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?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −118 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −1188 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1001 0010 OR 0100 1000 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1001 0010OR0100 1000
R =
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

(q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r) 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

(q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r)
  1. 1重言式
  2. 2矛盾式
  3. 3偶然式
4.命题逻辑与证明困难
pqrr → qp → qr → p111110101100011010001000

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

r → qp → q∴ r → p
  1. 1p = 1, q = 1, r = 1
  2. 2p = 1, q = 1, r = 0
  3. 3p = 1, q = 0, r = 1
  4. 4p = 1, q = 0, r = 0
  5. 5p = 0, q = 1, r = 1
  6. 6p = 0, q = 1, r = 0
  7. 7p = 0, q = 0, r = 1
  8. 8p = 0, q = 0, r = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUX0I0​1I1​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 = 0,I₁ = 1,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 = 0I₁ = 1I₂ = C′I₃ = C′
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000X11312X4051706X1201311501418X9X11010

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 7, 8, 15) + d(1, 4, 9, 11, 12) 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(2, 3, 7, 8, 15) + d(1, 4, 9, 11, 12)
L =
7.数论与模运算中等

求欧拉函数 φ(121),即 1 到 121 中与 121 互素的整数个数。

n = 121 = 112
φ(121) =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n27m = cd​ mod n?(n, e) = (95, 5)d

某个 RSA 密钥使用 p = 5,q = 19,e = 5。解密密文 c = 27:求消息 m。

p = 5q = 19e = 5c = 27
m =
9.算法与复杂度中等

一个问题具有最优子结构是什么意思?

  1. A该问题恰好有一个最优解,所有子问题共享这个解
  2. B该问题可以在常数时间内求解
  3. C最优解可以由其子问题的最优解构造出来
  4. D每个子问题的规模都相同
10.算法与复杂度困难

为什么在单链表上二分查找不能达到 O(log n) 的时间?

  1. A链表节点上的比较更慢
  2. B由于不能按下标直接访问,到达中间元素需要 O(n) 步
  3. C链表无法排序
  4. D二分查找至少需要两倍的内存
11.数据结构中等

哪种冲突解决方法将发生冲突的键存储在同一个桶的列表中?

  1. A线性探测(Linear probing)
  2. B二次探测(Quadratic probing)
  3. C拉链法(Separate chaining)
  4. D双重哈希(Double hashing)
12.数据结构困难

建立在 n 个数的数组上的树状数组(Fenwick tree,binary indexed tree)以 O(log n) 支持哪些操作?

  1. A在任意位置插入元素
  2. B对数组排序和二分查找
  3. C前缀和查询和单个元素更新
  4. D以 O(1) 求中位数
13.图论中等
ABCDE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| = 5|E| = 6
  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
ABCDEF

长度为 2 且起点和终点都是 B 的闭途径有多少条?途径可以重复顶点和边。把这个数记作 N。

M = 邻接矩阵L = 2
N =
15.数据库与 SQL中等

哪个查询返回 customers 表中不同城市的数量?

  1. ASELECT SUM(DISTINCT city) FROM customers
  2. BSELECT DISTINCT COUNT(city) FROM customers
  3. CSELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers
  4. DSELECT COUNT(city) FROM customers GROUP BY city
16.数据库与 SQL困难

在 (last_name, first_name) 上有一个复合索引。哪个条件能最有效地利用它?

  1. AWHERE first_name = 'Eva'
  2. BWHERE UPPER(first_name) = 'EVA'
  3. CWHERE last_name = 'Jansen'
  4. DWHERE first_name LIKE '%a'
17.计算机网络中等

信号以约 2 × 10⁸ m/s 的速度在光纤中传播 2000 km。传播时延是多少?

  1. A10 ms
  2. B0.1 ms
  3. C100 ms
  4. D1 ms
18.计算机网络困难

一个远程终端应用程序反应迟缓,因为小的按键数据包被延迟发送。通常是哪种 TCP 机制造成的?

