CSCI3130 L01 Part 1/2 Mathematical Preliminaries and Notation
课程:CSCI3130 Formal Languages and Automata Theory · 2026T1 本讲:L01 Part 1/2 Mathematical Preliminaries and Notation · 原件 L01-数学基础-2026T1.pdf(本地课件) p.1–54 定位:把集合、关系、图与证明变成后续自动机推理可直接使用的工具;读完能逐步检查定义、运行图上的遍历,并写完整归纳证明。 前后:上一份 L00-P4-计算理论导论.md · 下一份 L01-P2-语言与文法.md
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- Part 1 数学预备:p.1–54。
- Part 2 语言与文法:p.55–90。
- Outline 中 Some Applications 标为 omit,原件未展开,不另造 Part 3。
p.1 标题页;p.2 为 Outline;p.3 列本部分五组预备知识。
Mathematical Preliminaries and Notation
元素、集合与全集(p.4–6)【新】
p.4 A set is a collection of elements
p.4 用 说明集合, 表示1是元素, 表示4不是。一个集合关注成员,不关注写下来的顺序;成员与子集是两个层次,1是一个数, 是只含一个数的集合。
p.5 展示列举法与条件描述法。 是有限集合; 用省略号表示正偶数无限延续。原页辨析:已看渲染图,本页同时写“j > 0”与“j is nonnegative and even”,两者对0的处理不同;前者不含0,后者含0。引用条件时要按具体一行判断,不能认为这些表达在0处完全相同。
p.6 用 指定全集(universal set),而 在它内部。全集决定“其他所有元素”的范围;下一页补集必须依赖这个范围。
p.4 还有非数字集合 ,以及 。元素不必是数字,集合也可以收集交通工具名称。p.5 完整的有限列举是 ;省略号只是这一模式的简写,不能在没说明规律时任意猜中间成员。
p.6 的图在全集矩形内将 1、2、3、4、5 圈入 A,把 6、7、8、9、10 留在圈外。检验一个元素时有两层问题:“是否在这次讨论的全集内”“是否进一步属于 A”。后面的补集只从第一层范围里选剩下的元素。
并、交、差与补(p.7–9)【新】
p.7 的 、 给四个可核的结果:并集 ;交集 ;差集 ;反向差集 。每一个元素分别检查“至少属于一边”“同时属于两边”“在左边而不在右边”,就能自行重算。
p.8 改用 。;再取一次补集回到 ,因为原先排除的成员被选回来。p.9 将全集设为整数,所以偶数的补集是奇数,包含负奇数。若全集换成实数,补集会包含非整数,原结论便不能照搬。
算一遍:检查数字4:它不在A但在B,所以在并集中、在 中,却不在交集和 中。这种逐元素检查也正是集合等式证明的起点。
DeMorgan 与空集(p.10–11)【新】
p.10 的两条公式按渲染图重排为:
第一条说“不属于至少一个成立的并集”等价于“两边都不属于”;第二条说“并非同时属于两边”等价于“至少有一边不属于”。对任意元素逐项翻译,才是证明;只画一个特定维恩图作为例子不足以说明所有集合。
补充 · 算一遍(数字是我为演示取的,讲义没给):设 、、。,而 ;,而 。
p.11 定义空集 :没有成员。因此 ,,,;。后续特别要防止把空集与只含空字符串的集合混淆。
考试角度:(A 级:HW01-2026T1-题目.pdf Q1,考本节第二条 DeMorgan 等式的证明;HW01-2025T1-题目.pdf Q1,考第一条)旧题演练见附录 A1;本次补齐的两版题目与模4等价类演练见附录 A2,均为学习说明。
由 p.10 展开的逐元素证明:固定全集中的任意元素 x。若 x 不在并集,说明它不在 A 且不在 B,因此在两个补集的交中;反过来,若它在两个补集的交中,就既不在 A 也不在 B,于是不在并集中。两个方向给出第一条等式。第二条中,若 x 不在交集,只能是“不在 A 或不在 B”,于是属于两个补集的并;反过来也成立。这里的“或”允许两边同时成立。证明对任意 x 生效,所以不是只验证图上列出的几个数。
