Кіріспе
Дискрет математика – математикалық құрылымдарды зерттеу саласы, онда бұл құрылымдар "дискретті" (табиғи сандар жиынымен биекциялы, дискретті айнымалыларға ұқсас) деп қарастырылады, ал "үздіксіз" (үздіксіз функцияларға ұқсас) емес. Дискрет математикада зерттелетін нысандарға бүтін сандар, графтар және логикадағы тұжырымдар жатады. Керісінше, дискрет математика нақты сандар, есептеу (калькулюс) немесе Евклид геометриясы сияқты "үздіксіз математика" тақырыптарын қамтымайды. Дискрет объектілерді көбінесе бүтін сандармен санауға болады; формальды түрде дискрет математика – санаулы жиындармен (шекті жиындар немесе табиғи сандармен бірдей кардиналдығы бар жиындар) айналысатын математиканың саласы ретінде сипатталады. Дегенмен, "дискрет математика" терминіне нақты анықтама жоқ. Дискрет математикада зерттелетін нысандар жиынтығы шекті немесе шексіз болуы мүмкін. "Шекті математика" термині кейде дискрет математиканың шекті жиындармен, әсіресе бизнеске қатысты салаларымен айналысатын бөліктеріне қолданылады. Дискрет математика саласындағы зерттеулер ХХ ғасырдың екінші жартысында өрістеді, бұл "дискретті" қадамдармен жұмыс істейтін және деректерді "дискретті" биттерде сақтайтын цифрлық компьютерлердің дамуына байланысты болды. Дискрет математикадан алынған түсініктер мен белгілер компьютер ғылымының салаларындағы объектілер мен мәселелерді зерттеуде және сипаттауда пайдалы: компьютер алгоритмдері, бағдарламалау тілдері, криптография, теоремаларды автоматты түрде дәлелдеу және бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу. Керісінше, компьютерде іске асыру дискрет математикадан алынған идеяларды нақты әлемдегі мәселелерге қолдануда маңызды рөл атқарады. Дискрет математикадағы негізгі зерттеу объектілері дискретті болғанымен, "үздіксіз" математикадан алынған аналитикалық әдістер де жиі қолданылады. Университеттердегі оқу бағдарламаларында дискрет математика 1980-ші жылдары пайда болды, бастапқыда компьютер ғылымын қолдау курсы ретінде; сол кезде оның мазмұны біршама ретсіз болды. Содан кейін, ACM және MAA күш-жігерінің нәтижесінде оқу бағдарламасы бірінші курс студенттерінің математикалық ой-қияласын дамытуға бағытталған курсқа айналды; сондықтан қазіргі уақытта кейбір университеттерде математика мамандықтары үшін міндетті пән болып табылады. Сондай-ақ, жоғары сыныптарда дискрет математика бойынша оқулықтар пайда болды. Бұл деңгейде дискрет математика кейде прекалькулус сияқты дайындық курсы ретінде қарастырылады. Фулкерсон жүлдесі дискрет математика саласындағы ең үздік жұмыстарға беріледі.
