أساسيات علوم الحاسوب: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و20 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

أنظمة العد

القيم الموضعية: الثنائي 2^k، الثماني 8^k، الست عشري 16^k
إلى العشري: Σ d_k·b^k
من العشري: اقسم على الأساس، واقرأ البواقي من الأسفل إلى الأعلى
الست عشري ↔ الثنائي: رقم ست عشري واحد = 4 بتات
المتمم الثنائي: اعكس البتات وأضف 1

المنطق القضوي والبراهين

صفوف جدول الصدق: 2ⁿ
الاستلزام: p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
نفي الاستلزام: ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
الشرط الثنائي: p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
دي مورغان: ¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
قوانين التوزيع: p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
نفي الكمّمات: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
قاعدة الوضع (modus ponens) وقاعدة الرفع (modus tollens): p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

الطريقة

عُدّ المتغيرات المختلفة: لجدول الصدق 2ⁿ صفًا، ويبدأ بصف تكون فيه كلها 1.
أعطِ كل صيغة جزئية عمودها الخاص واملأ الأعمدة من الداخل إلى الخارج.
طبّق قاعدة كل رابط: → يساوي 0 فقط في الحالة 1 → 0، و ↔ يساوي 1 عندما يتفق الطرفان.
للتكافؤات قارن العمودين الأخيرين صفًا بصف؛ وللحجة انظر فقط إلى الصفوف التي تكون فيها كل المقدمات 1.
لنفي عبارة مكمَّمة، انقل ¬ إلى الداخل، وبدّل ∀ و ∃، وانفِ الصيغة الداخلية.

المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

البوابات الأساسية: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
القواعد البولية: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
دي مورغان: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
ترتيب خريطة كارنو: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
مجموعة من 2ᵏ خلية: تفقد k متغيرًا
مضاعِف 4-إلى-1: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
القلّابات: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
العدّادات: n بتّات: 2ⁿ حالة؛ mod-N: أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N؛ f_out = f_clk/N
العدّاد المتموّج: f_max = 1/(n·t_pd)
العدّادان الحلقي وجونسون: n و 2n حالة

الطريقة

لدارة ما، اعمل من المداخل إلى المخرج بوابةً بوابةً واكتب القيمة على كل سلك، أو اكتب تعبيرها واملأ جدول الصدق.
للتبسيط ضع الآحاد (وحالات عدم الاكتراث على شكل X) في خريطة كارنو بصفوف وأعمدة بشيفرة غراي: 00, 01, 11, 10.
غطِّ الآحاد بأقل عدد ممكن وأكبر حجم ممكن من المجموعات ذات 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، مع الالتفاف حول الحواف؛ كل مجموعة حد جداء واحد من المتغيرات التي تبقى ثابتة. جمّع الأصفار للصيغة POS.
للقلّابات والعدّادات اقرأ المداخل عند كل حافة ساعة فعالة، واكتب الحالة بعد كل حافة، وتذكّر أن عدّادًا ذا n بتّات يلتف بعد 2ⁿ حالة.

نظرية الأعداد والحساب المودولي

القسمة مع الباقي: a = q·n + r, 0 ≤ r < n
إقليدس: gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
المضاعف المشترك الأصغر: lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
المعكوس: a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
التطابق الخطي: a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
دالة أويلر φ: φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
فيرما: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p)
RSA: n = pq, φ = (p − 1)(q − 1), d = e⁻¹ mod φ, c = mᵉ mod n, m = cᵈ mod n

الطريقة

اختزل كل عدد بالنسبة إلى n أولًا؛ البواقي تقع بين 0 و n − 1.
للقاسم المشترك الأكبر، اقسم مرارًا بخوارزمية إقليدس؛ آخر باقٍ غير صفري هو القاسم المشترك الأكبر.
للمعكوس، نفّذ الخوارزمية الموسّعة واحتفظ بمعامل a؛ أضف n إذا كان سالبًا.
حلّ a·x ≡ b بالضرب في a⁻¹؛ ولدمج تطابقين اكتب x = r₁ + m₁k.
للقوى اكتب الأس بالنظام الثنائي وربّع مرارًا؛ وفي RSA، d = e⁻¹ mod φ(n) مع φ(n) = (p − 1)(q − 1).

