Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Б2.В.ОД.7 Дискретная математика

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
1.06 Mб
Скачать

Рабочая программа дисциплины составлена в 2011 году в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника» (квалификация (степень) «бакалавр») от 09.11.2009 г. № 553.

Пересмотрена в 2012 году на заседании методической комиссии факультета информационных технологий от 25.05.2012 № 48.

Пересмотрена в 2013 году на заседании методической комиссии факультета информационных технологий от 24.06.2013 № 53.

Изменена, дополнена и утверждена в 2014 году в соответствии с требованиями Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам высшего образования – программам бакалавриата, программам специалитета, программам магистратуры (приказ Минобрнауки России от 19.12.2013 г. № 1367).

Разработчик: Пережогин Алексей Львович, к.ф.-м.н., кафедра дискретного анализа и исследования операций

Рабочая программа дисциплины одобрена на заседании Методической комиссии факультета информационных технологий от 03.02.2014 года, протокол № 55.

2

Аннотация рабочей программы дисциплины

Дисциплина Дискретная математика входит в вариативную часть математического и естественнонаучного цикла образовательной программы бакалавриата по направлению подготовки 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Дисциплина реализуется на факультете информационных технологий НГУ кафедрой дискретного анализа и исследования операций.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с такими разделами дискретной математикой, как комбинаторика, теория графов, теория дискретных функций и теория автоматов.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных ОК-1, ОК-6, ОК10, ОК-11 профессиональных ПК-4, ПК-5 компетенций выпускника.

Преподавание дисциплины предусматривает проведение следующих видов учебных занятий: лекции, практические занятия.

Рабочая программа дисциплины предусматривает проведение следующих видов контроля: текущий контроль успеваемости в форме контрольных работ и коллоквиумов и промежуточный контроль в форме экзамена.

Объем дисциплины 5 зачетных единиц, в том числе в академических часах по видам учебных занятий:

 

 

 

учебные занятия

 

 

 

форма

Сем

Общий

 

 

в том числе

 

 

 

промежуточ

естр

объем

 

контактная работа обучающихся с

СРС

ной

 

 

 

преподавателем

 

 

 

аттестации

 

 

Всего

 

 

из них

 

 

 

(зачет,

 

 

 

Лекции

Лабор

Практи

КСР

Конс

 

дифференци

 

 

 

 

ные

ческие

 

ульта

 

рованный

 

 

 

 

занят

занятия

 

ции

 

зачет,

 

 

 

 

ия

 

 

 

 

экзамен)

3

180

129

64

 

64

1

 

51

экзамен

3

1. Цели освоения дисциплины

Дисциплина «Дискретная Математика» разработана в соответствии со следующими общими целями основной образовательной программы бакалавриата: подготовка в области основ гуманитарных, социальных, экономических, математических и естественнонаучных знаний, получение высшего профессионального образования, позволяющего выпускнику успешно проводить ориентированные на производство разработки и научные исследования.

Главная цель курса «Дискретная математика» – обучение студентов методам решения задач, характерных для дискретной математики, и соответствующему мышлению.

Основные задачи курса:

дать студентам необходимый запас базовых знаний по основным разделам дискретной математики, обучить рациональному и эффективному использованию полученных знаний при решении типовых задач по дискретной математике;

сформировать у студентов представление о дискретной математике как о способе изучения широкого круга объектов и процессов, характеризующихся отсутствием свойств непрерывности;

дать представление о математическом моделировании с помощью дискретных устройств информационных и вычислительных процессов и процессов управления;

сформировать знания, умения и навыки использования основных понятий комбинаторики, теории алгоритмов, теории графов, теории дискретных функций, теории сложности.

2.Место дисциплины в структуре образовательной программы

Дисциплина "Дискретная математика" относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла основной образовательной программы бакалавриата по направлению «Информатика и вычислительная техника».

Для успешного изучения дискретной математики необходимы знания и умения в объеме школьной программы по математике, общие понятия и факты из математического анализа, алгебры, математической логики.