子集、不相交和基数(p.12–14)【新】
p.12 Subset: If every element of A is also an element of B
p.12 的 、 满足 ;B还有4和5,故也是真子集。子集允许相等,真子集不允许。空集是任意集合的子集,因为找不到违反“空集每个元素都在该集合中”的元素。
p.13 取 、,没有共同成员,所以交集为空,称不相交(disjoint)。不相交不等于“不是同一个集合”:两个不同集合完全可以重叠。
p.14 的 有三个不同成员,基数 。这里的竖线表示集合大小;遇到字符串时同样的记号会表示串长,须先看对象类型。
幂集、笛卡尔积与划分(p.15–17)【新】
p.15 A powerset is a set of sets
p.15 取 ,幂集含 八个元素。为什么是 :每个原元素各有“选入/不选入”两种选择,三个独立选择相乘。幂集的一个元素是子集,不能把a和 混为一项。
p.16 的 、 生成有序对集合。逐行列出 ,再列 ,共 项。 合法而 不合法,因为第二坐标4不在B中。幂集计数和笛卡尔积计数原理不同,别见到两个集合就用 。
p.17 定义**划分(partition)**的三个条件:各块非空、任意两块不相交、合起来覆盖原集合。补充 · 算一遍(数字是我为演示取的,讲义没给): 与 划分 ;若将第二块改成 ,2重叠,违反不相交;若改成空集,既有空块又漏掉3。
函数及定义域(p.18)【新】
p.18 Rules that assign to elements of one set a unique element of another set
图(p.18):从A到B的对应。 元素:箭头为1→a、2→b、3→c;左侧矩形还画出4和5,但它们没有箭头,内圈包含1、2、3。 看什么:对实际定义的输入,输出唯一;若声明输入范围也包括4、5,这个对应是偏函数。若实际定义域等于声明的A,则为全函数。
补充:很多现代教材把B称为陪域(codomain),把实际取得的输出集合称为值域(range);讲义图上的 range 标签更宽泛。后面 DFA 转移要求每个状态与输入符号组合都有定义,而某些图灵机采用偏转移函数,正好会用到这个差别。
渐近上界和下界(p.19–20)【新】
这两页的定义与练习为图片,已视觉核读。 表示存在固定 ,使所有 都有 。 则反向:。c是允许的常数倍, 允许忽略一段有限的小输入;它们都不能随着n任意变化。
题面(L01-数学基础-2026T1.pdf · 图片内练习 · p.19–20,视觉读取;公式按原题重排)
p.19 ? ? ?
p.20 ? ? ?
对 ,。所以两个平方界都成立。它也不超过 ,故是 ;且至少为n,故是 。但除以n得到 无界,故不是 ;除以 得 趋于0,故不是 。用n=10检查:原式310、、;这个数值帮助直觉,真正证明仍是对全部足够大的n成立的不等式。
把渐近界的量词按先后读出(补充): 的意思是先一次性选好 c 与起点,再让任意更大的 n 来挑战。不能看到 n=100 就用 c=301,看到 n=1000 又换成 c=3001,然后说 。若已固定 c,选择同时大于 和 c 的整数 n,就有 ,所以 ;该 n 正好打破声称的上界。否定一个“存在固定常数”的主张时,必须能击败对方任意给出的固定常数,而不是只举某个小 c 失败。
图(p.19–20):函数增长与常数倍界。 元素:横轴 n,纵向为函数值,虚线竖标记起点 ;p.19 在该点之后让 位于 上方,p.20 则让 位于 下方。 看什么:起点以前曲线交叉不影响渐近结论;起点以后要求每个输入都守住相应界,而不只是“大部分点”。
p.19 还提及比值 ,p.20 对下界使用反向比值 ,均带 “if the limit exists”。补充:如何安全使用这个判断:在分母最终为正的条件下,前者收敛到有限非负数可给出 O 上界,后者收敛到有限非负数可给出 Ω 下界。有限极限为 0 也可以;例如平方与立方相比趋于0,平方仍是立方的 O。极限不存在不自动否定渐近界,此时回到常数不等式定义判断。
紧确界(p.21)
题面(L01-数学基础-2026T1.pdf · Example 1.3 · p.21)
p.21 , , .
