计算机科学导论:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

命题逻辑与证明

真值表的行数
2ⁿ
蕴涵
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
蕴涵的否定
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
双条件
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
德摩根律
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
分配律
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
量词的否定
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
肯定前件,否定后件
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

方法

  1. 数一数不同变量的个数:真值表有 2ⁿ 行,从全为 1 的一行开始。
  2. 给每个子公式单独一列,由内向外逐列填写。
  3. 按各联结词的规则计算:→ 只有在 1 → 0 时为 0,↔ 在两边相同时为 1。
  4. 判断等价时,逐行比较最后一列;判断论证时,只看所有前提都为 1 的那些行。
  5. 否定带量词的命题时,把 ¬ 移到内部,交换 ∀ 和 ∃,并否定内部的公式。

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

数论与模运算

带余除法
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
欧几里得
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
最小公倍数
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
逆矩阵
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
线性同余方程
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
欧拉函数
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
费马
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

方法

  1. 先把每个数对 n 取模;余数在 0 到 n − 1 之间。
  2. 求最大公约数时,用欧几里得算法反复做除法;最后一个非零余数就是最大公约数。
  3. 求逆元时,运行扩展算法并保留 a 的系数;若为负数则加上 n。
  4. 解 a·x ≡ b 时,两边乘以 a⁻¹;合并两个同余式时,写成 x = r₁ + m₁k。
  5. 求幂时,把指数写成二进制并反复平方;在 RSA 中,d = e⁻¹ mod φ(n),其中 φ(n) = (p − 1)(q − 1)。

图论

握手引理
Σ deg(v) = 2|E|
完全图
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
正则图
|E| = n·k/2
树与森林
|E| = n − 1, |E| = n − c
树的叶子
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
欧拉
回路:所有顶点度数为偶数; 通路:恰有 2 个奇度顶点
Kn 中的哈密顿回路
(n − 1)!/2
迪杰斯特拉更新
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
长度为 L 的途径
(Mᴸ)ij

方法

  1. 写出每个顶点的度数;所有度数之和等于边数的两倍。
  2. 对于欧拉问题,先检查图是否连通,再数一数奇度顶点的个数。
  3. 对于树,利用 n − 1 条边和握手引理。
  4. 对于迪杰斯特拉算法,保留一张暂定距离表,每一轮确定未确定顶点中距离最小的那个。
  5. 对于最小生成树,把边按权重排序,跳过每条会形成圈的边(克鲁斯卡尔算法),或者从一个起点出发扩展一棵树(普里姆算法)。

IPv4 子网划分

每个子网的主机数
2(32 − prefix) − 2 (/31: 2, /32: 1)
块大小
256 − (mask octet)
网络地址
IP AND 掩码
广播地址
IP OR (NOT 掩码):主机位全部置 1
借用 n 位得到的子网数
2n

2练习题

1.数制中等
补码中的位权1−12816403211608140211

8 位模式 1101 0101 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1101 01018 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1010 1000 XOR 0001 1101 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1010 1000XOR0001 1101
R =
3.命题逻辑与证明中等
c ∧ (a → b)c → (a → b)(c → a) → b(c → b) ∧ (a → b)

哪个公式与 (c ∧ a) → b 在逻辑上等价?点选它。

(c ∧ a) → b
  1. 1c ∧ (a → b)
  2. 2c → (a → b)
  3. 3(c → a) → b
  4. 4(c → b) ∧ (a → b)
4.命题逻辑与证明困难
q¬q¬q ∧ rr

已知前提 q → p; p → r; ¬r。由它们可以推出哪个结论?点选它。

q → pp → r¬r
  1. 1q
  2. 2¬q
  3. 3¬q ∧ r
  4. 4r
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010312141517061120130150141819011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 7, 8, 9, 12) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 4, 5, 7, 8, 9, 12)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT123456

一个上升沿触发的 T 触发器从 Q = 0 开始,在 6 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?