Discrete mathematics is the study of mathematical structures that can be considered "discrete" (in a way analogous to discrete variables, having a bijection with the set of natural numbers) rather than "continuous" (analogously to continuous functions). Objects studied in discrete mathematics include integers, graphs, and statements in logic. By contrast, discrete mathematics excludes topics in "continuous mathematics" such as real numbers, calculus or Euclidean geometry. Discrete objects can often be enumerated by integers; more formally, discrete mathematics has been characterized as the branch of mathematics dealing with countable sets (finite sets or sets with the same cardinality as the natural numbers). However, there is no exact definition of the term "discrete mathematics". The set of objects studied in discrete mathematics can be finite or infinite. The term finite mathematics is sometimes applied to parts of the field of discrete mathematics that deals with finite sets, particularly those areas relevant to business. Research in discrete mathematics increased in the latter half of the twentieth century partly due to the development of digital computers which operate in "discrete" steps and store data in "discrete" bits. Concepts and notations from discrete mathematics are useful in studying and describing objects and problems in branches of computer science, such as computer algorithms, programming languages, cryptography, automated theorem proving, and software development. Conversely, computer implementations are significant in applying ideas from discrete mathematics to real world problems. Although the main objects of study in discrete mathematics are discrete objects, analytic methods from "continuous" mathematics are often employed as well. In university curricula, discrete mathematics appeared in the 1980s, initially as a computer science support course; its contents were somewhat haphazard at the time. The curriculum has thereafter developed in conjunction with efforts by ACM and MAA into a course that is basically intended to develop mathematical maturity in first year students; therefore, it is nowadays a prerequisite for mathematics majors in some universities as well. Some high school level discrete mathematics textbooks have appeared as well. At this level, discrete mathematics is sometimes seen as a preparatory course, like precalculus in this respect. The Fulkerson Prize is awarded for outstanding papers in discrete mathematics.
Теориялық информатика
Теориялық информатика есептеуге қатысты дискретті математиканың салаларын қамтиды. Ол графтар теориясы мен математикалық логикаға көп сүйенді. Теориялық компьютерлік ғылымға алгоритмдер мен дерек құрылымдарын зерттеу кіреді. Есептеу мүмкіндігі принцип бойынша не есептелуге болатынын зерттейді және логикамен тығыз байланысты, ал күрделілік есептеулерге кеткен уақыт, жад және басқа да ресурстарды зерттейді. Автоматтар теориясы және формальді тілдер теориясы есептеу мүмкіндігімен тығыз байланысты. Компьютерлік жүйелерді модельдеу үшін Петри желілері мен процестер алгебрасы қолданылады, ал дискретті математика әдістері VLSI электрондық тізбектерін талдау үшін пайдаланылады. Есептеу геометриясы алгоритмдерді геометриялық мәселелерге және геометриялық нысандардың бейнелеулеріне қолданады, ал компьютерлік кескіндерді талдау оларды кескіндердің бейнелеулеріне қолданады. Теориялық компьютерлік ғылым сондай-ақ түрлі үздіксіз есептеу тақырыптарын зерттеуді де қамтиды.
Ақпарат теориясы
Ақпарат теориясы ақпаратты өлшеумен айналысады. Бұл теориямен тығыз байланысты кодтау теориясы, ол тиімді және сенімді деректерді тарату және сақтау әдістерін жасау үшін қолданылады. Ақпарат теориясы сонымен қатар: аналогты сигналдар, аналогты кодтау, аналогты шифрлау сияқты үздіксіз тақырыптарды да қамтиды.
Логика
Логика – дұрыс ойлау және логикалық қорытындылар жасау, сондай-ақ дәйектілік, негізділік және толықтық принциптерін зерттейтін ғылым. Мысалы, логика жүйелерінің көпшілігінде (бірақ интуиционистік логикада емес) Пирстің заңы (((P→Q)→P)→P) теорема болып табылады. Классикалық логика үшін оны шындық кестесі арқылы оңай тексеруге болады. Математикалық дәлелдеуді зерттеу логикада ерекше маңызды және автоматты түрде теоремаларды дәлелдеуге және бағдарламалық қамтамастың формалды тексеруіне әкелді. Логикалық формулалар – дәлелдемелер сияқты дискретті құрылымдар болып табылады, олар шекті ағаштарды немесе, жалпы алғанда, бағытталған ациклдік графтар құрылымдарын құрайды (әрбір логикалық қадам бір немесе бірнеше алғышартты біріктіріп, бір қорытынды береді). Логикалық формулалардың шындық мәндері көбінесе шекті жиынтықты құрайды, әдетте екі мәнмен – шындық және жалғанмен шектеледі, бірақ логика үздіксіз мәнді де болуы мүмкін, мысалы, тұманды логика. Сондай-ақ, шексіз дәлелдеу ағаштары немесе шексіз туынды ағаштары сияқты ұғымдар да зерттелді, мысалы, шексіз логика.
