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
8 位补码0−12806403201608040201

设置各位,使其以 8 位补码存储 −19。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −198 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 1010 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 1010>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬c ∨ a¬c → ¬a¬c ∧ ac ∨ ¬a

哪个公式与 c → a 在逻辑上等价?点选它。

c → a
  1. 1¬c ∨ a
  2. 2¬c → ¬a
  3. 3¬c ∧ a
  4. 4c ∨ ¬a
4.命题逻辑与证明困难
prp → rrp11100100

前提为 p → r; r、结论为 p 的论证是无效的。点选真值表中作为反例的那一行。

p → rr∴ p
  1. 1p = 1, r = 1
  2. 2p = 1, r = 0
  3. 3p = 0, r = 1
  4. 4p = 0, r = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUX1I0​0I1​C′I2​C′I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = 1,I₁ = 0,I₂ = C′,I₃ = C′。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = 1I₁ = 0I₂ = C′I₃ = C′
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKUP

4 位二进制加法计数器从 15(十进制,Q = 1111)开始。经过 27 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 1527n = 4
Q =
7.数论与模运算中等

求 67 模 97 的逆元:满足 0 < x < 97 且 67·x ≡ 1 (mod 97) 的数 x。

a = 67n = 97
67−1 mod 97 =
8.数论与模运算困难

29 是素数。用费马小定理求 1172750 mod 29。

p = 29k = 72750
1172750 mod 29 =
9.算法与复杂度中等

递推式 T(n) = T(n − 1) + O(n) 的解是什么?

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

最短简单路径可以在多项式时间内求出。在一般图中求两个顶点之间的最长简单路径,已知情况如何?

  1. A它是不可判定的
  2. B可以把权重取反后用 Dijkstra 算法求解
  3. C它是 NP 难的
  4. D总能在 O(V + E) 内求解
11.数据结构中等

后缀表达式 3 4 + 2 * 的值是多少?

  1. A14
  2. B24
  3. C10
  4. D11
12.数据结构困难

一个对象作为键存储在哈希映射中,之后其哈希函数所用的一个字段被修改了。可能的结果是什么?

  1. A字段改变的那一刻映射就会抛出错误
  2. B映射会自动把该键移到新的桶中
  3. C查找该对象可能失败,因为它位于按旧哈希值确定的桶中
  4. D什么都不会改变,因为键的哈希只在程序启动时计算一次
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| = 7
  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
181711174313815ABCDEFG

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 7|E| = 10
W =
15.数据库与 SQL中等

哪条语句删除表中的所有行、保留其结构,并且不能带 WHERE 子句?

  1. ADROP TABLE
  2. B带 WHERE 子句的 DELETE FROM
  3. CALTER TABLE
  4. DTRUNCATE TABLE
16.数据库与 SQL困难

与 3NF 相比,把表分解为 BCNF 的一个已知缺点是什么?

  1. A分解后再连接回来总会丢失数据
  2. BBCNF 比 3NF 允许更多冗余
  3. C某些函数依赖可能无法再在单个表中检查
  4. DBCNF 表不能有主键
17.计算机网络中等

什么能唯一标识互联网上 TCP 连接的一端?

  1. A仅域名
  2. BIP 地址加端口号
  3. C仅 MAC 地址
  4. D子网掩码和网关
18.计算机网络困难

为什么 IPv6 不需要用 NAT 来解决地址短缺问题?

  1. A其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址
  2. BIPv6 不使用地址
  3. CIPv6 只在本地网络中工作,因此地址永远不需要全局共享
  4. DIPv6 会加密所有地址
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2711111111111111111111111111100000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 5 个相等的子网。若借用尽可能少的位,每个子网有多少可用主机 H?

192.168.10.0/245 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难

网络 192.168.33.0/24 用 VLSM 划分给以下局域网:A: 61 主机, B: 27 主机, C: 76 主机, D: 11 主机。子网从 .0 开始向上分配,主机最多的局域网先分配,每个局域网分配能容纳它的最小子网。局域网 D 的网络地址第四个八位组 x 是多少?

A: 61B: 27C: 76D: 11
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 237

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。

取反加一

19 = 0001 0011
取反后: 1110 1100
+1 → 1110 1101

按无符号数读取

1110 1101₂ = 256 − 19 = 237

答案

U = 237
2.数制

答案: R = 11

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

右移 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0101 1010 >> 3
= 0000 1011

结果的值

0000 1011₂ = 11

答案

R = 11
3.命题逻辑与证明

答案: ¬c ∨ a

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

a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0,所以它与 ¬a ∨ b 相同。
c → a ≡ ¬c ∨ a

用真值表检验

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

答案

¬c ∨ a

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: p = 0, r = 1

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。

逐行列出前提与结论

p = 1, r = 1: 1 1 | 1
p = 1, r = 0: 0 0 | 1
p = 0, r = 1: 1 1 | 0
p = 0, r = 0: 1 0 | 0

