计算机科学概论 Python版

本书是美国哈维玛德学院 “计算机科学通识”课程的配套教材，用独特的方法介绍计算机科学，带领读者进入这一充满智慧和活力的知识领域。 全书共7章。第1章介绍计算机科学的概念，引入了用于控制虚拟的“Picobot”机器人的一种简单的编程语言；第2章和第3章介绍Python编程语言，并且结合Python介绍了函数式编程的思想和概念；第4章深入计算机的内部工作原理，从数字逻辑到机器组织，再到用机器语言编程；第5章探讨计算中更复杂的思想，同时探讨诸如引用和可变性等概念，以及包括循环在内的构造、数组和字典；第6章探讨面向对象编程和设计中的一些关键思想；第7章针对问题解决，在计算复杂性和可计算性方面，提供了一些优雅的，但数学上非常合理的处理方法，最终证明了计算机上无法解决的许多计算问题。 本书适合想要通过Python编程来系统学习和了解计算机科学的读者阅读，也可以作为高等院校计算机相关专业的教学参考书。

克里斯汀·阿尔瓦拉多（Christine Alvarado）,美国加州大学圣地亚哥分校教授，她曾经在哈维玛德学院任教。 扎卡里·道兹 （Zachary Dodds）,美国哈维玛德学院计算机科学教授。 吉奥夫·昆宁（Geoff Kuenning）,美国哈维玛德学院教授。 兰·列别斯科（Ran Libesk）,美国哈维玛德学院教授。

目 录 第　1章 引言　1 1.1　什么是计算机科学　1 1.1.1　数据　2 1.1.2　算法　2 1.1.3　编程　4 1.1.4　抽象　5 1.1.5　解决问题和创造力　5 1.2　Picobot　5 1.2.1　Roomba问题　6 1.2.2　环境　6 1.2.3　状态　8 1.2.4　局部思考，全局行动　9 1.2.5　不管怎样　11 1.2.6　算法和规则　12 1.2.7　Picobot的挑战　13 1.2.8　一个迷宫，朋友们　13 1.2.9　不可计算的环境　15 关键术语　15 练习　15 判断题　15 讨论题　15 编程题　16 第　2章 函数式编程（第 一部分）　17 2.1　人类、黑猩猩和拼写检查程序　17 2.2　Python入门　18 2.2.1　命名事物　19 2.2.2　名称中有什么　20 2.3　更多数据：从数字到字符串　20 2.3.1　关于长度的简短说明　21 2.3.2　索引　21 2.3.3　切片　21 2.3.4　字符串算术　22 2.4　列表　23 一些好消息　23 2.5　在Python中使用函数　24 2.5.1　关于文档字符串的简短 　说明　25 2.5.2　关于注释的同样简短的 　说明　26 2.5.3　函数可以有多行　26 2.5.4　函数可以有多个参数　26 2.5.5　为什么要编写函数　27 2.6　做出决策　27 2.6.1　第二个函数示例　29 2.6.2　缩进　31 2.6.3　多重条件　32 2.7　递归　33 2.7.1　第 一个递归示例： 　阶乘　34 2.7.2　回到编辑距离函数　36 2.8　递归揭秘　37 2.8.1　调用函数的函数　37 2.8.2　递归，真正的揭秘　39 2.9　我们来使用递归吧　44 2.9.1　递归设计　44 2.9.2　基本情况　44 2.9.3　使用递归进行设计　44 2.9.4　递归模式　47 2.9.5　可视化工具　47 2.10　取之弃之　48 2.11　编辑距离　52 2.11.1　distance的基本情况　52 2.11.2　distance的递归情况　53 2.12　结论　54 关键术语　55 练习　56 判断题　56 填空题　57 讨论题　57 编程题　58 第3章　函数式编程（第二部分）　59 3.1　密码学和素数　59 3.2　一等函数　61 3.3　生成素数　61 3.4　过滤　65 3.5　lambda　67 3.6　将Google放在map上　69 3.6.1　map　70 3.6.2　reduce　73 3.6.3　组合与mapReduce　74 3.7　函数作为结果　75 3.7.1　用Python做微积分　76 3.7.2　高阶导数　77 3.8　再谈RSA密码学　78 3.9　结论　82 关键术语　82 练习　83 判断题　83 填空题　83 讨论题　84 编程题　84 第4章　计算机组织　86 4.1　计算机组织概论　86 4.2　表示信息　87 4.2.1　整数　87 4.2.2　算术　88 4.2.3　负数思维　89 4.2.4　分数：拼接在一起　90 4.2.5　字母和字符串　90 4.2.6　结构化信息　91 4.3　逻辑电路　92 4.3.1　布尔代数　92 4.3.2　产生其他布尔函数　93 4.3.3　使用电路的逻辑　95 4.3.4　逻辑计算　97 4.3.5　内存　99 4.4　构建完整的计算机　100 冯　诺依曼架构　102 4.5　Hmmm　104 4.5.1　一个简单的Hmmm 　程序　105 4.5.2　试用　106 4.5.3　循环　107 4.5.4　函数　109 4.5.5　使用栈来递归　111 4.5.6　保存“珍贵财产”　113 4.5.7　完整的Hmmm指令集　115 4.5.8　最后几句话　116 4.6　结论　117 关键术语　117 练习　118 判断题　118 选择题和简答题　119 讨论题　120 逻辑设计与编程题　120 第5章　命令式编程　122 5.1　计算机了解你（比你更了解你 　自己）　122 我们的目标：音乐推荐系统　124 5.2　从用户那里获取输入　125 类型转换　125 5.3　重复任务：循环　126 5.3.1　底层的递归与迭代　127 5.3.2　有限迭代：for循环　128 5.3.3　如何使用循环控制 　变量　129 5.3.4　累积答案　130 5.3.5　处理非预期的输入　134 5.3.6　不确定迭代：while 　循环　134 5.3.7　for循环与while循环　135 5.3.8　故意创建无限循环　137 5.3.9　迭代是高效的　137 5.4　引用以及可变和不可变数据　138 5.4.1　按引用赋值　138 5.4.2　可变数据类型能用其他 　名称更改　142 5.5　可变数据+迭代：挑选艺人　143 5.5.1　为什么要排序？因为运行 　时间很重要　143 5.5.2　一种简单的排序算法：selectionSort　146 5.5.3　为什么selectionSort 　有效　148 5.5.4　一种不同排序的swap　149 5.5.5　二维数组和嵌套循环　151 5.5.6　字典　153 5.6　读写文件　155 5.7　整合在一起：程序设计　156 5.8　结论　161 关键术语　161 练习　162 判断题　162 选择题和简答题　163 讨论题　164 编程题　165 第6章　面向对象的程序　167 6.1　简介　167 6.2　对象式思考　167 6.3　有理数解决方案　169 6.4　重载　173 6.5　打印一个对象　175 6.6　关于对象主题的更多讨论　176 6.7　用OOP实现图形　178 6.8　最后，机器人大战僵尸　181 6.9　结论　187 关键术语　188 练习　188 判断题　188 填空题　189 讨论题　189 编程题　190 第7章　问题有多难　192 7.1　永不结束的程序　192 7.2　3种问题：容易、困难和 　不可能　193 7.2.1　容易的问题　193 7.2.2　困难的问题　194 7.2.3　不可能的问题　198 7.3　停机问题：不可计算的问题　205 7.4　结论　208 关键术语　208 练习　209 判断题　209 填空题　209 简答题和讨论题　210