Жинақ теориясы
Жинақтар теориясы – математиканың жиынды зерттейтін саласы, жиын – бұл нысандардың жиынтығы, мысалы, {көк, ақ, қызыл} немесе барлық жай сандардың (шексіз) жиынтығы. Ішінара реттелген жиындықтың және басқа қатынастарға ие жиындықтың қолданылу аясы кең. Дискретті математикада саналатын жиындықтың (шекті жиындықты қоса) зерттелуі басты назарда. Жинақтар теориясының математика саласы ретінде қалыптасуы әдетте Георг Кантордың тригонометриялық қатарларды зерттеуге байланысты әртүрлі шексіз жиындықты ажырату жұмысымен байланысты, ал шексіз жиындықтың теориясын одан әрі дамыту дискретті математиканың шегінен шығады. Шындығында, сипаттамалық жиындықтың теориясындағы қазіргі зерттеулер дәстүрлі үздіксіз математиканы кеңінен пайдаланады.
Комбинаторлық
Комбинаторика дискретті құрылымдардың қалай біріктірілетінін немесе орналастырылатынын зерттейді. Энумеративтік комбинаторика белгілі бір комбинаторлық объектілердің санын санауға шоғырланады. Мысалы, он екі түрлі жол пермутацияларды, комбинацияларды және бөлулерді санау үшін біртұтас аяқ береді. Аналитикалық комбинаторика күрделі анализ және ықтималдықтар теориясының құралдарын қолдана отырып, комбинаторлық құрылымдарды санаумен (яғни, санын анықтаумен) айналысады. Нәтижелерді сипаттау үшін нақты комбинаторлық формулалар мен туынды функцияларды пайдаланатын энумеративтік комбинаторикадан өзгеше, аналитикалық комбинаторика асимптотикалық формулаларды алуға ұмтылады. Топологиялық комбинаторика топология және алгебралық топология/комбинаторлық топология әдістерін комбинаторикада қолдануға қатысты. Дизайн теориясы – белгілі бір қиылыс қасиеттеріне ие кіші жиындықтар жиынтығы болып табылатын комбинаторлық дизайнды зерттейтін ғылым. Бөлу теориясы бүтін сандардың бөлулеріне қатысты әртүрлі санау және асимптотикалық мәселелерді зерттейді және q қатарларымен, арнайы функциялармен және ортогональды полиномдармен тығыз байланысты. Бастапқыда сандар теориясы мен анализдің бір бөлігі болған бөлу теориясы қазір комбинаториканың бір бөлігі немесе тәуелсіз сала деп есептеледі. Рет теориясы – шекті және шексіз, ішінара реттелген жиындықтарды зерттейтін ғылым.
Граф теориясы
Графтар теориясы, графтар мен желілерді зерттейтін сала, көбінесе комбинаториканың бір бөлігі деп есептеледі, бірақ өзінің ерекше мәселелерімен және жеткілікті деңгейде дамығандықтан, дербес ғылым ретінде қарастырылады. Графтар дискретті математикадағы маңызды зерттеу нысандарының бірі болып табылады. Олар табиғи және адам жасаған құрылымдардың кең таралған модельдерінің қатарында. Физикалық, биологиялық және әлеуметтік жүйелердегі түрлі қатынастар мен процестердің динамикасын модельдеуге мүмкіндік береді. Компьютер ғылымында олар коммуникация желілерін, деректерді ұйымдастыруды, есептеу құралдарын, есептеу процесінің ағынын және тағы да басқаларын бейнелей алады. Математикада геометрия мен топологияның белгілі бір салаларында, мысалы, түйін теориясында қолданылады. Алгебралық графтар теориясы топтар теориясымен, ал топологиялық графтар теориясы топологиямен тығыз байланысты. Үздіксіз графтар да бар, алайда графтар теориясының көп бөлігі дискретті математика саласына жатады.
