數據與計算科學基礎

本書提出了以理解數據和處理數據為目標的計算生態的教學理念，全面系統地介紹了數據與計算科學基礎的基本理論與方法。本書主要內容包括數據與計算概述、電腦系統、數據的表示、算法、電腦語言與程序、數據收集與預處理、數據計算、數據分析與可視化。本書內容豐富，結構清晰，在重點講解各種算法思想的基礎上，通過數據分析與可視化的各種應用案例，進行多維度的“數據思維”訓練，以滿足讀者對理解“信息技術跨學科賦能”的現實需求。同時本書附贈電子教學課件、案例源文件和結果文件，以方便教學。本書適合普通高等學校作為大學電腦通識教育教材使用，也適合對數據與計算感興趣的讀者閱讀。

目 錄

第1章 數據與計算概述 1
1.1 數據的概念 1
1.1.1 信號、消息、信息和數據 2
1.1.2 現實世界的數據模型 3
1.1.3 結構化數據和非結構化數據 4
1.2 計算的概念 6
1.2.1 數學計算 6
1.2.2 通用計算 6
1.2.3 現實世界的計算模型 6
1.3 電腦模型 7
1.3.1 圖靈機 8
1.3.2 現代計算模型 9
1.4 網絡、大數據和雲計算 10
1.4.1 電腦網絡概述 10
1.4.2 電腦網絡圖模型和TCP/IP體系結構 11
1.4.3 大數據 17
1.4.4 雲計算 18
習題1 20
第2章 電腦系統 22
2.1 電腦結構 22
2.1.1 主存儲器 22
2.1.2 中央處理器 25
2.1.3 輸入/輸出系統 27
2.2 軟件和操作系統 27
2.2.1 操作系統概述 28
2.2.2 操作系統核心功能 29
2.2.3 大數據分析和處理技術 35
習題2 37
第3章 數據的表示 40
3.1 計數系統與數制 40
3.1.1 進位計數制 40
3.1.2 二進制數的基本運算 41
3.1.3 數制的轉換 43
3.2 數值數據表示法 47
3.2.1 整數表示 48
3.2.2 實數表示 50
3.3 字符表示法 52
3.3.1 ASCII字符集 53
3.3.2 漢字字符集 54
3.3.3 通用字符集 55
3.4 現實數據的表示 56
3.4.1 統計數據的分類與表示 56
3.4.2 模擬量的數字化 58
3.4.3 結構數據表示 61
3.5 數據的存儲 65
3.5.1 數據標識 65
3.5.2 數據存儲結構 66
3.5.3 數據文件 66
3.5.4 數據壓縮 67
3.6 數據結構基礎 68
3.6.1 數據結構 68
3.6.2 抽象數據類型 70
習題3 70
第4章 算法 74
4.1 算法概述 74
4.1.1 算法的定義 74
4.1.2 算法示例——求最小值 75
4.1.3 求解策略和流程控制結構 78
4.1.4 算法表示 80
4.1.5 算法效率表示 83
4.2 常用算法 84
4.2.1 迭代 84
4.2.2 窮舉 86
4.2.3 排序 89
4.2.4 查找 91
4.2.5 隨機模擬 93
4.3 遞歸 94
4.3.1 遞歸 94
4.3.2 分治法 96
習題4 100
第5章 電腦語言與程序 105
5.1 電腦語言概述 105
5.1.1 算法與程序 105
5.1.2 電腦語言 105
5.2 電腦語言基礎 108
5.2.1 標識符 108
5.2.2 數據類型 108
5.2.3 表達式與運算符 109
5.2.4 基本語句 110
5.2.5 子程序、函數和方法 111
5.3 Excel基礎 111
5.3.1 Excel在數據分析中的應用概述 112
5.3.2 Excel數據處理基礎 112
5.4 VBA語言 115
5.4.1 VBA語言基礎 115
5.4.2 VBA控制結構 118
5.4.3 VBA常用對象與程序設計 121
習題5 129
第6章 數據收集與預處理 132
6.1 數據的來源、數據的分類與數據集 132
6.2 數據收集 134
6.2.1 數據收集的途徑與方法 134
6.2.2 Excel數據的錄入與管理規範 135
6.3 數據預處理 137
6.3.1 數據清洗 137
6.3.2 數據規約 140
習題6 142
第7章 數據計算 144
7.1 字段計算 144
7.1.1 幾種常用的數據運算 144
7.1.2 函數運算 145
7.1.3 常用的字段計算 145
7.2 利用“公式填充”實現簡單的遞推計算 149
7.2.1 數制轉換的遞推計算 149
7.2.2 將十進制整數轉換為R進制整數原碼、反碼和補碼的遞推計算 149
7.3 Excel中的算法推演 151
7.3.1 遞推計算 151
7.3.2 二分法 153
7.3.3 貪心算法 155
7.4 VBA在數據計算中的應用 155
7.4.1 排序算法演示 155
7.4.2 頻數計算 156
7.4.3 工作日計算 157
習題7 159
第8章 數據分析與可視化 162
8.1 數據分析與可視化概述 162
8.1.1 什麽是數據分析 162
8.1.2 什麽是數據可視化 162
8.2 基礎統計分析 163
8.2.1 借助直方圖進行數據特徵分析 163
8.2.2 正態分佈圖形分析 163
8.2.3 相關分析 167
8.2.4 回歸分析 169
8.3 數據挖掘 174
8.3.1 數據挖掘概述 174
8.3.2 Excel數據挖掘模塊 175
8.3.3 關聯分析 176
8.3.4 聚類分析 180
8.3.5 時間序列分析 184
8.4 數據可視化 186
8.4.1 條件格式 186
8.4.2 基礎圖表 187
8.3.3 組合圖表 189
8.3.4 動態圖表 190
8.3.5 數據透視表 191
習題8 194
附錄A Excel常用函數 196
附錄B 常用控制符的ASCII表 199