Освоение дискретной математики необходимо для эффективного использования возможностей современной вычислительной техники, изучения теории вероятности, программирования, а также семейства дисциплин, относящихся к математической кибернетике: теория кодирования, методы оптимизации, теории принятия решений, комбинаторные алгоритмы и др. Знание основ дискретной математики необходимо практически в любой современной научно-исследовательской работе.

4

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (перечень планируемых результатов обучения)

 

В результате освоения данной дисциплины обучающийся

демонстрирует

следующие

общекультурные

и

профессиональные

компетенции:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Код компетенции

Формулировка компетенции

из

Планируемые

 

результаты

обучения

ФГОС

 

 

 

 

 

 

(показатели достижения заданного уровня

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

освоения компетенций)

 

 

 

 

 

 

ОК-1

владеет

культурой

мышления,

Иметь представление о дискретной математике как о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

способен к обобщению, анализу,

способе изучения широкого круга объектов и

 

восприятию

информации, постановке

процессов,

характеризующихся

отсутствием

 

цели и выбору путей ее достижения

 

непрерывности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОК-6

стремится

 

к

 

саморазвитию,

Знать основы комбинаторики, теории графов, теории

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

повышению

своей

квалификации

и

управляющих систем и теории формальных языков.

 

мастерства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОК-10

использует

 

основные

законы

Владеть навыками математического моделирования с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

естественнонаучных

 

дисциплин

в

помощью дискретных устройств информационных и

 

профессиональной

 

деятельности,

вычислительных процессов и процессов управления.

 

применяет

методы

математического

 

 

 

 

 

 

анализа

 

и

моделирования,

 

 

 

 

 

 

теоретического и экспериментального

 

 

 

 

 

 

исследования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОК-11

осознает

сущность

и

значение

Владеть основными методами работы с дискретной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

информации в развитии современного

информацией и уметь их применять в

 

общества;

 

владеет

основными

профессиональной деятельности.

 

 

методами, способами и средствами

 

 

 

 

 

 

получения, хранения, переработки

 

 

 

 

 

 

информации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПК-4

разрабатывать

модели

компонентов

Уметь оценить возможности использования и уметь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

информационных

систем,

включая

применить методы комбинаторики, теории графов,

 

модели баз данных

 

 

 

 

теории дискретных функций для решения конкретных

 

 

 

 

 

 

 

 

прикладных задач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПК-5

разрабатывать

 

 

компоненты

Уметь оценить возможности использования и уметь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

программных

комплексов

и

баз

применить методы комбинаторики, теории графов,

 

данных, использовать

современные

теории дискретных функций для решения конкретных

 

инструментальные

 

средства

и

прикладных задач.

 

 

 

 

технологии программирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

4. Объем, структура и содержание дисциплины

4.1.Объем дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 академических часов.

4.2.Структура дисциплины

 

 

 

 

Контактная работа обучающихся

 

Формы

 

 

 

семестраНеделя(из учебного плана)

 

с преподавателем по видам

 

 

 

 

 

 

текущего

 

 

 

учебных занятий (из учебного

работаСамостоятельнаяобучающихся планаучебногоиз(, в часах)

 

 

из(Семестручебного плана)

контроля

 

 

лекции

 

Лабораторные занятия

Практические занятия

Контроль самостоятель работыной )КСР( Консультации

 

 

 

 

 

 

плана, в часах)

 

успеваемос

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(по неделям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

семестра)

Раздел (тема)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п/п

дисциплины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Форма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежуто

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

аттестации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

семестрам,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из учебного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плана)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Комбинаторика

3

1-3

12

 

 

12

 

 

3

контрольна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

я работа,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коллоквиу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

2

Теория графов

3

4-9

24

 

 

24

 

 

6

контрольна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

я работа,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коллоквиу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

3

Дискретные

3

10-

28

 

 

28

 

 

6

контрольна

 

функции, схемы,

 

16

 

 

 

 

 

 

 

я работа,

 

автоматы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коллоквиу

 

формальные языки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

Допуск к экзамену

3

17

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Промежуточная

3

19-

 

 

 

 

 

 

36

экзамен

 

аттестация

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИТОГО часов:

 

 

64

 

 

64

1

 

51

 

4.3. Содержание дисциплины, структурированное по темам (разделам)

Лекции – 64часа (из учебного плана)

 

занятия

 

Кол-во часов

 

 

 

 

Раздел

 

 

В

Содержание занятий и ссылки на рекомендуемую

 

интера

(тема), Код

 

литературу

всего

ктивно

компетенции

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

форме

Комбинатори

 

Основные комбинаторные правила и формулы.

