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

النمط ذو 8 بتات 1101 1101 يخزّن عددًا صحيحًا بإشارة بصيغة المتمم الثنائي. ما قيمته N في النظام العشري؟

1101 11018 bit

N =

2.أنظمة العدصعبة

ما أصغر (أكثر سالبية) عدد صحيح N يمكن تخزينه بالمتمم الثنائي ذي 20 بتة؟

20 bit

N =

3.المنطق القضوي والبراهينمتوسطة

أي صيغة تكافئ a ∨ (b ∧ c) منطقيًا؟ انقر عليها.

a ∨ (b ∧ c)

1a ∧ (b ∨ c)
2(a ∧ b) ∨ (a ∧ c)
3(a ∨ b) ∧ c
4(a ∨ b) ∧ (a ∨ c)

4.المنطق القضوي والبراهينصعبة

المقدمات c ∨ b; c → a; b → a معطاة. أي استنتاج يلزم عنها؟ انقر عليه.

c ∨ bc → ab → a

1¬a
2a
3c
4c ∧ b

5.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتمتوسطة

استخدم خريطة كارنو لإيجاد الصيغة الدنيا لجداء المجاميع (POS) للدالة F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 5, 6, 9, 11). كم حد مجموع (عاملًا) N فيها؟

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 5, 6, 9, 11)

N =

6.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّاباتصعبة

للدالة F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 11, 12, 13) + d(7, 10)، حيث تشير d إلى حالات عدم الاكتراث، جد عدد N المضمّنات الأولية الجوهرية (essential prime implicants).

F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 11, 12, 13) + d(7, 10)

N =

7.نظرية الأعداد والحساب المودوليمتوسطة

حلّ 60x ≡ 49 (mod 67). أعطِ الحل x مع 0 < x < 67.

60x ≡ 49 (mod 67)

x =

8.نظرية الأعداد والحساب المودوليصعبة

حلّ 74x ≡ 38 (mod 80). أعطِ أصغر حل موجب x.

74x ≡ 38 (mod 80)

x =

9.الخوارزميات والتعقيدمتوسطة

الحد الأدنى للفرز القائم على المقارنة في أسوأ الحالات هو:

AΩ(n²)
BΩ(n)
CΩ(n log n)
DΩ(log n)

10.الخوارزميات والتعقيدصعبة

كيف تُقارَن n! و2ⁿ عندما تكون n كبيرة؟

An! هي O(n²)
Bn! تنمو أسرع من 2ⁿ
C2ⁿ تنمو أسرع من n!
Dتنموان بالمعدل نفسه

11.هياكل البياناتمتوسطة

كم ذاكرة تستخدم قائمة التجاور لمخطط فيه V رأسًا وE حافة؟

AO(V × E)
BO(E²)
CO(V + E)
DO(V²)

12.هياكل البياناتصعبة

ماذا تفعل شجرة splay بعد كل وصول؟

Aتنقل العقدة التي وُصل إليها إلى ورقة
Bتدير العقدة التي وُصل إليها صعودًا إلى الجذر
Cتعيد تلوين العقد على مسار البحث
Dتعيد بناء الشجرة كلها بشكل متوازن

13.نظرية البياناتمتوسطة

لشجرة 3 رؤوس من الدرجة 3, 2 رؤوس من الدرجة 5, 2 رؤوس من الدرجة 2، وكل رؤوسها الأخرى أوراق (درجة 1). كم ورقة L لها؟

3 × deg 32 × deg 52 × deg 2

L =

14.نظرية البياناتصعبة

تعمل خوارزمية ديكسترا انطلاقًا من A. انقر على الرأس الذي يُثبَّت (يصبح دائمًا) في الجولة 5؛ A نفسه هو الجولة 1.

