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 −110。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1108 bit
U =
2.数制困难
3396 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 3396 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?

3396
b = bit
3.命题逻辑与证明中等
p ∧ ¬(q ∨ r)¬(q ∨ r) → ¬p¬p → ¬(q ∨ r)(q ∨ r) → p

你想用逆否证明来证明 p → (q ∨ r)。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

p → (q ∨ r)
  1. 1p ∧ ¬(q ∨ r)
  2. 2¬(q ∨ r) → ¬p
  3. 3¬p → ¬(q ∨ r)
  4. 4(q ∨ r) → p
4.命题逻辑与证明困难
qrr ∨ qr¬q11100100

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

r ∨ qr∴ ¬q
  1. 1q = 1, r = 1
  2. 2q = 1, r = 0
  3. 3q = 0, r = 1
  4. 4q = 0, r = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010001130214151706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(3, 4, 5, 7) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C) = Σm(3, 4, 5, 7)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X0X1X3X2040507160121130151141809111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(6, 8, 10, 11, 13, 14) + d(0, 1, 2, 3) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(6, 8, 10, 11, 13, 14) + d(0, 1, 2, 3)
N =
7.数论与模运算中等

求 11 模 19 的逆元:满足 0 < x < 19 且 11·x ≡ 1 (mod 19) 的数 x。

a = 11n = 19
11−1 mod 19 =
8.数论与模运算困难
402c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (473, 23)d

用 RSA 公钥 (n, e) = (473, 23) 加密消息 m = 402。求密文 c。

n = 473e = 23m = 402
c =
9.算法与复杂度中等

下面代码的时间复杂度是多少:for i = 1 to n: (j = 1; while j < n: j = j × 2)?

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

要证明一个新问题 X 是 NP 难(NP-hard)的,必须做什么?

  1. A证明 X 能在多项式时间内被验证
  2. B把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X
  3. C把 X 在多项式时间内归约到一个已知的 NP 难问题
  4. D证明 X 对于小规模输入没有多项式算法
11.数据结构中等

如何在二叉搜索树中找到最小的键?

  1. A只看根
  2. B从根开始沿左子节点走,直到没有左子节点为止
  3. C从根开始沿右子节点走,直到没有右子节点为止
  4. D访问每个叶子并进行比较
12.数据结构困难

在没有按秩合并和路径压缩的情况下,含 n 个元素的并查集结构中一次 find 操作的最坏代价是多少?

  1. AO(log n)
  2. BO(1)
  3. CO(n)
  4. DO(α(n))
13.图论中等

完全图 K7 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。

K7
H =
14.图论困难
610214148712ABCDEF

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =
15.数据库与 SQL中等

函数依赖 A → B 是什么意思?

  1. AA 是引用 B 的外键
  2. BA 的每个值都恰好对应 B 的一个值
  3. CA 和 B 都是主键
  4. DB 的每个值都恰好对应 A 的一个值
16.数据库与 SQL困难

相关子查询(correlated subquery)是指:

  1. A通过外键连接两个表的子查询
  2. B只使用聚合函数的子查询
  3. C只在外层查询之前运行一次,并将结果缓存供每一行使用
  4. D引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询
17.计算机网络中等

“ping”命令使用哪种协议?

  1. AUDP
  2. BICMP
  3. CTCP
  4. DHTTP
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. AIPv6 只在本地网络中工作,因此地址永远不需要全局共享
  2. BIPv6 会加密所有地址
  3. CIPv6 不使用地址
  4. D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 子网划分中等
/?11111111111111111111111110000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 74 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

74 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 70012816403201608141201网络主机

某主机地址为 10.20.200.70/30。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.200.70/30
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 146

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

110 = 0110 1110
取反后: 1001 0001
+1 → 1001 0010

按无符号数读取

1001 0010₂ = 256 − 110 = 146

答案

U = 146
2.数制

答案: b = 12 bit

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。

2 的幂

211 = 2048 < 3396
212 = 4096 ≥ 3396

答案

b = 12
3.命题逻辑与证明

答案: ¬(q ∨ r) → ¬p

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)。

蕴涵的各个部分

a = p, b = q ∨ r

逆否命题

¬b → ¬a = ¬(q ∨ r) → ¬p

答案

¬(q ∨ r) → ¬p

逆否命题与原命题等价,所以证明了它就证明了原命题。

4.命题逻辑与证明

答案: q = 1, 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

q = 1, r = 1: 1 1 | 0
q = 1, r = 0: 1 0 | 0
q = 0, r = 1: 1 1 | 1
q = 0, r = 0: 0 0 | 1

