n Bit: 2ⁿ Zustände; Mod-N: kleinstes n mit 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Asynchronzähler
fmax = 1/(n·tpd)
Ring- und Johnson-Zähler
n und 2n Zustände
Methode
Gehe bei einer Schaltung von den Eingängen zum Ausgang vor, ein Gatter nach dem anderen, und schreibe den Wert an jede Leitung, oder schreibe ihren Ausdruck auf und fülle die Wahrheitstabelle aus.
Trage zum Vereinfachen die Einsen (und die Don’t-Cares als X) in ein Karnaugh-Diagramm mit Zeilen und Spalten im Gray-Code ein: 00, 01, 11, 10.
Decke die Einsen mit möglichst wenigen und möglichst großen Gruppen aus 1, 2, 4, 8 oder 16 Feldern ab, auch über den Rand hinweg; jede Gruppe ist ein Produktterm aus den Variablen, die konstant bleiben. Fasse für die POS-Form die Nullen zusammen.
Lies bei Flipflops und Zählern die Eingänge an jeder aktiven Taktflanke ab, schreibe den Zustand nach jeder Flanke auf und denke daran, dass ein n-Bit-Zähler nach 2ⁿ Zuständen überläuft.
Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Division mit Rest
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euklid
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Kleinstes gemeinsames Vielfaches
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inverse
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Lineare Kongruenz
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Eulersche φ-Funktion
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Fermat
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
Methode
Reduziere zuerst jede Zahl modulo n; die Reste liegen zwischen 0 und n − 1.
Teile für einen ggT wiederholt mit dem euklidischen Algorithmus; der letzte Rest ungleich null ist der ggT.
Führe für ein Inverses den erweiterten Algorithmus aus und behalte den Koeffizienten von a; addiere n, falls er negativ ist.
Löse a·x ≡ b, indem du mit a⁻¹ multiplizierst; kombiniere zwei Kongruenzen, indem du x = r₁ + m₁k schreibst.
Schreibe bei Potenzen den Exponenten binär und quadriere wiederholt; bei RSA gilt d = e⁻¹ mod φ(n) mit φ(n) = (p − 1)(q − 1).
Graphentheorie
Handschlaglemma
Σ deg(v) = 2|E|
Vollständige Graphen
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Regulärer Graph
|E| = n·k/2
Baum und Wald
|E| = n − 1, |E| = n − c
Blätter eines Baums
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
Kreis: alle Grade gerade; Weg: genau 2 ungerade Grade
Hamilton-Kreise in Kn
(n − 1)!/2
Dijkstra-Aktualisierung
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wege der Länge L
(Mᴸ)ij
Methode
Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
Sortiere für einen minimalen aufspannenden Baum die Kanten nach Gewicht und überspringe jede Kante, die einen Kreis schließt (Kruskal), oder lass einen Baum von einem Startknoten aus wachsen (Prim).
IPv4-Subnetting
Hosts pro Subnetz
2(32 − prefix) − 2 (/31: 2, /32: 1)
Blockgröße
256 − (mask octet)
Netzadresse
IP AND Maske
Broadcast-Adresse
IP OR (NOT Maske): alle Host-Bits auf 1
Subnetze aus n geliehenen Bits
2n
2Übungsaufgaben
1.ZahlensystemeMittel
Schreibe −53 als 8-Bit-Muster im Zweierkomplement. Lies das Muster als vorzeichenlose Binärzahl: Welchen Wert U hat es im Dezimalsystem?
N = −538 bit
U =
2.ZahlensystemeSchwer
Setze die Bits auf das 8-Bit-Ergebnis von 1111 0110 XOR 1011 0111. Welchen Wert R hat das Ergebnis dezimal?
1111 0110XOR1011 0111
R =
3.Aussagenlogik & BeweiseMittel
Ist ((r ∨ q) ∧ r) → ¬q eine Tautologie, eine Kontradiktion oder eine Kontingenz? Klicke deine Antwort an.
((r ∨ q) ∧ r) → ¬q
1Tautologie
2Kontradiktion
3Kontingenz
4.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
Welche Aussage ist äquivalent zu ¬∃x (A(x) → B(x)), wenn die Negation ganz nach innen gezogen ist? Klicke sie an.
Bestimme mit dem Karnaugh-Diagramm das minimale Produkt von Summen (POS) von F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 6, 7, 9, 12, 15). Wie viele Summenterme (Faktoren) N hat es?