Сандар теориясы
Сандар теориясы сандардың, әсіресе бүтін сандардың қасиеттерін зерттейді. Ол криптография және криптоанализ салаларында, атап айтқанда модульдік арифметика, диофант теңдеулері, сызықтық және квадраттық конгруэнциялар, жай сандар және жайлылықты тексеруде қолданылады. Сандар теориясының басқа да дискретті аспектілеріне сандар геометриясы кіреді. Аналитикалық сандар теориясында үздіксіз математиканың әдістері де пайдаланылады. Дискретті объектілерден асып түсетін тақырыптарға трансцендентті сандар, диофанттық жуықтау, p-адық талдау және функциялық өрістер жатады.
Алгебралық құрылымдар
Алгебралық құрылымдар дискретті де, үздіксіз де мысалдар түрінде кездеседі. Дискретті алгебраларға мыналар жатады: логикалық қақпалар мен бағдарламалауда қолданылатын Буль алгебрасы; дерекқорларда қолданылатын реляциялық алгебра; алгебралық кодтау теориясында топтардың, сақиналардың және өрістердің дискретті және шекті түрлері маңызды; дискретті жартылай топтар мен моноидтар формальді тілдер теориясында кездеседі.
Жалғаспалы математиканың дискретті аналогтары
Тұрақты математикада дискретті есептеу, дискретті Фурье түрлендірулері, дискретті геометрия, дискретті логарифмдер, дискретті дифференциалдық геометрия, дискретті сыртқы есептеу, дискретті Морзе теориясы, дискретті оптимизация, дискретті ықтималдық теориясы, дискретті ықтималдық таралымы, айырмашылық теңдеулері, дискретті динамикалық жүйелер және дискретті векторлық өлшемдер сияқты дискретті нұсқалары бар көптеген түсініктер мен теориялар кездеседі.
Шекті айырмашылықтарды есептеу, дискретті талдау және дискретті есептеу
Дискретті есептеуде және шекті айырмашылықтар есептеуінде бүтін сандар аралығында анықталған функция әдетте тізбек деп аталады. Тізбек деректер көзінен алынған шекті тізбек немесе дискретті динамикалық жүйеден алынған шексіз тізбек болуы мүмкін. Мұндай дискретті функция тізім арқылы (егер оның домені шекті болса) немесе жалпы мүшесі үшін формула арқылы нақты анықталуы мүмкін, немесе қайталану қатынасы немесе айырмашылық теңдеуі арқылы жасырын түрде берілуі мүмкін. Айырмашылық теңдеулері дифференциалдық теңдеулерге ұқсас, бірақ туынды алудың орнына жапсарлас мүшелер арасындағы айырманы қолданады; оларды дифференциалдық теңдеулерді жуықтау үшін пайдалануға болады немесе (көбінесе) өздігінен зерттеледі. Дифференциалдық теңдеулерге қатысты көптеген сұрақтар мен әдістердің айырмашылық теңдеулері үшін баламалары бар. Мысалы, үздіксіз функцияларды немесе аналогты сигналдарды зерттеу үшін гармоникалық талдауда интегралды түрлендірулер болса, дискретті функциялар немесе цифрлық сигналдар үшін дискретті түрлендірулер бар. Дискретті метрикалық кеңістіктермен қатар, жалпы дискретті топологиялық кеңістіктер, шекті метрикалық кеңістіктер, шекті топологиялық кеңістіктер де бар. Уақыт шкаласы есептеуі – дискретті және үздіксіз деректерді бір мезгілде модельдеуді қажет ететін салаларда қолданылатын айырмашылық теңдеулер теориясының дифференциалдық теңдеулер теориясымен біріктірілуі. Мұндай жағдайды модельдеудің тағы бір жолы – гибридтік динамикалық жүйелер ұғымы.