نظرية البيانات

مبرهنة المصافحة: Σ deg(v) = 2|E|
البيانات التامة: |E(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,n)| = m·n
البيان المنتظم: |E| = n·k/2
الشجرة والغابة: |E| = n − 1, |E| = n − c
أوراق الشجرة: L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
أويلر: الدارة: كل الدرجات زوجية؛ المسار: درجتان فرديتان بالضبط
دارات هاملتون في K_n: (n − 1)!/2
تحديث ديكسترا: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
المسارات (walks) بطول L: (Mᴸ)_ij

الطريقة

اكتب درجة كل رأس؛ مجموع الدرجات يساوي ضعف عدد الحواف.
في أسئلة أويلر، تحقّق من أن البيان متصل وعُدّ الرؤوس ذات الدرجة الفردية.
للأشجار استخدم n − 1 حافة ومبرهنة المصافحة.
في ديكسترا احتفظ بجدول للمسافات المؤقتة وثبّت في كل جولة أصغر رأس غير مثبّت.
لإيجاد شجرة ممتدة دنيا، رتّب الحواف بحسب الوزن وتخطَّ كل حافة تُغلق دورة (كروسكال)، أو أنمِ شجرة واحدة انطلاقًا من رأس البداية (برايم).

تقسيم شبكات IPv4

المضيفون في كل شبكة فرعية: 2^{(32 − prefix)} − 2 (/31: 2, /32: 1)
حجم الكتلة: 256 − (mask octet)
عنوان الشبكة: IP AND القناع
عنوان البث: IP OR (NOT mask): كل بتات المضيف = 1
الشبكات الفرعية من n بتات مستعارة: 2ⁿ

2مسائل تدريبية

1.أنظمة العدمتوسطة

اضبط البتات بحيث تخزن −40 في المتمم الثنائي بـ 8 بتات. إذا قُرئ كعدد بدون إشارة، فما قيمة النمط U؟

N = −408 bit

U =

2.أنظمة العدصعبة

اضبط البتات على الناتج بـ 8 بتات لـ 1010 0000 OR 1010 0000. ما قيمة الناتج R بالعشري؟

1010 0000OR1010 0000

R =

3.المنطق القضوي والبراهينمتوسطة

تريد إثبات (q ∨ p) → ¬r بالعكس النقيض. أي استلزام تبرهن بدلًا منه؟ انقر عليه.

(q ∨ p) → ¬r

1¬(q ∨ p) → ¬¬r
2¬¬r → ¬(q ∨ p)
3¬r → (q ∨ p)
4(q ∨ p) ∧ ¬¬r

4.المنطق القضوي والبراهينصعبة

المقدمات q ∨ p; ¬q ∨ r معطاة. أي استنتاج يلزم عنها؟ انقر عليه.

q ∨ p¬q ∨ r

1p ∧ r
2p ∨ r
3q ∨ r
4¬p

5.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة

لمضاعِف 4-إلى-1 مدخلا الاختيار S₁ = A و S₀ = B، ومداخل بياناته موصولة بـ I₀ = C, I₁ = 1, I₂ = 1, I₃ = 0. في كم من تركيبات A و B و C الثماني يكون المخرج F = 1؟ جد N.

I₀ = CI₁ = 1I₂ = 1I₃ = 0

N =

6.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة

ساعة 1 kHz تقود عدّاد mod-4. جد تردد f_out خرجه الأعلى وزنًا، الذي يُكمل دورة واحدة لكل دورة عدّ.

f_clk = 1 kHzN = 4

f_out = kHz

7.نظرية الأعداد والحساب المودوليمتوسطة

جد دالة أويلر φ φ(57)، أي عدد الأعداد الصحيحة من 1 إلى 57 التي أولية مع 57.

n = 57 = 3·19

φ(57) =

8.نظرية الأعداد والحساب المودوليصعبة

حلّ 76x ≡ 20 (mod 88). أعطِ أصغر حل موجب x.