البداية: Aالجولة 5

15.قواعد البيانات و SQLمتوسطة

في الجدول a ثلاثة صفوف وفي الجدول b أربعة صفوف. كم صفًا يُرجع SELECT * FROM a CROSS JOIN b؟

16.قواعد البيانات و SQLصعبة

لربط مساواة بين جدولين كبيرين دون فهارس مفيدة، أي خوارزمية ربط يختارها المُحسِّن غالبًا؟

Aربط الخرائط النقطية على المفتاح الأساسي
Bربط الحلقات المتداخلة مع البحث في الفهرس
Cالربط التقاطعي
Dالربط بالتجزئة (Hash join)

17.شبكات الحاسوبمتوسطة

ما الذي يحدد بشكل فريد أحد طرفي اتصال TCP على الإنترنت؟

Aعنوان IP مع رقم منفذ
Bاسم نطاق وحده
Cعنوان MAC وحده
Dقناع شبكة فرعية وبوابة

18.شبكات الحاسوبصعبة

يهدف هجوم تسميم ذاكرة DNS المؤقتة (DNS cache poisoning) إلى:

Aإغراق خادم بالحركة حتى يتوقف عن الرد على الاستعلامات
Bسرقة كلمات مرور Wi-Fi
Cجعل المحلِّل (resolver) يخزّن عنوان IP مزيفًا لنطاق ما
Dحذف خوادم DNS

19.تقسيم شبكات IPv4متوسطة

يحتاج قسم إلى 998 عنوان مضيف في شبكة فرعية واحدة. ما أطول بادئة p (أصغر شبكة فرعية) تكفي؟

998 hosts

p =

20.تقسيم شبكات IPv4صعبة

لدى موجّه مسارات إلى هذه الشبكات: 10.0.99.0/24, 10.0.100.0/24. ما أطول طول بادئة p لمسار تلخيصي واحد يغطّيها كلها؟

10.0.99.0/24 … 10.0.100.0/24

p =

3المحاليل

1.أنظمة العد

الإجابة: N = −35

أنظمة العد الموضعية: قيمة كل رقم هي قيمته مضروبة في قوة من قوى الأساس. في النظام الثنائي تساوي المواضع 1، 2، 4، 8، 16، …؛ وفي السداسي عشري 1، 16، 256، …، حيث تمثل A–F القيم 10–15. في المتمم الثنائي ذي 8 بتات تساوي البتة اليسرى −128 بدلًا من +128، وهكذا تُخزَّن الأعداد السالبة.

اجمع القيم

تحتفظ البتات الأخرى بقيمها الموجبة المعتادة.

−128 + 64 + 16 + 8 + 4 + 1 = −35

الإجابة

N = −35

2.أنظمة العد

الإجابة: N = −524288

القيمة الأكثر سالبية

−2¹⁹ = −524288

الإجابة

N = −524288

3.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)

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).

القانون

∨ توزَّع على ∧: a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)

تحقق بجدول الصدق

a = 1, b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 1

a = 1, b = 1, c = 0: 1 | 1 1 0 1

a = 1, b = 0, c = 1: 1 | 1 1 1 1

a = 1, b = 0, c = 0: 1 | 0 0 0 1

a = 0, b = 1, c = 1: 1 | 0 0 1 1

a = 0, b = 1, c = 0: 0 | 0 0 0 0

a = 0, b = 0, c = 1: 0 | 0 0 0 0

a = 0, b = 0, c = 0: 0 | 0 0 0 0

الإجابة

(a ∨ b) ∧ (a ∨ c)

الأعمدة بعد الشريط هي الخيارات بالترتيب المعروض.