Q₀ = 0T
N =
7.数论与模运算中等

求欧拉函数 φ(1331),即 1 到 1331 中与 1331 互素的整数个数。

n = 1331 = 113
φ(1331) =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n1456m = cd​ mod n?(n, e) = (1763, 13)d

某个 RSA 密钥使用 p = 41,q = 43,e = 13。解密密文 c = 1456:求消息 m。

p = 41q = 43e = 13c = 1456
m =
9.算法与复杂度中等

快速排序的最坏情况时间复杂度是多少?

  1. AO(log n)
  2. BO(n log n)
  3. CO(n²)
  4. DO(n)
10.算法与复杂度困难

如果有人为某个 NP 完全问题找到了多项式时间算法,会有什么结果?

  1. A只有那一个问题会进入 P
  2. BNP 中的每个问题都能在多项式时间内求解,因此 P = NP
  3. C停机问题将变得可判定
  4. D所有指数时间算法都会立即变成线性时间
11.数据结构中等

关于无向图的邻接矩阵,下列哪项是正确的?

  1. A它总是上三角矩阵
  2. B它关于主对角线对称
  3. C它的主对角线上总是 1
  4. D每一行恰好有一个 1
12.数据结构困难

在一棵根为 50、左子树为 30(子节点 20、40)、右子树为 70(子节点 60、80)的 BST 中,用中序后继删除根。哪个键成为新的根?

  1. A40
  2. B60
  3. C70
  4. D80
13.图论中等
ABCDEFG欧拉回路有欧拉通路,无回路都不是

这个连通图有欧拉回路、有不是回路的欧拉通路,还是两者都没有?点选你的答案。

|V| = 7|E| = 9
  1. 1欧拉回路
  2. 2有欧拉通路,无回路
  3. 3都不是
14.图论困难
15161962141ABCDE

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 5|E| = 7
W =
15.数据库与 SQL中等

在关系代数中,选择运算符(σ)对应于哪个 SQL 子句?

  1. AWHERE
  2. BORDER BY
  3. CSELECT 列表
  4. DGROUP BY
16.数据库与 SQL困难

为什么在生产查询中使用 NATURAL JOIN 被认为有风险?

  1. A没有任何数据库支持它
  2. B它在所有同名列上连接,因此新增一列可能悄无声息地改变结果
  3. C它忽略主键和外键,只保留 NULL 行
  4. D它总是返回笛卡尔积
17.计算机网络中等

传统的共享式(半双工)以太网使用哪种介质访问方法?

  1. A令牌传递
  2. BCSMA/CD
  3. CCSMA/CA
  4. DTDMA
18.计算机网络困难

一台 8 端口交换机(无 VLAN)的每个端口上连接一台主机。共有多少个冲突域和广播域?

  1. A1 个冲突域,8 个广播域
  2. B1 个冲突域,1 个广播域
  3. C8 个冲突域,1 个广播域
  4. D8 个冲突域,8 个广播域
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111111110000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 124 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

124 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 181112806413211608140211网络主机

某主机地址为 10.20.200.181/30。其网络地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.200.181/30
x =

3溶液

1.数制

答案: N = −43

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 64 + 16 + 4 + 1 = −43

答案

N = −43
2.数制

答案: R = 181

设置比特位:每一位对应 2 的一个幂(128、64、…、1)。一个十六进制数字恰好是四位,在 8 位补码中最左边的位权重为 −128。按位运算对每个位位置分别进行。

逐位计算

XOR 在两位不同时得 1。

1010 1000
XOR 0001 1101
= 1011 0101

结果的值

1011 0101₂ = 181

答案

R = 181
3.命题逻辑与证明

答案: c → (a → b)

逻辑等价:两个公式在真值表的每一行取值都相同时,它们是等价(≡)的。重言式在每一行都为 1,矛盾式在每一行都为 0,偶然式则两者都不是。常用定律:德摩根律,¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b 和 ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b;a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a(逆否命题);¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b;以及分配律,a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)。

定律

输出律:(a ∧ b) → c ≡ a → (b → c)。两者都只有在 a = 1、b = 1 且 c = 0 时才为 0。
(c ∧ a) → b ≡ c → (a → b)

用真值表检验

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

答案

c → (a → b)