公式按讲义重排。 要求同时有上下界,而O只需上界。对 ,,得到 ;,得到 ,即 。又有 ,以及 ,故 。这些常数不是最优,但定义只要求存在。
算一遍:n=10 时 。虽然这个点上g小于h,仍不妨碍 ;渐近下界允许常数倍,不要求从第一个输入开始就 。
p.21 上半页还包含三道紧确界判断,不能只做下方 Example 1.3:
题面(L01-数学基础-2026T1.pdf · 图片内练习 · p.21,视觉读取;公式按原题重排)
p.21 ? ? ?
第一题成立,取 即有 。第二题不成立,因为上界 O(n) 不成立;第三题不成立,因为下界 Ω(n³) 不成立。要证 Θ 必须两边都满足,否定它只需打破其中一边。
图(p.21):紧确界用两条常数倍曲线夹住目标曲线。 元素:横轴 n;虚线标 ;上方红色 ,中间黑色 ,下方蓝色 。 看什么:Θ 并非函数逐点相等,而是最终增长量级同时受上下两条常数倍界约束。页面提及的比值极限若存在,须为严格正的有限常数才能用这种极限法得到 Θ;为0只足以支持一侧。
关系与等价(p.22–24)【新】
p.22 Relations are more general than functions
p.22 把关系写成有序对集合, 表示 在R内。同一个x可对应多个y;例如“>”允许3与2、1都有关系,这就不满足函数输出唯一的限制。
p.23 的**等价关系(equivalence relation)**需要自反、对称、传递三个条件:每个x与自己相关;x与y相关则y与x相关;x与y、y与z相关则x与z相关。它们分别控制自己、反向与串接,不能互相替代。
p.24 用非负整数模3同余。,所以2与5相关;12、0、36余数同为0。自反性来自同一个余数等于自己,对称性来自等号可反向,传递性来自两个余数等式可串接。等价类为余0、余1、余2的三组,恰好满足p.17划分条件。
考试角度:(A 级:HW01-2026T1-题目.pdf Q2,考本节模数关系所诱导的等价类划分)处理有限集合时只能收录题面给的元素,不能把整套无限同余类当作答案。
图、有向边与标签(p.25–27)【新】
p.27 Walk is a sequence of adjacent edges
图(p.25–27):五顶点有向图及标号、行走版本。 元素:顶点a、b、c、d、e;有向边a→b、b→c、b→e、c→a、c→e、d→c、e→b、e→d;p.26 给边附数字标签,p.27 选出e→d→c→a。 看什么:箭头决定能往哪走,标签提供额外信息;相反方向的b→e和e→b是两条边。
p.25 先定义顶点集合V与边集合E;p.26 的数字可以表达长度、成本或动作,本页没有定义它们的唯一物理意义。p.27 的walk要求相邻边首尾相接: 后接 ,再接 ,得到长度为3条边的行走;不能接一条起点不是当前终点的边。
表(p.26,视觉核对):原图每条有向边及标签。
| 起点 | 终点 | 图上数字 |
|---|---|---|
| a | b | 1 |
| b | c | 未标 |
| b | e | 2 |
| c | a | 5 |
| c | e | 3 |
| d | c | 6 |
| e | b | 6 |
| e | d | 2 |
b→c 确实有箭头,但这张图没有给它数字;不能为了表格齐全补0或1。p.27 的 e→d→c→a 沿箭头可走;反方向 a→c 不是本图允许的边。
路径、环与自环(p.28–30)【新】
p.28 Path: a walk where no edge is repeated
p.28 Simple path: no node is repeated
p.28 本课把不重复边的walk叫path,不重复顶点叫simple path。补充:其他教材有时将前者叫trail;答题时先按本讲术语读约束。p.29 的cycle起终点相同,simple cycle只让起点在结尾重复。