反例

p = 0, r = 1

答案

p = 0, r = 1

这种形式的论证看起来像有效的规则,但只要有一行就足以说明它并不有效。

5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′B′ + AB′C′ + ABC′

F = 1 的行

ABC = 000, 001, 100, 110
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 10

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。

完整循环

每 16 个脉冲使计数器回到相同的状态。

27 = 1·16 + 11

剩余脉冲之后的计数

Q = (15 + 11) mod 16 = 10
Q = 1010₂

答案

Q = 10
7.数论与模运算

答案: 67−1 mod 97 = 42

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)。

扩展欧几里得算法

每个余数 r 都写成 r ≡ t·67 (mod 97)。

r = 97, t = 0
r = 67, q = 1, t = 1
r = 30, q = 2, t = −1
r = 7, q = 4, t = 3
r = 2, q = 3, t = −13
r = 1, q = 2, t = 42

逆矩阵

1 ≡ 42·67 (mod 97)
x = 42
校核: 67·42 = 2814 = 29·97 + 1

答案

67−1 mod 97 = 42
8.数论与模运算

答案: 1172750 mod 29 = 9

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。

化简指数

72750 mod 28 = 6
1172750 ≡ 116 (mod 29)

小的幂

116 mod 29 = 9

答案

1172750 mod 29 = 9
9.算法与复杂度

答案: B · O(n²)

为什么是这个答案

工作量之和约为 n² / 2,这是选择排序的递推式,也是基准最差时快速排序的递推式。

答案

B · O(n²)
10.算法与复杂度

答案: C · 它是 NP 难的

为什么是这个答案

长度为 V − 1 的最长简单路径就是一条哈密顿路径,而这是一个 NP 完全问题;不过在有向无环图上,它可以在线性时间内求解。

答案

C · 它是 NP 难的
11.数据结构

答案: A · 14

为什么是这个答案

压入 3 和 4,+ 得到 7;压入 2,* 得到 7 × 2 = 14。

答案

A · 14
12.数据结构

答案: C · 查找该对象可能失败,因为它位于按旧哈希值确定的桶中

为什么是这个答案

键的位置是按其旧哈希值选定的;有了新的哈希值,查找会在错误的桶中搜索,因此键应当是不可变的。

答案

C · 查找该对象可能失败,因为它位于按旧哈希值确定的桶中
13.图论

答案: 都不是

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

奇度顶点

A, C, E, F → 4
都不是

答案

都不是
14.图论

答案: W = 38

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

AC (1): 取
GB (3): 取
EF (4): 取
BC (7): 取
GD (8): 取
BD (11): 跳过,会形成圈
GC (13): 跳过,会形成圈
GE (15): 取

总权重

W = 1 + 3 + 4 + 7 + 8 + 15 = 38

答案

W = 38
15.数据库与 SQL

答案: D · TRUNCATE TABLE

为什么是这个答案

TRUNCATE 快速清空表并保留其定义;DELETE 可以删除选定的行,DROP 则删除表本身。

答案

D · TRUNCATE TABLE
16.数据库与 SQL

答案: C · 某些函数依赖可能无法再在单个表中检查

为什么是这个答案

无损的 BCNF 分解总是存在的,但它可能不保持依赖;3NF 分解则总能做到既无损又保持依赖。

答案

C · 某些函数依赖可能无法再在单个表中检查
17.计算机网络

答案: B · IP 地址加端口号

为什么是这个答案

一个 TCP 连接由源 IP 和端口以及目的 IP 和端口共同标识。端口用于区分同一主机上的众多应用程序。

答案

B · IP 地址加端口号
18.计算机网络

答案: A · 其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址

为什么是这个答案

IPv6 约有 3.4 × 10³⁸ 个地址,因此导致 IPv4 使用 NAT 的地址稀缺问题不复存在;安全性仍由防火墙提供。

答案

A · 其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址
19.IPv4 子网划分

答案: H = 30

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)。

借用的位数

23 = 8 ≥ 5 → b = 3, /27

每个子网的主机数

25 − 2 = 30

答案

H = 30
20.IPv4 子网划分

答案: x = 224

VLSM:每个局域网分配满足 2ʰ − 2 ≥ 其主机数的最小子网,即前缀 32 − h。先分配最大的子网,可使每个块都对齐在其自身大小的倍数上,因此网络地址就是各块大小依次相加的结果。

每个局域网的块大小

C: 76 主机 → 27 = 128 (/25)
A: 61 主机 → 26 = 64 (/26)
B: 27 主机 → 25 = 32 (/27)
D: 11 主机 → 24 = 16 (/28)

分配顺序,从大到小

C: .0 – .127
A: .128 – .191
B: .192 – .223
D: .224 – .239

答案

x = 224

局域网 D:192.168.33.224/28。

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