76x ≡ 20 (mod 88)

x =

9.الخوارزميات والتعقيدمتوسطة

بقطع نقدية من فئات 1 و3 و4 ومبلغ 6، كم قطعة تستخدم الطريقة الجشعة "أكبر قطعة أولًا" مقارنةً بالحل الأمثل؟

Aتستخدم الجشعة قطعتين، والأمثل 2
Bتستخدم الجشعة 4 قطع، والأمثل 3
Cتستخدم الجشعة 3 قطع، والأمثل 3
Dتستخدم الجشعة 3 قطع، والأمثل 2

10.الخوارزميات والتعقيدصعبة

ما زمن تنفيذ خوارزمية Dijkstra مع كومة ثنائية على رسم بياني فيه V رأسًا وE حافة؟

AO((V + E) log V)
BO(V + E)
CO(V³)
DO(V × E)

11.هياكل البياناتمتوسطة

في جدول تجزئة يستخدم العنونة المفتوحة، ما أقصى معامل تحميل ممكن؟

Aلا يوجد حد أقصى
B1
C2
D0,5

12.هياكل البياناتصعبة

كم يستغرق البحث عن مفتاح اعتباطي في كومة ثنائية صغرى فيها n عنصر؟

AO(1)
BO(log n)
CO(log log n)
DO(n)

13.نظرية البياناتمتوسطة

بيان متصل له 13 رؤوس و19 حافة. كم حافة k يجب حذفها لتبقى شجرة ممتدة؟

|V| = 13|E| = 19

k =

14.نظرية البياناتصعبة

تعمل خوارزمية ديكسترا انطلاقًا من A. انقر على الرأس الذي يُثبَّت (يصبح دائمًا) في الجولة 6؛ A نفسه هو الجولة 1.

البداية: Aالجولة 6

15.قواعد البيانات و SQLمتوسطة

أي استعلام يُرجع أعلى راتب في كل قسم؟

ASELECT MAX(dept), salary FROM emp GROUP BY salary
BSELECT dept, MAX(salary) FROM emp GROUP BY dept
CSELECT dept, MAX(salary) FROM emp ORDER BY dept
DSELECT dept, salary FROM emp WHERE salary = MAX(salary)

16.قواعد البيانات و SQLصعبة

يُسقط الاستعلام FROM customers c LEFT JOIN orders o ON o.customer_id = c.id WHERE o.status = 'paid' على نحو غير متوقع العملاء الذين لا طلبات لهم. لماذا؟

Aلأن LEFT JOIN لا تُبقي الصفوف غير المتطابقة أبدًا
Bلأن شرط WHERE على o يرفض الصفوف المملوءة بـ NULL، فيحوّله إلى ربط داخلي
Cلأن status كلمة محجوزة
Dلأن الربط يجب أن يستخدم USING بدلًا من ON

17.شبكات الحاسوبمتوسطة

أي مضيف يقع في الشبكة الفرعية /16 نفسها مع 10.1.2.3؟

A10.1.200.5
B10.0.2.3
C10.2.2.3
D11.1.2.3

18.شبكات الحاسوبصعبة

يبدو تطبيق طرفية عن بُعد بطيئًا لأن حزم ضغطات المفاتيح الصغيرة تُحتجز. أي آلية في TCP كثيرًا ما تكون المسؤولة؟

Aخوارزمية Nagle
Bالبدء البطيء
Cالمصافحة الثلاثية
Dإعادة الإرسال السريعة

19.تقسيم شبكات IPv4متوسطة

يحتاج قسم إلى 1133 عنوان مضيف في شبكة فرعية واحدة. ما أطول بادئة p (أصغر شبكة فرعية) تكفي؟

1133 hosts

p =

20.تقسيم شبكات IPv4صعبة

لدى موجّه مسارات إلى هذه الشبكات: 10.52.138.0/24, 10.52.139.0/24. ما أطول طول بادئة p لمسار تلخيصي واحد يغطّيها كلها؟

10.52.138.0/24 … 10.52.139.0/24

p =

3المحاليل

1.أنظمة العد

الإجابة: U = 216

ضبط البتات: قيمة كل بت قوة للعدد اثنين (128 و64 … و1). الرقم السداسي عشري الواحد يساوي أربع بتات تمامًا، وفي المتمم الثنائي بـ 8 بتات تساوي قيمة البت الأيسر −128. وتعمل العمليات على مستوى البت على كل موضع بت على حدة.

اقلب وأضف واحدًا

40 = 0010 1000

مقلوب: 1101 0111

+1 → 1101 1000

اقرأه بلا إشارة

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

الإجابة

U = 216

2.أنظمة العد

الإجابة: R = 160

بتًا ببت

تعطي OR القيمة 1 حيث يكون أحد البتين على الأقل 1.