 

 

ка

1

Формула включений исключений, ее применения.

4

 

(ОК-1, ОК-

 

Числа Стирлинга.

 

 

6, ОК-10,

 

Разбиения чисел. Числа Каталана и числа

 

 

ОК-11, ПК-

2

Фибоначчи. Общие рекуррентные соотношения.

4

 

Сложность алгоритмов. Варианты определения

 

4, ПК-5)

 

 

 

 

сложности.

 

 

 

 

 

 

 

 

Производящая функция, экспоненциальная

 

 

 

3

производящая функция. Общее решение линейного

4

 

 

 

рекуррентного соотношения

 

 

Теория

 

Графы, их представления, изоморфизм графов,

 

 

графов

4

операции над графами, оценки числа ребер графа.

4

 

(ОК-1, ОК-

Характеризация деревьев, остовное дерево,

 

 

 

 

6, ОК-10,

 

алгоритмы отыскания остова минимального веса

 

 

 

Теорема Кирхгофа, Теорема Кэли, код Прюфера.

 

 

ОК-11, ПК-

 

 

 

5

Вершинная и рёберная связности. Характеризация

4

 

4, ПК-5)

 

 

двусвязных графов. Теорема Менгера.

 

 

 

 

 

 

 

 

Независимость и покрытия Теорема Рамсея.

 

 

 

6

Паросочетания в двудольных графах. Теоремы

4

 

 

 

Кёнига и Холла.

 

 

 

 

Чередующиеся цепи. Алгоритм построения

 

 

 

7

наибольшего паросочетания в двудольном графе.

4

 

 

 

Эйлеровость, теорема Эйлера, алгоритм Флёри.

 

 

 

 

Гамильтоновость, теоремы Хватала, Оре, Дирака.

 

 

 

8

Укладки графов. Формула Эйлера. Алгоритм укладки

4

 

 

 

графа на плоскость.

 

 

 

 

Правильные раскраски вершин. Теоремы Зыкова и

 

 

 

9

Брукса. Правильные раскраски планарных графов.

4

 

 

Теорема Хивуда. Раскраски ребер. Теорема Кёнига,

 

 

 

 

 

 

 

теорема Визинга.

 

 

Дискретные

 

Булевы функции, основные представления булевых

 

 

функции,

10

функций. Принцип двойственности. Теорема

4

 

схемы,

 

Жегалкина. Теорема Поста

 

 

автоматы,

 

Минимизация ДНФ. Способы построения

 

 

формальные

11

сокращенной ДНФ. Способы построения тупиковых

4

 

языки (ОК-

ДНФ. Теорема Журавлева. ДНФ Квайна. Алгоритм

 

 

 

 

1, ОК-6,

 

Квайна. ДНФ пересечения.

 

 

12

Классы P и NP. Полиномиальная сводимость. NP-

 

 

ОК-10, ОК-

4

 

 

полные и NP-трудные задачи. Теорема Кука

 

11, ПК-4,

 

 

 

13

Схемы из функциональных элементов. Функция

 

 

ПК-5)

 

 

 

Шеннона. Метод Шеннона. Метод Лупанова.

4

 

 

 

Мощностной метод получения нижней оценки

 

 

 

 

 

 

 

функции Шеннона.

 

 

 

14

Ограниченно-детерминированные функции, способы

 

 

 

 

их задания. Конечный детерминированный автомат с

 

 

 

 

выходом. Лемма о периодической функции. Схемы

4

 

 

 

из автоматных элементов с использованием операции

 

 

 

 

обратной связи.

