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 −36。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −368 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0011 1001 AND 0111 0111 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0011 1001AND0111 0111
R =
3.命题逻辑与证明中等
(q → p) ∧ (¬p → ¬q)(q → p) ∨ (p → q)(q → p) ∧ (p → q)q ∧ p

哪个公式与 q ↔ p 在逻辑上等价?点选它。

q ↔ p
  1. 1(q → p) ∧ (¬p → ¬q)
  2. 2(q → p) ∨ (p → q)
  3. 3(q → p) ∧ (p → q)
  4. 4q ∧ p
4.命题逻辑与证明困难
∃x (A(x) ∧ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∧ B(x))∃x (A(x) → ¬B(x))∀x (A(x) ∧ ¬B(x))

把否定完全移到内部之后,哪个命题与 ¬∀x (A(x) → B(x)) 等价?点选它。

¬∀x (A(x) → B(x))
  1. 1∃x (A(x) ∧ ¬B(x))
  2. 2∃x (¬A(x) ∧ B(x))
  3. 3∃x (A(x) → ¬B(x))
  4. 4∀x (A(x) ∧ ¬B(x))
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010011302041507160120130150140809111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 5, 6, 11) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 5, 6, 11)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011030204X50716012013015X140819011110

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 6, 9, 10) + d(5, 14) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 6, 9, 10) + d(5, 14)
L =
7.数论与模运算中等

求 67 模 73 的逆元:满足 0 < x < 73 且 67·x ≡ 1 (mod 73) 的数 x。

a = 67n = 73
67−1 mod 73 =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 2447 mod 29。

a = 24k = 47n = 29
2447 mod 29 =
9.算法与复杂度中等

基于比较的排序在最坏情况下的下界是:

  1. AΩ(n²)
  2. BΩ(n log n)
  3. CΩ(n)
  4. DΩ(log n)
10.算法与复杂度困难

用自底向上的方法从 n 个无序元素构建二叉堆的时间复杂度是多少?

  1. AO(n²)
  2. BO(n log n)
  3. CO(log n)
  4. DO(n)
11.数据结构中等

链表中哨兵(哑)节点的作用是什么?

  1. A存储元素的个数
  2. B使链表有序
  3. C通过消除头部或尾部的特殊情况来简化代码
  4. D防止链表增长超过固定的最大节点数
12.数据结构困难

要使哈希表正确工作,哈希与相等性必须遵守哪条规则?

  1. A哈希值相等意味着键相等
  2. B相等的键必须具有相等的哈希值
  3. C不同的键必须具有不同的哈希值
  4. D哈希值必须是素数
13.图论中等

完全图 K6 有多少条不同的哈密顿回路 H?只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K6
H =
14.图论困难
416919111810ABCDE

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

orders 表有 5 行,每行都引用一个已存在的客户。customers 表有 3 行。在 customer_id 上做 INNER JOIN 返回多少行?

  1. A3
  2. B15
  3. C5
  4. D8
16.数据库与 SQL困难

把 R 分解为 R1 和 R2 在什么情况下保证是无损的?

  1. AR1 和 R2 的公共属性构成 R1 或 R2 的超键时
  2. BR 的每个属性都同时出现在 R1 和 R2 中时
  3. CR1 和 R2 的列数相同时
  4. DR1 和 R2 没有公共属性时
17.计算机网络中等

IPv6 的环回地址是什么?

  1. A::
  2. B::1
  3. Cff02::1
  4. Dfe80::1
18.计算机网络困难

TCP 拥塞控制的“慢启动”(slow start)阶段:

  1. A仅由 UDP 使用
  2. B以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包
  3. C每个往返时间都将拥塞窗口减半,直到检测到丢包
  4. D将窗口固定为一个报文段
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2911111111111111111111111111111000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 20 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?

192.168.10.0/2420 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 4012806403201608140201网络主机

某主机地址为 10.20.171.4/28。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.171.4/28
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 220

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

36 = 0010 0100
取反后: 1101 1011
+1 → 1101 1100

按无符号数读取

1101 1100₂ = 256 − 36 = 220

答案

U = 220
2.数制

答案: R = 49

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

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

0011 1001
AND 0111 0111
= 0011 0001

结果的值

0011 0001₂ = 49

答案

R = 49
3.命题逻辑与证明

答案: (q → p) ∧ (p → q)

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 表示蕴涵在两个方向上都成立:(a → b) ∧ (b → a)。
q ↔ p ≡ (q → p) ∧ (p → q)

用真值表检验

p = 1, q = 1: 1 | 1 1 1 1
p = 1, q = 0: 0 | 1 1 0 0
p = 0, q = 1: 0 | 0 1 0 0
p = 0, q = 0: 1 | 1 1 1 0