1010 0000

OR 1010 0000

= 1010 0000

قيمة الناتج

1010 0000₂ = 160

الإجابة

R = 160

3.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: ¬¬r → ¬(q ∨ p)

التكافؤ المنطقي: تتكافأ صيغتان (≡) عندما يكون لهما القيمة نفسها في كل صف من جدول الصدق. الحشو يساوي 1 في كل صف، والتناقض يساوي 0 في كل صف، والممكن ليس هذا ولا ذاك. قوانين مفيدة: دي مورغان، ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b و ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b؛ و a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (العكس النقيض)؛ و ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b؛ وقوانين التوزيع، a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

أجزاء الاستلزام

a = q ∨ p, b = ¬r

العكس النقيض

¬b → ¬a = ¬¬r → ¬(q ∨ p)

الإجابة

¬¬r → ¬(q ∨ p)

العكس النقيض يكافئ العبارة الأصلية، فإثباته يثبت العبارة.

4.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: p ∨ r

الكمّمات والحجج: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) و ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). انقل النفي إلى الداخل، وبدّل كل كمّم يمرّ به، وانفِ الصيغة الداخلية بقوانين المنطق القضوي، مثل ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. تكون الحجة صحيحة عندما يكون الاستنتاج 1 في كل صف تكون فيه كل المقدمات 1. صف واحد بمقدمات صائبة واستنتاج خاطئ هو مثال مضاد ويبيّن أن الحجة غير صحيحة.

الصفوف التي كل مقدماتها صائبة

p = 1, q = 1, r = 1: p ∧ r = 1, p ∨ r = 1, q ∨ r = 1, ¬p = 0

p = 1, q = 0, r = 1: p ∧ r = 1, p ∨ r = 1, q ∨ r = 1, ¬p = 0

p = 1, q = 0, r = 0: p ∧ r = 0, p ∨ r = 1, q ∨ r = 0, ¬p = 0

p = 0, q = 1, r = 1: p ∧ r = 0, p ∨ r = 1, q ∨ r = 1, ¬p = 1

الخلاصة

p ∨ r (الدقة)

الإجابة

p ∨ r

5.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 5

المضاعِف (MUX): يمرّر المضاعِف 2ⁿ-إلى-1 أحد مداخل البيانات إلى المخرج؛ وخطوط الاختيار، مقروءة كعدد ثنائي، تحدد أيّها. لمضاعِف 4-إلى-1 مع الاختيارين S₁S₀ = AB، F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. وبوصل مداخل البيانات بـ 0 أو 1 أو C أو C′ ينتج المضاعِف أي دالة في A و B و C، وهي طريقة شائعة لبناء المنطق بشريحة واحدة.

تعبير الخرج

F = A′B′C + A′B + AB′

الصفوف التي F = 1 فيها

ABC = 001, 010, 011, 100, 101

N = 5

الإجابة

N = 5

6.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: f_out = 0,25 kHz

القلّابات والعدّادات: لا يتغير القلّاب إلا عند الحافة الفعالة للساعة. يَنسخ D مدخله (Q⁺ = D)؛ و T يتبدّل عندما T = 1؛ و JK يحتفظ عند 00، ويصفّر عند 01، ويضبط عند 10، ويتبدّل عند 11. للعدّاد الثنائي ذي n بتّات 2ⁿ حالة ويعدّ بالنمط 2ⁿ؛ وعدّاد mod-N يعدّ 0 و 1 … حتى N − 1 ثم يعود إلى 0، ويحتاج إلى أصغر n يحقق 2ⁿ ≥ N قلّابات. تُنصّف كل مرحلة في العدّاد المتموّج التردد، فيعمل الخرج الأخير لعدّاد mod-N بالتردد f_clk/N. لعدّاد جونسون من n قلّابات 2n حالة، وللعدّاد الحلقي n.