Bestimme die minimale SOP-Form von F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 10, 12, 13, 15) + d(4, 8), wobei d die Don’t-Care-Bedingungen kennzeichnet. Wie viele Produktterme N hat sie?
Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(19), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 19, die zu 19 teilerfremd sind.
n = 19 = 19
φ(19) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
43 ist eine Primzahl. Bestimme 1752250 mod 43 mit dem kleinen Satz von Fermat.
p = 43k = 52250
1752250 mod 43 =
9.Algorithmen & KomplexitätMittel
Was bedeutet es, dass ein Problem optimale Teilstruktur hat?
ADas Problem hat genau eine optimale Lösung, die jedes Teilproblem teilt
BJedes Teilproblem hat dieselbe Größe
CDas Problem kann in konstanter Zeit gelöst werden
DEine optimale Lösung lässt sich aus optimalen Lösungen seiner Teilprobleme zusammensetzen
10.Algorithmen & KomplexitätSchwer
Wie hoch sind die amortisierten Kosten für das Inkrementieren eines Binärzählers, wenn ein einzelnes Inkrement viele Bits umschalten kann?
AO(n log n) pro Inkrement
BO(log n) pro Inkrement
CO(n) pro Inkrement
DO(1) pro Inkrement
11.DatenstrukturenMittel
Wo liegt in einem binären Heap, der in einem Array ab Index 0 gespeichert ist, der Elternknoten des Knotens mit Index i?
ABei Index i − 1
BBei Index 2i + 1
CBei Index ⌊(i − 1) / 2⌋
DBei Index ⌊i / 2⌋ + 1
12.DatenstrukturenSchwer
Wie hoch sind ohne Union by Rank und Pfadkompression die Kosten eines einzelnen find im schlechtesten Fall in einer Union-Find-Struktur mit n Elementen?
AO(1)
BO(n)
CO(α(n))
DO(log n)
13.GraphentheorieMittel
Hat der zusammenhängende Graph einen Euler-Kreis, einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, oder keines von beiden? Klicke deine Antwort an.
|V| = 5|E| = 6
1Euler-Kreis
2Euler-Weg, kein Kreis
3keines von beiden
14.GraphentheorieSchwer
Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf. Klicke die Kante an, die er als Kante Nummer 5 hinzufügt; übersprungene Kanten zählen nicht.
k = 5
1Kante AB
2Kante BC
3Kante BD
4Kante CE
5Kante DE
6Kante DF
7Kante EF
8Kante BE
15.Datenbanken & SQLMittel
Welcher SQL-Klausel entspricht in der relationalen Algebra der Selektionsoperator (σ)?
AWHERE
BSELECT-Liste
CGROUP BY
DORDER BY
16.Datenbanken & SQLSchwer
Wann ist die Zerlegung von R in R1 und R2 garantiert verlustfrei?
AWenn R1 und R2 gleich viele Spalten haben
BWenn R1 und R2 keine gemeinsamen Attribute haben
CWenn jedes Attribut von R sowohl in R1 als auch in R2 vorkommt
DWenn die gemeinsamen Attribute von R1 und R2 einen Superschlüssel von R1 oder von R2 bilden
17.RechnernetzeMittel
Welcher dieser Bereiche ist ein privater IPv4-Adressbereich?
A8.8.8.0/24
B100.0.0.0/8
C192.168.0.0/16
D200.1.1.0/24
18.RechnernetzeSchwer
Was macht BGP hauptsächlich im Internet?
AEs löst Namen in Adressen auf
BEs tauscht Routing-Informationen zwischen autonomen Systemen aus
CEs verschlüsselt Daten zwischen Routern
DEs vergibt über ihre Internetanbieter IP-Adressen an Privatnutzer
19.IPv4-SubnettingMittel
Das Netz 172.17.0.0/16 wird in gleich große Subnetze mit dem Präfix /21 aufgeteilt. Wie viele Subnetze N gibt es?
172.17.0.0/16/21
N =
20.IPv4-SubnettingSchwer
Ein Host hat die Adresse 10.20.220.11/29. Welches ist das vierte Oktett x der letzten nutzbaren Hostadresse in seinem Subnetz?
10.20.220.11/29
x =
3Lösungen
1.Zahlensysteme
Antwort: U = 203
Stellenwertsysteme: Jede Ziffer ist ihren Wert mal eine Potenz der Basis wert. Im Binärsystem sind die Stellen 1, 2, 4, 8, 16, … wert, im Hexadezimalsystem 1, 16, 256, …, wobei A–F für 10–15 stehen. Im 8-Bit-Zweierkomplement ist das linke Bit −128 statt +128 wert; so werden negative Zahlen gespeichert.