p.30 图的边为 、、、。最后一条是loop,一条边就回到自身。序列 是简单路径; 是非简单cycle,因为 重复出现。不要把“回到起点”与“每个中间顶点只走一次”混成一个条件。
一次走完边与一次走完点(p.31–32)【新】
p.31 A cycle that contains each edge once
p.32 A simple cycle that contains all nodes
p.31 的 Euler tour 检查边:图示顺序 e→d→c→a→b→c→e→b→e,共8条,恰好各用一次。b、c、e被多次访问不违背Euler要求。p.32 的 Hamiltonian cycle 检查顶点:e→d→c→a→b→e,共5条边,五个顶点各访问一次后回e;它故意不用图中所有边。这是旅行商要求与“清扫每条街一次”的本质差别。
从c枚举简单路径(p.33–35)【新】
p.33 把c标为origin。p.34 第一层只可能c→a或c→e,因为图中c只有这两条出边。p.35 扩展:c→a→b;c→e→b与c→e→d。每次保留已有前缀,同时把仍未出现过的邻点加到末尾。
算一遍:从c→e→d考虑下一步,d只有到c的边,但c已经在这条路径里,所以不能继续。这个判断依赖“本条路径访问过谁”,不能用一个全局visited集合把别的分支也误删。
完成枚举(p.36–37)
p.36 中c→a→b可加e,但不能加c;得到c→a→b→e。c→e→b之后,b的后继c与e都已访问,因此终止。p.37 最长分支再加d,得到c→a→b→e→d,然后d→c会重复起点,故也停止。
最终非空简单路径共有7条:c→a,c→a→b,c→a→b→e,c→a→b→e→d,c→e,c→e→b,c→e→d。若题目将长度0的路径也算入,则另加单点c;原页列表只展示非空路径。算法每次延长一条边,检查的是顶点重复,不能错误地允许一个顶点通过不同边再次出现。
树的层级(p.38–39)【新】
p.38 Trees have no cycles
图(p.38–39):有根树。 元素:根有三个孩子;最右孩子再有两个孩子,其中右孩子继续向下有一个孩子;根标Level 0,最深叶在Level 3。 看什么:parent、child由相邻层的边确定,leaf没有孩子,root没有父节点;高度按最长根到叶路径的边数计,为3。
p.38 解释亲子与叶节点,p.39 加深度。根在Level0,因此四层节点对应三条边,不能把高度误数成4。树中每个非根节点有唯一父节点,所以从根到它的路径唯一;后面语法树的推导结构会使用这个性质。
直接证明与构造(p.40–42)【新】
p.41 Assume X is true, show directly that Y is true.
p.40 列三种证明方法。p.41 的直接证明从前提X出发,按已知事实推出Y。p.42 的图片具体展开两个奇数的乘积:设 ,则 。括号内是整数,因此乘积仍奇。
算一遍(数字是我为演示取的,讲义没给):x=1、y=2 时a=3、b=5,构造出的 ,所以 。证明不仅说某个z存在,还给出怎样从x、y求出z。这就是constructive的含义。
数学归纳的逻辑(p.43–44)【新】
p.44 Inductive basis
p.43 给强归纳:先证明足够多的基础情形,再对任意k证明“若前面的结论都成立,下一项也成立”。p.44 把它分为basis、hypothesis、step。归纳假设是为了证明一个条件命题而暂时采用的前提,不是偷拿最终结论当事实;漏洞通常发生在没证基础情形,或使用比当前规模更大的情形。
补充:普通归纳只假设第k项,强归纳允许使用截至k的全部已知项。需要哪种,取决于规模为k+1的问题会分解成哪几个更小规模,而不是哪种名称显得高级。
二叉树叶数界:设定归纳(p.45–46)【新】
题面(L01-数学基础-2026T1.pdf · Example 1.5 · p.45)
p.45 Theorem: A binary tree of height has at most leaves.
