6.1.2 计算机集群结构241

6.1.3 集群分布式计算Hadoop245

6.1.4 网格分布式计算BOINC248

6.1.5 新型计算机研究249

6.2 计算机工作原理251

6.2.1 层次模型251

6.2.2 数据存储252

6.2.3 数据传输255

6.2.4 数据运算257

6.2.5 指令系统260

6.3 计算机硬件系统262

6.3.1 主机结构262

6.3.2 CPU部件264

6.3.3 主板部件267

6.3.4 存储设备269

6.3.5 集成电路272

6.4 计算机操作系统273

6.4.1 操作系统类型274

6.4.2 微机操作系统Windows275

6.4.3 网络操作系统Linux277

6.4.4 手机操作系统Android280

6.4.5 操作系统功能283

6.4.6 程序执行过程286

6.4.7 系统引导过程288

习题6289

第7章 网络通信和信息安全290

7.1 网络原理290

7.1.1 网络基本类型290

7.1.2 网络通信协议292

7.1.3 网络体系结构294

7.1.4 网络通信技术297

7.1.5 无线网络技术300

7.2 网络服务304

7.2.1 服务模型304

7.2.2 网络地址306

7.2.3 域名系统307

7.2.4 因特网服务307

7.2.5 HTML语言310

7.3 安全防护312

7.3.1 安全问题312

7.3.2 黑客攻击314

7.3.3 安全体系316

7.3.4 隔离技术317

7.3.5 防火墙技术318

7.4 信息加密320

7.4.1 加密原理320

7.4.2 RSA加密322

7.4.3 密码破解326

7.4.4 数字认证329

7.4.5 安全计算334

习题7336

第8章 应用技术和学科特征337

8.1 数据库技术应用337

8.1.1 数据库的组成337

8.1.2 数据库的操作339

8.1.3 SQL语言特征341

8.1.4 NoSQL数据库342

8.1.5 嵌入式数据库SQLite344

8.2 图形处理技术348

8.2.1 三维图形技术348

8.2.2 动画工作原理353

8.2.3 数字图像处理356

8.2.4 信息的可视化359

8.3 常用应用软件362

8.3.1 常用办公软件Office362

8.3.2 图像处理软件Photoshop366

8.3.3 网站设计软件Dreamweaver369

8.3.4 系统仿真软件MATLAB372

8.4 学科特征和职业规范375

8.4.1 学科基本特征375

8.4.2 学科经典问题377

8.4.3 知识产权保护380

8.4.4 职业道德规范382

8.4.5 职业卫生健康383

习题8385

参考文献386

附录A 常用数学符号和英文缩写读音388