竖线之后的各列是按所示顺序排列的各个选项。

4.命题逻辑与证明

答案: ¬q

量词与论证:¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x),¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)。把否定向内移动,交换它经过的每个量词,并用命题逻辑的定律否定内部的公式,例如 ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b。当所有前提为 1 的每一行中结论也为 1 时,论证是有效的。只要有一行前提为真而结论为假,它就是反例,说明论证无效。

所有前提都为真的行

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

结论

¬q (两次否定后件式)

答案

¬q
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 5

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

ABCD000111100001111000010312141517061120130150141819011010

圈 0

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

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

最简 POS 形式

F = (B + C′ + D′)(B′ + C′ + D)(A′ + C′)(A′ + B′ + D′)(A + B + C)
N = 5

答案

N = 5

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 5

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

每个边沿之后的 Q

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 1 → Q = 0
4: T = 1 → Q = 1
5: T = 1 → Q = 0
6: T = 1 → Q = 1

数出变化的次数

0 → 1 → 1 → 0 → 1 → 0 → 1
N = 5

答案

N = 5
7.数论与模运算

答案: φ(1331) = 1210

逆元与同余式:a 模 n 有逆元,当且仅当 gcd(a, n) = 1。扩展欧几里得算法把 1 写成 s·n + t·a,于是 a⁻¹ ≡ t (mod n)。当 gcd(a, n) = 1 时,同余式 a·x ≡ b (mod n) 的解为 x ≡ a⁻¹·b。模数互素的两个同余式 x ≡ r₁ (mod m₁) 和 x ≡ r₂ (mod m₂) 在模 m₁·m₂ 下有唯一解(中国剩余定理)。欧拉函数 φ(n) 表示 1 到 n 中与 n 互素的数的个数:φ(n) = n·∏(1 − 1/p)。

素因数

1331 = 113

欧拉函数值

φ(1331) = 1331 − 121 = 1210

答案

φ(1331) = 1210
8.数论与模运算

答案: m = 295

模幂与 RSA:用反复平方法计算 aᵏ mod n:把 k 写成二进制,平方,每一步之后取模,并把对应二进制位为 1 的幂相乘。费马:对不整除 a 的素数 p,aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p),所以指数可以对 p − 1 取模。RSA:选取素数 p 和 q,n = p·q,φ(n) = (p − 1)(q − 1);公钥指数 e 与 φ(n) 互素,私钥指数为 d = e⁻¹ mod φ(n)。用 c = mᵉ mod n 加密,用 m = cᵈ mod n 解密。

私钥指数

n = 1763, φ(n) = 1680
d = 13−1 mod 1680 = 517

用反复平方法解密

517 = 512 + 4 + 1
14561 ≡ 1456 (mod 1763)
14562 ≡ 810 (mod 1763)
14564 ≡ 264 (mod 1763)
14568 ≡ 939 (mod 1763)
145616 ≡ 221 (mod 1763)
145632 ≡ 1240 (mod 1763)
145664 ≡ 264 (mod 1763)
1456128 ≡ 939 (mod 1763)
1456256 ≡ 221 (mod 1763)
1456512 ≡ 1240 (mod 1763)
1456517 ≡ 1456·264·1240 ≡ 295 (mod 1763)

消息

m = 295
校核: 29513 mod 1763 = 1456

答案

m = 295
9.算法与复杂度

答案: C · O(n²)

为什么是这个答案

如果基准一直选得很差(例如输入已排好序且选第一个元素为基准),划分就会不平衡,导致 O(n²)。平均情况为 O(n log n)。

答案

C · O(n²)
10.算法与复杂度

答案: B · NP 中的每个问题都能在多项式时间内求解,因此 P = NP

为什么是这个答案

由于整个 NP 都能在多项式时间内归约到任一 NP 完全问题,其中一个问题的快速算法就给出了所有问题的快速算法。

答案

B · NP 中的每个问题都能在多项式时间内求解,因此 P = NP
11.数据结构

答案: B · 它关于主对角线对称

为什么是这个答案

在无向图中,边 {u, v} 意味着 M[u][v] 和 M[v][u] 都被置位,因此矩阵等于其转置。

答案

B · 它关于主对角线对称
12.数据结构

答案: B · 60

为什么是这个答案

右子树中最左的节点是 60,因此 60 替换 50,并删除其原来的位置;使用前驱则会得到 40。

答案

B · 60
13.图论

答案: 有欧拉通路,无回路

欧拉、哈密顿与树:连通图在每个顶点度数都为偶数时有欧拉回路(每条边经过一次,回到起点),在恰有两个顶点度数为奇数时有不是回路的欧拉通路;此时通路从一个奇度顶点走到另一个奇度顶点。哈密顿回路恰好经过每个顶点一次;Kn 有 (n − 1)!/2 条。n 个顶点的树有 n − 1 条边,有 m 条边的连通图在去掉 m − n + 1 条边后保留一棵生成树。