公式按讲义重排。二叉树每个节点至多两个孩子;高度0时只有根,它也是唯一叶,所以 。p.46 假设不超过k层高度的树都满足相应上界,目标是高度k+1的情况。注意这是“最多”,有单孩子或提前结束的分支时可以远少于上界。
二叉树叶数界:完成归纳(p.47–48)
p.47–48 的原图沿底部虚线把第 k+1 层截去,用“每个原叶至多增加两个孩子”解释上界。沿该图补足论证:先把任意高度 k+1 的二叉树截成高度不超过 k 的树,归纳假设保证截断后至多有 个叶。恢复底层时,每个被截断树的叶要么保持一个叶,要么长出一或两个孩子;因此对应的最终叶数最多为原来的两倍:
已经在更浅层结束的叶保留下来,不会遗漏;“至多两倍”包含它只贡献一个叶的情况。这与原图在底部扩展的思路一致,不需要把图误读成从根向下拆两棵子树。
算一遍:由基础项1起,高度1至多 叶,高度2至多 叶,高度3至多 叶。p.39 的一般树根有三个孩子,所以不能不检查“二叉”条件便套这个界。
递归不是归纳证明(p.49–51)【新】
p.49 Recursion is another thing
p.49 给递归定义 ,基础值 。递归用于定义或计算,归纳用于证明性质;两者可以配合,但不是同一种行为。算一遍:,,。
题面(L01-数学基础-2026T1.pdf · Example 1.6 · p.50)
p.50 A set of mutually intersecting straight lines divides the plane into a number of separated regions
公式按讲义重排。p.50 给1、2、3条线对应2、4、7区;p.51 用 ,得到 。补充,适用条件:这描述最大区域数,需没有平行线且没有三线共点;第n+1条线与旧n条线形成n个不同交点,切成n+1段,每段分裂一个区域。如果三线共点,三线只产生6区,不能套7。该条件可从p.51图上不同交点的用法看出,不能只凭“mutually intersecting”省略它。
算一遍:,加第二条新增2区得4;第三条新增3得7;第四条新增4得11。归纳代入为 ,恰好是把原闭式n换成n+1。
反证法与根号2(p.52–54)【新】
p.52 we assume that P is false
p.52 先假设目标命题不成立,再推出矛盾。p.53 的定理为 非有理数;图中的根号在文本提取中丢失,公式按原页含义重排。假设 ,先约成最简,n、m无公因子且m非零。这一步不可省,否则最后“两者都偶”不构成矛盾。
p.54 平方得 ,故 偶,从而n偶,写 。代回得 ,即 ,因此m也偶。n、m同时含因子2,与最简假设冲突,故原假设不成立。
补充:为什么平方偶推出原数偶?若n奇,可写 ,则 为奇。其逆否命题就是需要的结论。这是连接p.42直接构造与本页反证的关键一步。
考试角度:(A 级:HW01-2025T1-题目.pdf Q1;HW01-2026T1-题目.pdf Q1–Q2,考的是德摩根律与模4等价类。)见附录 A2。
给证明找一个不会循环的起点(补充自检)
归纳中最容易藏循环的句子是“删去一部分后仍符合条件,所以用归纳假设”。这里要同时验证两个事实:剩余对象仍在定理讨论的类别内,且规模严格变小。二叉树子树仍是二叉树,高度小于原树;这是能用叶数界的原因。若对一张有环图删掉一个节点却仍保留同样长的环,便不能借用一个要求“无环”的树定理。对象类别与规模缺一不可。
自检:集合 {空集} 有几个元素?它的幂集有几个元素?