Invertieren und eins addieren
53 = 0011 0101
invertiert: 1100 1010
+1 → 1100 1011
Vorzeichenlos lesen
1100 1011₂ = 256 − 53 = 203
Antwort
U = 203
2.Zahlensysteme
Antwort: R = 65
Bits setzen: Jedes Bit hat den Wert einer Zweierpotenz (128, 64, …, 1). Eine Hexadezimalziffer entspricht genau vier Bits, und im 8-Bit-Zweierkomplement hat das linke Bit den Wert −128. Bitweise Operationen wirken auf jede Bitposition einzeln.
Bit für Bit
XOR ergibt 1, wo sich die beiden Bits unterscheiden.
1111 0110
XOR 1011 0111
= 0100 0001
Wert des Ergebnisses
0100 0001₂ = 65
Antwort
R = 65
3.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: Kontingenz
Logische Äquivalenz: Zwei Formeln sind äquivalent (≡), wenn sie in jeder Zeile der Wahrheitstafel denselben Wert haben. Eine Tautologie ist in jeder Zeile 1, eine Kontradiktion in jeder Zeile 0, und eine Kontingenz ist keines von beiden. Nützliche Gesetze: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b und ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (Kontraposition); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; und die Distributivgesetze, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).
Wahrheitstafel Zeile für Zeile
q = 1, r = 1: r ∨ q = 1, (r ∨ q) ∧ r = 1, ¬q = 0, ((r ∨ q) ∧ r) → ¬q = 0
q = 1, r = 0: r ∨ q = 1, (r ∨ q) ∧ r = 0, ¬q = 0, ((r ∨ q) ∧ r) → ¬q = 1
q = 0, r = 1: r ∨ q = 1, (r ∨ q) ∧ r = 1, ¬q = 1, ((r ∨ q) ∧ r) → ¬q = 1
q = 0, r = 0: r ∨ q = 0, (r ∨ q) ∧ r = 0, ¬q = 1, ((r ∨ q) ∧ r) → ¬q = 1
Einordnen
((r ∨ q) ∧ r) → ¬q: 0, 1, 1, 1
1 in 3 der 4 Zeilen, 0 in den anderen: eine Kontingenz.
Antwort
Kontingenz
4.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: ∀x (A(x) ∧ ¬B(x))
Quantoren und Argumente: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) und ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Ziehe eine Negation nach innen, vertausche jeden Quantor, den sie passiert, und negiere die innere Formel mit den aussagenlogischen Gesetzen, etwa ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Ein Argument ist gültig, wenn die Konklusion in jeder Zeile 1 ist, in der alle Prämissen 1 sind. Eine einzige Zeile mit wahren Prämissen und falscher Konklusion ist ein Gegenbeispiel und zeigt, dass das Argument ungültig ist.
Die Negation nach innen ziehen
¬∃x (A(x) → B(x)) ≡ ∀x (A(x) ∧ ¬B(x))
Antwort
∀x (A(x) ∧ ¬B(x))
Die anderen Optionen lassen entweder einen Quantor unverändert, ändern die Reihenfolge der Quantoren oder negieren die innere Formel falsch.
Karnaugh-Diagramme: Die Felder sind im Gray-Code (00, 01, 11, 10) angeordnet, benachbarte Felder, auch die über den Rand hinweg, unterscheiden sich also in genau einer Variablen. Fasse die Einsen in Rechtecken aus 1, 2, 4, 8 oder 16 Feldern zusammen, so groß und so wenige wie möglich, bis jede 1 abgedeckt ist. Jede Gruppe ist ein Produktterm: die Variablen, die in ihr konstant bleiben. Eine Gruppe aus 2ᵏ Feldern verliert k Variablen. Don’t-Cares (X) dürfen genutzt werden, um Gruppen zu vergrößern, müssen aber nie abgedeckt werden. Fasst du stattdessen die Nullen zusammen, erhältst du die minimale POS-Form.
Die Nullen zusammenfassen
Jede Gruppe ist ein Rechteck aus 2ᵏ Feldern; Randfelder sind Nachbarn der Felder am gegenüberliegenden Rand.