度

deg(A) = 1, deg(B) = 4, deg(C) = 2, deg(D) = 4, deg(E) = 3, deg(F) = 2, deg(G) = 2

奇度顶点

A, E → 2
有欧拉通路,无回路

答案

有欧拉通路,无回路

欧拉通路从一个奇度顶点出发,在另一个奇度顶点结束。

14.图论

答案: W = 24

最短路径与生成树:迪杰斯特拉算法每一轮确定一个顶点:暂定距离最小的未确定顶点。它的距离随即成为最终值,并且每个邻点 v 得到 d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))。克鲁斯卡尔算法按从轻到重的顺序取边并跳过会形成圈的边,从而构造最小生成树;普里姆算法从一个起点出发扩展一棵树,每次加入离开这棵树的最轻的边。n 个顶点的生成树有 n − 1 条边。

克鲁斯卡尔算法

BE (1): 取
CE (2): 取
BD (6): 取
DE (14): 跳过,会形成圈
AB (15): 取

总权重

W = 1 + 2 + 6 + 15 = 24

答案

W = 24
15.数据库与 SQL

答案: A · WHERE

为什么是这个答案

σcondition(R) 返回 R 中满足条件的元组,就像 WHERE 子句一样。

答案

A · WHERE
16.数据库与 SQL

答案: B · 它在所有同名列上连接,因此新增一列可能悄无声息地改变结果

为什么是这个答案

自然连接匹配所有同名的列,例如无关的 "name" 或 "created_at";显式的 ON 或 USING 子句更安全。

答案

B · 它在所有同名列上连接,因此新增一列可能悄无声息地改变结果
17.计算机网络

答案: B · CSMA/CD

为什么是这个答案

载波侦听多路访问/冲突检测:站点检测到冲突时停止发送,并在随机退避后重试。全双工交换式以太网没有冲突。

答案

B · CSMA/CD
18.计算机网络

答案: C · 8 个冲突域,1 个广播域

为什么是这个答案

交换机的每个端口都是一个独立的冲突域,但广播会被转发到所有端口,因此整台交换机是一个广播域。若换成集线器,则冲突域和广播域各只有一个。

答案

C · 8 个冲突域,1 个广播域
19.IPv4 子网划分

答案: p = 25

IPv4 子网划分:一个地址有 32 位。前缀 /p 表示前面多少位标识网络;其余 32 − p 位为主机编号。一个子网有 2³²⁻ᵖ 个地址,但第一个(网络地址)和最后一个(广播地址)不能分配给主机,所以可容纳 2³²⁻ᵖ − 2 台主机。 例外:/31(点对点链路,RFC 3021)的 2 个地址都用于主机,/32 只有一个地址(单个主机或环回地址)。

所需主机位

26 − 2 = 62 < 124
27 − 2 = 126 ≥ 124 → h = 7

前缀长度

p = 32 − 7 = 25

答案

p = /25
20.IPv4 子网划分

答案: x = 180

IPv4 子网划分:一个地址有 32 位。前缀 /p 表示前面多少位标识网络;其余 32 − p 位为主机编号。一个子网有 2³²⁻ᵖ 个地址,但第一个(网络地址)和最后一个(广播地址)不能分配给主机,所以可容纳 2³²⁻ᵖ − 2 台主机。 例外:/31(点对点链路,RFC 3021)的 2 个地址都用于主机,/32 只有一个地址(单个主机或环回地址)。

块大小

22 = 4

该主机所在子网

网络: ⌊181/4⌋·4 = 180
广播: 180 + 4 − 1 = 183
可用主机: 181 … 182

答案

x = 180

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