 

 

 

15

Конечные автоматы Мили и Мура, их

 

 

 

 

эквивалентность. Конечный детерминированный

 

 

 

 

инициальный автомат без выходов. Теорема о

4

 

 

 

детерминизации. Регулярные языки. Теоремы

 

 

 

 

анализа и синтеза автоматов.

 

 

 

16

Контекстно-свободные грамматики.

4

 

 

 

Магазинные автоматы.

 

 

 

 

 

 

 

Итого:

64

 

Практические (семинарские) занятия – 64 часа (из учебного плана)

 

занятия

 

Кол-во часов

 

 

 

 

Раздел

 

 

В

Содержание занятий и ссылки на рекомендуемую

 

интера

(тема), Код

 

литературу

всего

ктивно

компетенции

 

 

й

 

 

 

 

 

 

 

форме

Комбинатори

 

Основные комбинаторные правила и формулы.

 

 

ка

1

Формула включений исключений, ее применения.

4

 

(ОК-1, ОК-

 

Числа Стирлинга.

 

 

6, ОК-10,

 

Разбиения чисел. Числа Каталана и числа

 

 

ОК-11, ПК-

2

Фибоначчи. Общие рекуррентные соотношения.

4

 

Сложность алгоритмов. Варианты определения

 

4, ПК-5)

 

 

 

 

сложности.

 

 

 

 

 

 

 

 

Производящая функция, экспоненциальная

 

 

 

3

производящая функция. Общее решение линейного

4

 

 

 

рекуррентного соотношения

 

 

Теория

 

Графы, их представления, изоморфизм графов,

 

 

графов

4

операции над графами, оценки числа ребер графа.

4

 

(ОК-1, ОК-

Характеризация деревьев, остовное дерево,

 

 

 

 

6, ОК-10,

 

алгоритмы отыскания остова минимального веса

 

 

 

Теорема Кирхгофа, Теорема Кэли, код Прюфера.

 

 

ОК-11, ПК-

 

 

 

5

Вершинная и рёберная связности. Характеризация

4

 

4, ПК-5)

 

 

двусвязных графов. Теорема Менгера.

 

 

 

 

 

 

 

 

Независимость и покрытия Теорема Рамсея.

 

 

 

6

Паросочетания в двудольных графах. Теоремы

4

 

 

 

Кёнига и Холла.

 

 

 

 

Чередующиеся цепи. Алгоритм построения

 

 

 

7

наибольшего паросочетания в двудольном графе.

4

 

 

 

Эйлеровость, теорема Эйлера, алгоритм Флёри.

 

 

 

 

Гамильтоновость, теоремы Хватала, Оре, Дирака.

 

 

 

8

Укладки графов. Формула Эйлера. Алгоритм укладки

4

 

 

 

графа на плоскость.

 

 

 

 

Правильные раскраски вершин. Теоремы Зыкова и

 

 

 

9

Брукса. Правильные раскраски планарных графов.

4

 

 

Теорема Хивуда. Раскраски ребер. Теорема Кёнига,

 

 

 

 

 

 

 

теорема Визинга.

 

 

8

Дискретные

 

Булевы функции, основные представления булевых

 

 

функции,

10

функций. Принцип двойственности. Теорема

4

 

схемы,

 

Жегалкина. Теорема Поста

 

 

автоматы,

 

Минимизация ДНФ. Способы построения

 

 

формальные

11

сокращенной ДНФ. Способы построения тупиковых

4

 

языки (ОК-

ДНФ. Теорема Журавлева. ДНФ Квайна. Алгоритм

 

 

 

 

1, ОК-6,

 

Квайна. ДНФ пересечения.

 

 

12

Классы P и NP. Полиномиальная сводимость. NP-

 

 

ОК-10, ОК-

4

 

 

полные и NP-трудные задачи. Теорема Кука

 

11, ПК-4,

 

 

 

13

Схемы из функциональных элементов. Функция

 

 

ПК-5)

 

 

 

Шеннона. Метод Шеннона. Метод Лупанова.

