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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1−12806403201608141211

8 位模式 1000 0111 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1000 01118 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 1011 XOR 1100 1011 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 1011XOR1100 1011
R =
3.命题逻辑与证明中等
q → r¬r → ¬q¬r ∨ qr ∨ ¬q

哪个公式与 r → q 在逻辑上等价?点选它。

r → q
  1. 1q → r
  2. 2¬r → ¬q
  3. 3¬r ∨ q
  4. 4r ∨ ¬q
4.命题逻辑与证明困难

真值表的 16 行中,有多少行使 ((q ↔ ¬r) → s) ∨ ¬(p → ¬(¬q ∧ ¬r)) 为真?把这个数记作 N。

((q ↔ ¬r) → s) ∨ ¬(p → ¬(¬q ∧ ¬r))
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = AB′C′ + AB′ + A′BC′ + BC′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = AB′C′ + AB′ + A′BC′ + BC′
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100001031204X5X706112013X150140819X11110

对于 F(A, B, C, D) = Σm(2, 9, 10, 12) + d(5, 7, 11, 15)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(2, 9, 10, 12) + d(5, 7, 11, 15)
N =
7.数论与模运算中等

解 10x ≡ 25 (mod 43)。给出满足 0 < x < 43 的解 x。

10x ≡ 25 (mod 43)
x =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 25142 mod 66。

a = 25k = 142n = 66
25142 mod 66 =
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(n²)
  2. BO(n log n)
  3. CO(log n)
  4. DO(n)
10.算法与复杂度困难

Strassen 算法在矩阵乘法中对半尺寸的分块只做 7 次而不是 8 次递归乘法。它的运行时间是多少?

  1. AΘ(nlog₂ 7),约为 n2.81
  2. BΘ(n² log n)
  3. CΘ(n2)
  4. DΘ(n³)
11.数据结构中等

对二叉搜索树进行中序遍历时,访问键的顺序是:

  1. A层序
  2. B插入顺序
  3. C升序排列
  4. D始终为降序
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什么都不会改变,因为键的哈希只在程序启动时计算一次
  4. D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.图论中等

完全图 K8 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。

K8
H =
14.图论困难
1071513575711310ABCDEFG

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 6 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

起点:A轮 6
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G
15.数据库与 SQL中等

第一范式(1NF)要求:

  1. A没有外键
  2. B每个非键列都依赖于整个键,且只依赖于键
  3. C每个表恰好只有一列
  4. D每列都包含原子值,且没有重复组
16.数据库与 SQL困难

Boyce–Codd 范式(BCNF)要求对于每个非平凡函数依赖 X → Y:

  1. AX 是超键
  2. BY 是原子的
  3. CX 包含 NULL
  4. DY 是主键
17.计算机网络中等

ARP 的作用是什么?

  1. A在本地网络中查找某个 IP 地址对应的 MAC 地址
  2. B当主机加入本地网络时自动为其分配 IP 地址
  3. C在互联网上路由数据包
  4. D解析域名
18.计算机网络困难

你必须把 192.168.1.0/24 划分成至少 5 个子网,每个子网最多 25 台主机。哪个前缀长度最合适?

  1. A/26
  2. B/27
  3. C/25
  4. D/28
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111110000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 1012 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

1012 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 96 … 101012816413201608040201相同不同

一台路由器有到以下网络的路由:10.190.96.0/24, 10.190.97.0/24, 10.190.98.0/24, 10.190.99.0/24, 10.190.100.0/24, 10.190.101.0/24。能覆盖所有这些网络的单条汇总路由,其最长前缀长度 p 是多少?

10.190.96.0/24 … 10.190.101.0/24
p =

3溶液

1.数制

答案: N = −121

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 + 4 + 2 + 1 = −121

答案

N = −121
2.数制

答案: R = 144

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。

0101 1011
XOR 1100 1011
= 1001 0000

结果的值

1001 0000₂ = 144

答案

R = 144
3.命题逻辑与证明

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

用真值表检验

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

答案

¬r ∨ 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: N = 12

真值表:含 n 个不同变量的公式有 2ⁿ 行,每一行对应真值的一种组合(1 = 真,0 = 假)。由内向外进行,给每个子公式单独一列。¬a 把值取反;a ∧ b 只有在两者都为 1 时才为 1;a ∨ b 只有在两者都为 0 时才为 0;a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0;a ↔ b 在两边相等时为 1。