(B + C′ + D′)
(B′ + C + D′)
(A′ + C′ + D)
(A′ + B + D)
(A + B′ + C)
Minimale POS-Form
F = (B + C′ + D′)(B′ + C + D′)(A′ + C′ + D)(A′ + B + D)(A + B′ + C)
Karnaugh-Diagramme: Die Felder sind im Gray-Code (00, 01, 11, 10) angeordnet, benachbarte Felder, auch die über den Rand hinweg, unterscheiden sich also in genau einer Variablen. Fasse die Einsen in Rechtecken aus 1, 2, 4, 8 oder 16 Feldern zusammen, so groß und so wenige wie möglich, bis jede 1 abgedeckt ist. Jede Gruppe ist ein Produktterm: die Variablen, die in ihr konstant bleiben. Eine Gruppe aus 2ᵏ Feldern verliert k Variablen. Don’t-Cares (X) dürfen genutzt werden, um Gruppen zu vergrößern, müssen aber nie abgedeckt werden. Fasst du stattdessen die Nullen zusammen, erhältst du die minimale POS-Form.
Primimplikanten
Die größten Gruppen, die sich aus Einsen und X bilden lassen.
C′D′, A′B′D, AB′D′, ABD, A′B′C′, ABC′
Minimale Überdeckung
F = C′D′ + A′B′D + AB′D′ + ABD
N = 4
Antwort
N = 4
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: φ(19) = 18
Inverse und Kongruenzen: a hat genau dann ein Inverses modulo n, wenn ggT(a, n) = 1. Der erweiterte euklidische Algorithmus schreibt 1 = s·n + t·a, und dann ist a⁻¹ ≡ t (mod n). Eine Kongruenz a·x ≡ b (mod n) mit ggT(a, n) = 1 hat die Lösung x ≡ a⁻¹·b. Zwei Kongruenzen x ≡ r₁ (mod m₁) und x ≡ r₂ (mod m₂) mit teilerfremden Moduln haben eine Lösung modulo m₁·m₂ (chinesischer Restsatz). Eulers φ(n) zählt die Zahlen von 1 bis n, die zu n teilerfremd sind: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).
Primfaktoren
19 = 19
φ-Wert
φ(19) = 19 − 1 = 18
Antwort
φ(19) = 18
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: 1752250 mod 43 = 31
Modulare Potenzen und RSA: Berechne aᵏ mod n durch wiederholtes Quadrieren: Schreibe k binär, quadriere, reduziere nach jedem Schritt und multipliziere die Potenzen, deren Bit 1 ist. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) für eine Primzahl p, die a nicht teilt, der Exponent lässt sich also modulo p − 1 reduzieren. RSA: Wähle Primzahlen p und q, n = p·q und φ(n) = (p − 1)(q − 1); der öffentliche Exponent e ist teilerfremd zu φ(n), und der private Exponent ist d = e⁻¹ mod φ(n). Verschlüssele mit c = mᵉ mod n und entschlüssele mit m = cᵈ mod n.
Den Exponenten reduzieren
52250 mod 42 = 2
1752250 ≡ 172 (mod 43)
Kleine Potenz
172 mod 43 = 31
Antwort
1752250 mod 43 = 31
9.Algorithmen & Komplexität
Antwort: D · Eine optimale Lösung lässt sich aus optimalen Lösungen seiner Teilprobleme zusammensetzen
Warum das die Antwort ist
Optimale Teilstruktur ist sowohl für Greedy-Algorithmen als auch für dynamische Programmierung nötig, damit sie korrekte Ergebnisse liefern.
Antwort
D · Eine optimale Lösung lässt sich aus optimalen Lösungen seiner Teilprobleme zusammensetzen
10.Algorithmen & Komplexität
Antwort: D · O(1) pro Inkrement
Warum das die Antwort ist
Über n Inkremente schaltet Bit i etwa n / 2ⁱ-mal um, also sind es insgesamt weniger als 2n Umschaltungen, im Durchschnitt O(1) pro Inkrement.
Antwort
D · O(1) pro Inkrement
11.Datenstrukturen
Antwort: C · Bei Index ⌊(i − 1) / 2⌋
Warum das die Antwort ist
Die Kinder von i liegen bei 2i + 1 und 2i + 2, also liegt der Elternknoten von i bei ⌊(i − 1) / 2⌋; bei 1-basierter Indizierung ist es ⌊i / 2⌋.
Antwort
C · Bei Index ⌊(i − 1) / 2⌋
12.Datenstrukturen
Antwort: B · O(n)
Warum das die Antwort ist
Naive Vereinigungen können Bäume zu einer langen Kette verbinden, sodass find n − 1 Elternzeigern folgen muss; die beiden Heuristiken bringen es nahe an konstante Kosten.