4

 

 

 

Мощностной метод получения нижней оценки

 

 

 

 

 

 

 

функции Шеннона.

 

 

 

14

Ограниченно-детерминированные функции, способы

 

 

 

 

их задания. Конечный детерминированный автомат с

 

 

 

 

выходом. Лемма о периодической функции. Схемы

4

 

 

 

из автоматных элементов с использованием операции

 

 

 

 

обратной связи.

 

 

 

15

Конечные автоматы Мили и Мура, их

 

 

 

 

эквивалентность. Конечный детерминированный

 

 

 

 

инициальный автомат без выходов. Теорема о

4

 

 

 

детерминизации. Регулярные языки. Теоремы

 

 

 

 

анализа и синтеза автоматов.

 

 

 

16

Контекстно-свободные грамматики.

4

 

 

 

Магазинные автоматы.

 

 

 

 

 

 

 

Итого:

64

 

Самостоятельная работа – 15 часов (из учебного плана)

Самостоятельная работа студента в первую очередь состоит в решении задач домашних работ, изучении основной и дополнительной литературы по темам лекций и практических занятий, подготовка к коллоквиумам и контрольным работам.

Большую роль в освоении материала играют домашние работы. В них наряду с задачами на отработку методов, изученных на практических занятиях, обязательно даются задачи более сложного уровня, заставляющие студентов обращаться к дополнительной литературе. Решение таких задач является обязательным для студентов, претендующих на отметки хорошо и отлично.

 

№ занятия

Вид работы

Норма

Раздел (тема),

 

времени на

 

 

Код

 

выполнение

 

 

компетенции

 

(в часах)

 

 

 

 

 

 

 

Комбинаторика

1-3

подготовка к практическим занятиям

3

(ОК-1, ОК-6,

 

 

 

ОК-10, ОК-11,

 

 

 

ПК-4, ПК-5)

 

 

 

Теория графов

4-9

подготовка к практическим занятиям

6

(ОК-1, ОК-6,

 

 

 

ОК-10, ОК-11,

 

 

 

ПК-4, ПК-5)

 

 

 

Дискретные

10-

подготовка к практическим занятиям

6

функции,

16

 

 

схемы,

 

 

 

9

автоматы, формальные языки (ОК-1,

ОК-6, ОК-10,

ОК-11, ПК-4,

ПК-5)

подготовка к экзамену

36

5. Образовательные технологии

Лекции.

Лекционный курс разбит на три основных раздела. Основу курса составляет систематический обзор основных понятий и методов дискретной математики.

Структура курса выглядит следующим образом: Комбинаторика: 6 лекций; Теория графов: 12 лекций;

Дискретные функции, схемы, автоматы, формальные языки: 14 лекций. Аннотированное содержание каждого раздела приведено в разделе 4.

При изучении теоретического материала рекомендуется строго придерживаться календарного плана. В ходе лекций студенту рекомендуется самостоятельно воспроизводить ее содержание в виде конспекта. После каждой лекции рекомендуется самостоятельно изучить дополнительную литературу по теме лекции.

Практические занятия.

Логическим продолжением курса лекций являются практические занятия. На них студенты применяют знания, полученные на лекциях, к решению конкретных задач. Задания на практических занятиях подобраны таким образом, чтобы студенты научились пользоваться всеми основными методами изучаемых разделов дискретной математики.

Практические занятия проводятся в аудиториях без компьютеров, два раза в неделю, всего 32 семинарских занятия. На занятиях студенты получают навыки решения перечислительных задач, применения методов теории графов, знакомятся с основными понятиями и способами реализации булевых функций. После каждого занятия студентам выдается домашнее задание. Рекомендуется перед выполнением домашнего задания тщательно изучить соответствующий лекционный материал.

6. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине

Методические рекомендации по самостоятельной работе обучающихся приводятся в приложении к рабочей программе дисциплины (Приложение А)

7. Фонд оценочных средств для проведения текущей и промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине

7.1. Перечень компетенций с указанием этапов их формирования приведен в описании образовательной программы

10