反例

q = 1, r = 1

答案

q = 1, 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 = 2

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。

ABC00011110010001130214151706

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)
(A + B)

最简 POS 形式

F = (B′ + C)(A + B)
N = 2

答案

N = 2
6.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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

CD′, B′D′, B′C, ABC′D
ABCD0001111000011110X0X1X3X2040507160121130151141809111110

最小覆盖

F = CD′ + B′D′ + B′C + ABC′D
N = 4

答案

N = 4
7.数论与模运算

答案: 11−1 mod 19 = 7

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·11 (mod 19)。

r = 19, t = 0
r = 11, q = 1, t = 1
r = 8, q = 1, t = −1
r = 3, q = 2, t = 2
r = 2, q = 1, t = −5
r = 1, q = 2, t = 7

逆矩阵

1 ≡ 7·11 (mod 19)
x = 7
校核: 11·7 = 77 = 4·19 + 1

答案

11−1 mod 19 = 7
8.数论与模运算

答案: c = 139

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。

反复平方

23 = 16 + 4 + 2 + 1
4021 ≡ 402 (mod 473)
4022 ≡ 311 (mod 473)
4024 ≡ 229 (mod 473)
4028 ≡ 411 (mod 473)
40216 ≡ 60 (mod 473)
40223 ≡ 402·311·229·60 ≡ 139 (mod 473)

密文

c = 139

答案

c = 139
9.算法与复杂度

答案: C · O(n log n)

为什么是这个答案

对外层 n 次迭代中的每一次,内层循环约运行 log₂ n 次,因此总复杂度为 O(n log n)。

答案

C · O(n log n)
10.算法与复杂度

答案: B · 把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X

为什么是这个答案

如果一个已知的难题能被高效地转换为 X,那么 X 的快速算法也能解决这个已知问题。

答案

B · 把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X
11.数据结构

答案: B · 从根开始沿左子节点走,直到没有左子节点为止

为什么是这个答案

树中没有比最左节点更小的键,因此它就是最小值;代价与树的高度成正比。

答案

B · 从根开始沿左子节点走,直到没有左子节点为止
12.数据结构

答案: C · O(n)

为什么是这个答案

朴素的合并可能把树连成一条长链,因此 find 可能要沿着 n − 1 个父指针走;这两种启发式方法使其接近常数。

答案

C · O(n)
13.图论

答案: H = 360

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 = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

答案

H = 360
14.图论

答案: d(F) = 16

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。

迪杰斯特拉算法逐轮过程

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): B: 6
B (6): C: 16, D: 8, E: 18
D (8): F: 16
C (16)
F (16)
E (18)

最短路径

A → B → D → F
d(F) = 16

答案

d(F) = 16
15.数据库与 SQL

答案: B · A 的每个值都恰好对应 B 的一个值

为什么是这个答案

A → B 表示任何两行只要 A 值相同,B 值就必须相同;A 决定 B。

答案

B · A 的每个值都恰好对应 B 的一个值
16.数据库与 SQL

答案: D · 引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询

为什么是这个答案

相关子查询依赖于当前的外层行,因此在逻辑上按行求值(优化器可能会将其改写为连接)。

答案

D · 引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询
17.计算机网络

答案: B · ICMP

为什么是这个答案

Ping 发送 ICMP 回显请求(echo request),并测量回显应答(echo reply)返回所需的时间。

答案

B · ICMP
18.计算机网络

答案: D · 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

D · 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: 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 < 74
27 − 2 = 126 ≥ 74 → h = 7

前缀长度

p = 32 − 7 = 25

答案

p = /25
20.IPv4 子网划分

答案: x = 71

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: ⌊70/4⌋·4 = 68
广播: 68 + 4 − 1 = 71
可用主机: 69 … 70

答案

x = 71

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