Antwort
B · O(n)
13.Graphentheorie
Antwort: keines von beiden
Euler, Hamilton und Bäume: Ein zusammenhängender Graph hat einen Euler-Kreis (jede Kante einmal, zurück zum Start), wenn jeder Knoten geraden Grad hat, und einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, wenn genau zwei Knoten ungeraden Grad haben; der Weg verläuft dann von einem ungeraden Knoten zum anderen. Ein Hamilton-Kreis besucht jeden Knoten einmal; Kn hat (n − 1)!/2 davon. Ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten, und ein zusammenhängender Graph mit m Kanten behält einen aufspannenden Baum, wenn man m − n + 1 Kanten entfernt.
Kürzeste Wege und aufspannende Bäume: Der Dijkstra-Algorithmus schließt in jeder Runde einen Knoten ab: den offenen Knoten mit dem kleinsten vorläufigen Abstand. Sein Abstand ist dann endgültig, und jeder Nachbar v erhält d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf, indem er die Kanten von leicht nach schwer nimmt und jede Kante überspringt, die einen Kreis schließen würde; der Prim-Algorithmus lässt einen Baum von einem Startknoten aus wachsen, indem er immer die leichteste Kante hinzufügt, die aus ihm herausführt. Ein aufspannender Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.
Kruskal-Algorithmus
1. DE (1)
2. BE (4)
3. DF (5)
4. CE (7)
5. AB (18)
Kantennummer 5
AB
Antwort
Kante AB
15.Datenbanken & SQL
Antwort: A · WHERE
Warum das die Antwort ist
σcondition(R) liefert die Tupel von R, die die Bedingung erfüllen, wie eine WHERE-Klausel.
Antwort
A · WHERE
16.Datenbanken & SQL
Antwort: D · Wenn die gemeinsamen Attribute von R1 und R2 einen Superschlüssel von R1 oder von R2 bilden
Warum das die Antwort ist
Bestimmen die gemeinsamen Attribute alle Attribute von R1 oder von R2, liefert das erneute Verbinden genau die ursprünglichen Zeilen und keine unechten Tupel.
Antwort
D · Wenn die gemeinsamen Attribute von R1 und R2 einen Superschlüssel von R1 oder von R2 bilden
17.Rechnernetze
Antwort: C · 192.168.0.0/16
Warum das die Antwort ist
Private Bereiche sind 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 und 192.168.0.0/16; sie werden im öffentlichen Internet nicht geroutet.
Antwort
C · 192.168.0.0/16
18.Rechnernetze
Antwort: B · Es tauscht Routing-Informationen zwischen autonomen Systemen aus
Warum das die Antwort ist
BGP ist das Inter-Domain-Routingprotokoll; autonome Systeme (AS) kündigen erreichbare Präfixe an und wählen Pfade anhand von Richtlinien (Policies).
Antwort
B · Es tauscht Routing-Informationen zwischen autonomen Systemen aus
19.IPv4-Subnetting
Antwort: N = 32
IPv4 subnetting: an address has 32 bits. The prefix /p says how many leading bits identify the network; the remaining 32 − p bits number the hosts. A subnet has 2³²⁻ᵖ addresses, but the first (network address) and last (broadcast address) cannot be given to hosts, so 2³²⁻ᵖ − 2 hosts fit. Exceptions: a /31 (point-to-point link, RFC 3021) uses both of its 2 addresses for hosts, and a /32 is one single address (a single host or a loopback).
Geliehene Bits
21 − 16 = 5
Anzahl der Subnetze
N = 25 = 32
Antwort
N = 32
Jedes /21-Subnetz hat 211 − 2 = 2046 nutzbare Hosts.
20.IPv4-Subnetting
Antwort: x = 14
IPv4-Subnetting: Eine Adresse hat 32 Bits. Das Präfix /p gibt an, wie viele führende Bits das Netz bezeichnen; die übrigen 32 − p Bits nummerieren die Hosts. Ein Subnetz hat 2³²⁻ᵖ Adressen, aber die erste (Netzadresse) und die letzte (Broadcast-Adresse) können keinem Host gegeben werden, also passen 2³²⁻ᵖ − 2 Hosts hinein. Ausnahmen: Ein /31 (Punkt-zu-Punkt-Verbindung, RFC 3021) nutzt beide seiner 2 Adressen für Hosts, und ein /32 ist eine einzelne Adresse (ein einzelner Host oder ein Loopback).