قسمة التردد

f_out = 1 kHz / 4 = 0,25 kHz

الإجابة

f_out = 0,25 kHz

7.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: φ(57) = 36

المعكوسات والتطابقات: للعدد a معكوس بالنسبة إلى n بالضبط عندما gcd(a, n) = 1. تكتب خوارزمية إقليدس الموسّعة 1 = s·n + t·a، ثم a⁻¹ ≡ t (mod n). التطابق a·x ≡ b (mod n) مع gcd(a, n) = 1 حلّه x ≡ a⁻¹·b. لتطابقين x ≡ r₁ (mod m₁) و x ≡ r₂ (mod m₂) بمقياسين أوليين فيما بينهما حل واحد بالنسبة إلى m₁·m₂ (مبرهنة الباقي الصينية). تعدّ φ(n) لأويلر الأعداد من 1 إلى n التي أولية مع n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

العوامل الأولية

57 = 3·19

دالة أويلر φ

φ(57) = φ(3)·φ(19) = 2·18 = 36

الإجابة

φ(57) = 36

8.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: x = 13

اقسم على القاسم المشترك الأكبر

gcd(76, 88) = 4

19x ≡ 5 (mod 22)

حلّ التطابق المختزل

19⁻¹ ≡ 7 (mod 22) → x ≡ 13 (mod 22)

الحلول بالنسبة إلى 88

x ∈ {13, 35, 57, 79}

حواف الشجرة الممتدة

13 − 1 = 12

الحواف المراد حذفها

k = 19 − 12 = 7

الإجابة

k = 7

14.نظرية البيانات

الإجابة: D

أقصر المسارات والأشجار الممتدة: تثبّت خوارزمية ديكسترا رأسًا واحدًا في كل جولة: الرأس غير المثبّت ذا أصغر مسافة مؤقتة. تصبح مسافته نهائية، ويأخذ كل جار v القيمة d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). تبني خوارزمية كروسكال شجرة ممتدة دنيا بأخذ الحواف من الأخف إلى الأثقل وتخطّي كل حافة تُغلق دورة؛ وتنمّي خوارزمية برايم شجرة واحدة من رأس البداية بإضافة أخف حافة تغادرها دائمًا. وللشجرة الممتدة على n رأسًا n − 1 حافة.

ديكسترا جولةً جولةً

1. A (0): B: 12, C: 14

2. B (12): D: 22, G: 24

3. C (14): E: 21, G: 15

4. G (15)

5. E (21): F: 33

6. D (22): F: 27

تنتظر خوارزمية Nagle لتجميع المقاطع الصغيرة ما دامت البيانات السابقة غير مؤكَّدة. وهذا يوفر عرض النطاق لكنه يضيف تأخيرًا للحركة التفاعلية.

الإجابة

A · خوارزمية Nagle

19.تقسيم شبكات IPv4

الإجابة: p = 21

تقسيم شبكات IPv4: يتكون العنوان من 32 بتة. تحدد البادئة /p عدد البتات الأولى التي تعرّف الشبكة؛ وتُرقّم البتات المتبقية 32 − p المضيفين. تحتوي الشبكة الفرعية على 2³²⁻ᵖ عنوانًا، لكن الأول (عنوان الشبكة) والأخير (عنوان البث) لا يُعطيان للمضيفين، فيتسع 2³²⁻ᵖ − 2 مضيفًا. الاستثناءات: الشبكة /31 (وصلة من نقطة إلى نقطة، RFC 3021) تستخدم كلا عنوانَيها الـ 2 للمضيفين، والشبكة /32 عنوان واحد فقط (مضيف واحد أو عنوان loopback).

بتات المضيف اللازمة

2¹⁰ − 2 = 1022 < 1133

2¹¹ − 2 = 2046 ≥ 1133 → h = 11

طول البادئة

p = 32 − 11 = 21

الإجابة

p = /21

20.تقسيم شبكات IPv4

الإجابة: p = 23

تلخيص المسارات: المسار التلخيصي a.b.c.0/p يغطّي كل الشبكات التي تتطابق بتاتها الأولى p. اكتب الثُمانية المختلفة للشبكة الأولى والأخيرة بالنظام الثنائي؛ عدد البتات الأولى المشتركة، زائد بتات الثُمانيات التي قبلها، هو أطول بادئة تلخيصية.

قارن البتات

138 = 10001010

139 = 10001011

البتات الأولى المشتركة: 7

طول البادئة

p = 16 + 7 = 23

الإجابة

p = /23

المسار التلخيصي: 10.52.138.0/23

ExamProblems · examproblems.com/courses/computer-science-fundamentals