各列

¬r; q ↔ ¬r; (q ↔ ¬r) → s; ¬q; ¬q ∧ ¬r; ¬(¬q ∧ ¬r); p → ¬(¬q ∧ ¬r); ¬(p → ¬(¬q ∧ ¬r)); ((q ↔ ¬r) → s) ∨ ¬(p → ¬(¬q ∧ ¬r))

按 p 拆分

p = 1: 6
p = 0: 6
N = 6 + 6 = 12

答案

N = 12
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 4

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

AB′C′ → m(4)
AB′ → m(4, 5)
A′BC′ → m(2)
BC′ → m(2, 6)
ABC00011110010001031214150716

圈组并读出结果

F = BC′ + AB′

数出文字个数

L = 4

答案

L = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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′CD′, AB′D, AB′C, ABC′D′
ABCD00011110000111100001031204X5X706112013X150140819X11110

必要质蕴涵项

B′CD′, AB′D, ABC′D′
N = 3

答案

N = 3
7.数论与模运算

答案: x = 24

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)。

10 的逆元

r = 43, t = 0
r = 10, q = 4, t = 1
r = 3, q = 3, t = −4
r = 1, q = 3, t = 13
10−1 ≡ 13 (mod 43)

求解

x ≡ 13·25 = 325 ≡ 24 (mod 43)
校核: 10·24 = 240 ≡ 25 (mod 43)

答案

x = 24
8.数论与模运算

答案: 25142 mod 66 = 31

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

142 = 100011102 = 128 + 8 + 4 + 2

反复平方

251 ≡ 25 (mod 66)
252 ≡ 31 (mod 66)
254 ≡ 37 (mod 66)
258 ≡ 49 (mod 66)
2516 ≡ 25 (mod 66)
2532 ≡ 31 (mod 66)
2564 ≡ 37 (mod 66)
25128 ≡ 49 (mod 66)

把需要的幂相乘

25142 ≡ 31·37·49·49 ≡ 31 (mod 66)

答案

25142 mod 66 = 31
9.算法与复杂度

答案: A · 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

A · O(n²)
10.算法与复杂度

答案: A · Θ(nlog₂ 7),约为 n2.81

为什么是这个答案

取 a = 7、b = 2,nlog₂ 7 压过 O(n²) 的加法工作量,结果约为 n2.81。

答案

A · Θ(nlog₂ 7),约为 n2.81
11.数据结构

答案: C · 升序排列

为什么是这个答案

先访问左子树,再访问节点,最后访问右子树,可按有序顺序输出 BST 的键。

答案

C · 升序排列
12.数据结构

答案: D · 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

D · 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: H = 2520

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 = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

答案

H = 2520
14.图论

答案: D

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

1. A (0): C: 10
2. C (10): B: 17, E: 23, G: 11
3. G (11): D: 24, E: 21
4. B (17)
5. E (21): F: 26
6. D (24)
7. F (26)

轮 6

D

答案

D
15.数据库与 SQL

答案: D · 每列都包含原子值,且没有重复组

为什么是这个答案

1NF 要求每个单元格为原子值,行可唯一标识,且没有重复组。

答案

D · 每列都包含原子值,且没有重复组
16.数据库与 SQL

答案: A · X 是超键

为什么是这个答案

BCNF 要求每个决定因素都是候选键(超键);3NF 在 Y 是某个候选键的一部分时允许例外。

答案

A · X 是超键
17.计算机网络

答案: A · 在本地网络中查找某个 IP 地址对应的 MAC 地址

为什么是这个答案

ARP 广播“谁拥有这个 IP?”,拥有者回复其 MAC 地址,从而可以在本地传送帧。

答案

A · 在本地网络中查找某个 IP 地址对应的 MAC 地址
18.计算机网络

答案: B · /27

为什么是这个答案

/27 可以得到 8 个子网,每个子网有 30 个可用主机地址。/26 只能得到 4 个子网,而 /28 每个子网只允许 14 台主机。

答案

B · /27
19.IPv4 子网划分

答案: p = 22

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

29 − 2 = 510 < 1012
210 − 2 = 1022 ≥ 1012 → h = 10

前缀长度

p = 32 − 10 = 22

答案

p = /22
20.IPv4 子网划分

答案: p = 21

路由汇总:汇总路由 a.b.c.0/p 覆盖前 p 位相同的所有网络。把第一个和最后一个网络中不同的那个八位组写成二进制;相同的前导位数加上它前面各八位组的位数,就是最长的汇总前缀。

比较各位

96 = 01100000
101 = 01100101
相同的前导位:5

前缀长度

p = 16 + 5 = 21

答案

p = /21

汇总路由:10.190.96.0/21 (它还覆盖了列表中没有的 2 个网络)。

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