答案

(q → p) ∧ (p → q)

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: ∃x (A(x) ∧ ¬B(x))

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。

把否定移到内部

¬∀x (A(x) → B(x)) ≡ ∃x (A(x) ∧ ¬B(x))

答案

∃x (A(x) ∧ ¬B(x))

其他选项要么保持某个量词不变,要么改变了量词的顺序,要么错误地否定了内部的公式。

5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

ABCD000111100001111010011302041507160120130150140809111010

圈 1

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′CD
A′B′C′D′
A′BC′D
A′BCD′

最简 SOP 形式

F = B′CD + A′B′C′D′ + A′BC′D + A′BCD′
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′C′D, BCD′, A′C′D, ACD′, A′B′C′
ABCD00011110000111101011030204X50716012013015X140819011110

最小覆盖

F = B′C′D + BCD′ + ACD′ + A′B′C′
L = 12

答案

L = 12
7.数论与模运算

答案: 67−1 mod 73 = 12

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 73)。

r = 73, t = 0
r = 67, q = 1, t = 1
r = 6, q = 11, t = −1
r = 1, q = 6, t = 12

逆矩阵

1 ≡ 12·67 (mod 73)
x = 12
校核: 67·12 = 804 = 11·73 + 1

答案

67−1 mod 73 = 12
8.数论与模运算

答案: 2447 mod 29 = 7

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。

二进制指数

47 = 1011112 = 32 + 8 + 4 + 2 + 1

反复平方

241 ≡ 24 (mod 29)
242 ≡ 25 (mod 29)
244 ≡ 16 (mod 29)
248 ≡ 24 (mod 29)
2416 ≡ 25 (mod 29)
2432 ≡ 16 (mod 29)

把需要的幂相乘

2447 ≡ 24·25·16·24·16 ≡ 7 (mod 29)

答案

2447 mod 29 = 7
9.算法与复杂度

答案: B · Ω(n log n)

为什么是这个答案

任何比较排序在最坏情况下至少需要 log₂(n!) ≈ n log n 次比较。计数排序能突破这一下界,因为它不进行比较。

答案

B · Ω(n log n)
10.算法与复杂度

答案: D · O(n)

为什么是这个答案

对各层的下沉代价求和得到一个收敛级数,因此建堆(heapify)在线性时间内完成。

答案

D · O(n)
11.数据结构

答案: C · 通过消除头部或尾部的特殊情况来简化代码

为什么是这个答案

有了哨兵节点,每个真实节点都有前驱,因此在头部插入或删除无需特殊处理。

答案

C · 通过消除头部或尾部的特殊情况来简化代码
12.数据结构

答案: B · 相等的键必须具有相等的哈希值

为什么是这个答案

如果两个相等的键哈希值不同,它们就会被存储在不同的桶中,查找就会失败;不相等的键仍然可以共用一个哈希值。

答案

B · 相等的键必须具有相等的哈希值
13.图论

答案: H = 60

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。

计数

H = (6 − 1)!/2 = 120/2 = 60

答案

H = 60
14.图论

答案: W = 41

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

AB (4): 取
BC (9): 取
BE (10): 取
CE (11): 跳过,会形成圈
AC (16): 跳过,会形成圈
DE (18): 取

总权重

W = 4 + 9 + 10 + 18 = 41

答案

W = 41
15.数据库与 SQL

答案: C · 5

为什么是这个答案

每个订单都恰好找到一个匹配的客户,因此连接结果每个订单一行,共 5 行。

答案

C · 5
16.数据库与 SQL

答案: A · R1 和 R2 的公共属性构成 R1 或 R2 的超键时

为什么是这个答案

如果共享属性决定了 R1 或 R2 的所有属性,把它们连接回来就恰好得到原来的行,不会产生多余的元组。

答案

A · R1 和 R2 的公共属性构成 R1 或 R2 的超键时
17.计算机网络

答案: B · ::1

为什么是这个答案

::1 是环回地址。:: 是未指定地址,fe80::/10 是链路本地地址,ff02::1 是所有节点组播组。

答案

B · ::1
18.计算机网络

答案: B · 以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包

为什么是这个答案

慢启动以指数方式增大拥塞窗口;超过阈值后,拥塞避免阶段以线性方式增大窗口,而丢包会使窗口减小。

答案

B · 以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包
19.IPv4 子网划分

答案: H = 6

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

25 = 32 ≥ 20 → b = 5, /29

每个子网的主机数

23 − 2 = 6

答案

H = 6
20.IPv4 子网划分

答案: x = 15

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

24 = 16

该主机所在子网

网络: ⌊4/16⌋·16 = 0
广播: 0 + 16 − 1 = 15
可用主机: 1 … 14

答案

x = 15

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