先把唯一的成员看成一个整体,不要数这个成员内部的内容。
展开推理与答案
有一个元素,虽然那个元素自身没有成员。它的幂集为 ,共 个元素:不选那个成员,或选它。外层集合的基数不能由内层集合的基数替代。
本讲核心考点
- 集合运算的逐元素解释与 DeMorgan 证明(p.7–11;A 级 HW01 Q1)。
- 模数等价关系诱导划分(p.17、23–24;A 级 HW01 Q2)。
- O、Ω、Θ 的量词与常数(p.19–21;C 级)。
- 路径、Euler 与 Hamiltonian 检查的对象不同(p.28–32;C 级)。
- 二叉树归纳、直线递推与反证法(p.43–54;C 级)。
附录
A1 作业/往年题演练(非讲义内容):第一条 DeMorgan 定律
题面(HW01-2025T1-题目.pdf · Q1 · p.1)
p.1 Q1. Prove the first DeMorgan’s Law . (20%)
公式按原题重排。固定同一个全集U,任取 。逐步从左边成员关系出发:
第一步用补集定义,第二步用并集“至少一边”的否定,第三步把不属于改写为属于补集,第四步用交集定义。每步双向成立,因此已经同时证明左右互含,而非只证一个方向。任意x都如此,两集合相等。
A2 作业/往年题演练(非讲义内容):德摩根律与模4等价类
题面块(HW01-2025T1-题目.pdf(本地课件) · Q1 · p.1;补号按原图重排):
p.1 Prove the first DeMorgan’s Law . (20%)
任取全集U中的x,x不在并集当且仅当它既不在A也不在B,当且仅当它同时在两个补集。逐项等价即同时给出两个包含方向。自取U={1,2,3},A={1}、B={2},左、右均{3},用于核对“并的否定变且”。
题面块(HW01-2026T1-题目.pdf(本地课件) · Q1–Q2 · p.1;公式按原图重排):
p.1 (25pts) Let A and B be subsets of a universal set U. Prove the second DeMorgan’s Law .
p.1 (25pts) Let S = {0, 1, 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13}. Define a relation R on S by . Partition S into equivalence classes under R.
Q1:x不在交集中,等价于“x在A且x在B”不成立,等价于x不在A或x不在B,等价于x在右侧。逆向同一逻辑可逆,因此两集合相等。全集相同是补集定义的必要前提。
Q2:按余数0、1、2、3分别得到{0,4,8}、{1,13}、{6,10}、{3,7,11}。每个S成员出现一次,四块非空且互不相交。关系自反来自余数等于自身,对称来自等号对称,传递来自等号传递;所以这些块确实是等价类,不只是任意分组。13与1同类,因为二者余数1;10余数2,不与0同类。
2026题目页头起始年份仍写2025、截止写2026,存在日期混排;本文按文件版本与已保存课程来源识别,不据混排日期重新命名题目。
来源与证据
历史版本考试证据(本次未重新读取全部试卷):读了 HW01-2025T1-题目.pdf、HW01-2026T1-题目.pdf、HW02-2025T1-题目-更新.pdf、HW03-2025T1-题目.pdf、HW04-2025T1-题目.pdf、HW05-2025T1-题目.pdf、期中练习-含解答-学期待核.pdf、期末-2022T1-资料包.pdf、Final-Exam-2023T1-题目.pdf、Final-Exam-2024T1-题目.pdf、Final-Exam-2025T1-题目.pdf、期末-2023T1-资料包.pdf、期末-2024未核-资料包.pdf;未识别用途的 PDF:无
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原件:L01-数学基础-2026T1.pdf(本地课件),PDF p.1–54。
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本次复核:2026-10-13;逐页读取原件文字,视觉核对图片公式、图及文法排版,保留已发布稿的深化段落。