4.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: a

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

a = 1, b = 1, c = 1: ¬a = 0, a = 1, c = 1, c ∧ b = 1

a = 1, b = 1, c = 0: ¬a = 0, a = 1, c = 0, c ∧ b = 0

a = 1, b = 0, c = 1: ¬a = 0, a = 1, c = 1, c ∧ b = 0

الخلاصة

a (البرهان بالحالات)

الإجابة

5.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 5

خرائط كارنو: ترتَّب الخلايا بشيفرة غراي (00, 01, 11, 10)، فتختلف الخلايا المتجاورة، بما فيها تلك التي عبر الحواف، في متغير واحد بالضبط. جمّع الآحاد في مستطيلات من 1 أو 2 أو 4 أو 8 أو 16 خلية، بأكبر حجم وأقل عدد ممكنين، حتى يُغطى كل 1. كل مجموعة حد جداء واحد: المتغيرات التي تبقى ثابتة داخلها. المجموعة من 2ᵏ خلية تفقد k متغيرًا. يجوز استخدام حالات عدم الاكتراث (X) لتكبير المجموعات لكن لا يجب تغطيتها أبدًا. أما تجميع الأصفار فيعطي الصيغة الدنيا POS.

جمّع الأصفار

كل مجموعة مستطيل من 2ᵏ خلية؛ وخلايا الحافة جارة للخلايا على الحافة المقابلة.

(B + C′ + D)

(B′ + C′ + D′)

(A′ + D)

(A′ + B′)

(A + B + C + D′)

الصيغة الدنيا POS

F = (B + C′ + D)(B′ + C′ + D′)(A′ + D)(A′ + B′)(A + B + C + D′)

N = 5

الإجابة

N = 5

6.المنطق الرقمي: البوابات وخرائط كارنو والقلّابات

الإجابة: N = 3

المضمّنات الأولية

أكبر المجموعات التي يمكن تكوينها من الآحاد و X.

B′CD′, BC′D, A′BD, AB′C, ABC′

المضمّنات الأولية الجوهرية

B′CD′, AB′C, ABC′

N = 3

الإجابة

N = 3

7.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: x = 60

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).

معكوس 60

r = 67, t = 0

r = 60, q = 1, t = 1

r = 7, q = 8, t = −1

r = 4, q = 1, t = 9

r = 3, q = 1, t = −10

r = 1, q = 3, t = 19

60⁻¹ ≡ 19 (mod 67)

الحل

x ≡ 19·49 = 931 ≡ 60 (mod 67)

تحقّق: 60·60 = 3600 ≡ 49 (mod 67)

الإجابة

x = 60

8.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: x = 7

اقسم على القاسم المشترك الأكبر

gcd(74, 80) = 2

37x ≡ 19 (mod 40)

حلّ التطابق المختزل

37⁻¹ ≡ 13 (mod 40) → x ≡ 7 (mod 40)

الحلول بالنسبة إلى 80

x ∈ {7, 47}

مبرهنة المصافحة لشجرة

L + 23 = 2(L + 7) − 2

L = 11

الإجابة

L = 11

اختصار: L = 2 + Σ (d − 2) على الرؤوس ذات الدرجة d ≥ 3.

14.نظرية البيانات

الإجابة: F

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: 5, C: 10

2. B (5): C: 8, D: 6

3. D (6): E: 21, F: 18

4. C (8)

5. F (18)

يُدرج التسميم سجلات مزورة في الذاكرة المؤقتة للمحلِّل. ويضيف DNSSEC تواقيع حتى تتمكن المحلِّلات من التحقق من السجلات.

الإجابة

C · جعل المحلِّل (resolver) يخزّن عنوان IP مزيفًا لنطاق ما

19.تقسيم شبكات IPv4

الإجابة: p = 22

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

2⁹ − 2 = 510 < 998

2¹⁰ − 2 = 1022 ≥ 998 → h = 10

طول البادئة

p = 32 − 10 = 22

الإجابة

p = /22

20.تقسيم شبكات IPv4

الإجابة: p = 21

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

99 = 01100011

100 = 01100100

البتات الأولى المشتركة: 5

طول البادئة

p = 16 + 5 = 21

الإجابة

p = /21

المسار التلخيصي: 10.0.96.0/21 (وهو يغطّي أيضًا 6 شبكة (شبكات) ليست في القائمة).

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