Дискретті геометрия
Дискреттік геометрия және комбинаторлық геометрия геометриялық нысандардың дискретті жиынтықтарының комбинаторлық қасиеттерін зерттейді. Дискреттік геометриядағы ұзақ жылдар бойы зерттеліп келе жатқан тақырып – жазықтықтың мозаикаға бөлінуі. Алгебралық геометрияда қисық түсінігі дискреттік геометрияға кеңейтілуі мүмкін, яғни шекті өрістердегі полиномдық сақиналардың спектрлерін сол өрістегі аффиндік кеңістіктердің моделі ретінде қарастырып, ал басқа сақиналардың субварианттары немесе спектрлері сол кеңістіктегі қисықтарды анықтайды. Қисықтар пайда болатын кеңістікте шекті санда ғана нүктелер болғанымен, қисықтар нүктелер жиынтығы емес, үздіксіз кеңістіктегі қисықтардың аналогтары болып табылады. Мысалы, кез келген өріс нүктесін (x) нүкте ретінде немесе (x, c) нүктесіндегі жергілікті сақинаның спектрі ретінде, оның маңындағы аймақпен бірге зерттеуге болады. Алгебралық сорттар үшін де жақсы анықталған жанама кеңістік бар, ол Зариски жанама кеңістігі деп аталады, бұл есептеудің көптеген мүмкіндіктерін тіпті шекті жағдайларда да қолдануға мүмкіндік береді.
Дискретті модельдеу
Қолданбалы математикада дискретті модельдеу – үздіксіз модельдеудің дискретті аналогы болып табылады. Дискретті модельдеуде деректерге дискретті формулалар қолданылады. Модельдеудің осы түріндегі кең таралған әдіс – рекурренттік қатынастарды пайдалану. Дискреттеу үздіксіз модельдер мен теңдеулерді дискретті нұсқаларына ауыстыру процесін қамтиды, көбінесе есептеуді жеңілдету үшін жуықтаулар қолданылады. Сандық талдау – маңызды мысал.
Қиындықтар
Дискретті математика тарихында осы саланың бірнеше саласына назар аударған көптеген қиын мәселелер кездеседі. Графтар теориясында көптеген зерттеулер 1852 жылы тұңғыш рет қойылған, бірақ 1976 жылға дейін дәлелденбеген төрт түс теоремасын дәлелдеу әрекеттерімен шақырылды (Кеннет Аппель мен Вольфганг Хакен, компьютерлік көмек қолданып). Суық соғыс криптографияның маңыздылығын сақтап тұрды, соның нәтижесінде келесі онжылдықтарда ашық кілтті криптография сияқты маңызды жаңалықтар жасалды. Телекоммуникация индустриясы дискретті математиканың, әсіресе графтар теориясы мен ақпарат теориясының дамуына ықпал етті. Логикалық тұжырымдардың формалды тексеруі қауіпсіздікке маңызды жүйелердің бағдарламалық құралын жасау үшін қажет болды, ал автоматтандырылған теореманы дәлелдеудегі жетістіктер осы қажеттілікпен байланысты болды. Есептеу геометриясы қазіргі заманғы бейне ойындар мен компьютерлік дизайн құралдарына енгізілген компьютерлік графиканың маңызды бөлігі болып табылады. Дискретті математиканың бірнеше саласы, әсіресе теориялық информатика, графтар теориясы және комбинаторика, өмір ағашын түсінуге байланысты күрделі биоинформатика мәселелерін шешуде маңызды рөл атқарады. Қазіргі уақытта теориялық информатикадағы ең танымал шешілмеген мәселелердің бірі – P = NP мәселесі, ол P және NP күрделілік кластары арасындағы байланысты қарастырады. Клей математика институты осы математикалық мәселені дұрыс дәлелдеген алғашқы адамға 1 миллион АҚШ доллары сыйлық ретінде ұсынады, сондай-ақ тағы алты математикалық мәселе үшін де сыйлықтар қарастырылған.