  1. ANagle 算法
  2. B慢启动
  3. C三次握手
  4. D快速重传
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 6 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?

192.168.10.0/246 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 101012816413201608140211网络主机

某主机地址为 10.20.68.101/26。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.68.101/26
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 138

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。

取反加一

118 = 0111 0110
取反后: 1000 1001
+1 → 1000 1010

按无符号数读取

1000 1010₂ = 256 − 118 = 138

答案

U = 138
2.数制

答案: R = 218

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

1001 0010
OR 0100 1000
= 1101 1010

结果的值

1101 1010₂ = 218

答案

R = 218
3.命题逻辑与证明

答案: 矛盾式

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)。

逐行写出真值表

q = 1, r = 1: q ∨ r = 1, ¬q = 0, ¬r = 0, ¬q ∧ ¬r = 0, (q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r) = 0
q = 1, r = 0: q ∨ r = 1, ¬q = 0, ¬r = 1, ¬q ∧ ¬r = 0, (q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r) = 0
q = 0, r = 1: q ∨ r = 1, ¬q = 1, ¬r = 0, ¬q ∧ ¬r = 0, (q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r) = 0
q = 0, r = 0: q ∨ r = 0, ¬q = 1, ¬r = 1, ¬q ∧ ¬r = 1, (q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r) = 0

分类

(q ∨ r) ∧ (¬q ∧ ¬r): 0, 0, 0, 0
每一行都是 0:矛盾式。

答案

矛盾式
4.命题逻辑与证明

答案: p = 0, 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

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

反例

p = 0, q = 1, r = 1

答案

p = 0, 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 = 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 = 010, 011, 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: L = 8

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, AC′D′, A′B′C, AB′C′
ABCD000111100001111000X11312X4051706X1201311501418X9X11010

最小覆盖

F = CD + AC′D′ + A′B′C
L = 8

答案

L = 8

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

7.数论与模运算

答案: φ(121) = 110

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

121 = 112

欧拉函数值

φ(121) = 121 − 11 = 110

答案

φ(121) = 110
8.数论与模运算

答案: m = 12

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 = 95, φ(n) = 72
d = 5−1 mod 72 = 29

用反复平方法解密

29 = 16 + 8 + 4 + 1
271 ≡ 27 (mod 95)
272 ≡ 64 (mod 95)
274 ≡ 11 (mod 95)
278 ≡ 26 (mod 95)
2716 ≡ 11 (mod 95)
2729 ≡ 27·11·26·11 ≡ 12 (mod 95)

消息

m = 12
校核: 125 mod 95 = 27

答案

m = 12
9.算法与复杂度

答案: C · 最优解可以由其子问题的最优解构造出来

为什么是这个答案

贪心算法和动态规划要得出正确答案,都需要问题具有最优子结构。

答案

C · 最优解可以由其子问题的最优解构造出来
10.算法与复杂度

答案: B · 由于不能按下标直接访问,到达中间元素需要 O(n) 步

为什么是这个答案

二分查找需要以 O(1) 访问中间元素;在链表上走到那里需要线性时间,因此总时间为 O(n)。

答案

B · 由于不能按下标直接访问,到达中间元素需要 O(n) 步
11.数据结构

答案: C · 拉链法(Separate chaining)

为什么是这个答案

拉链法为每个桶维护一个链表(或其他结构);开放寻址法则在表内寻找另一个空槽。

答案

C · 拉链法(Separate chaining)
12.数据结构

答案: C · 前缀和查询和单个元素更新

为什么是这个答案

树状数组存储由每个下标的低位所确定区间上的部分和,因此前缀和与单点更新都只需 O(log n)。

答案

C · 前缀和查询和单个元素更新
13.图论

答案: 欧拉回路

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) = 2, deg(B) = 4, deg(C) = 2, deg(D) = 2, deg(E) = 2

奇度顶点

0
欧拉回路

答案

欧拉回路
14.图论

答案: N = 4

度:顶点的度是与它相连的边的条数。每条边有两个端点,所以度数之和等于边数的两倍:Σ deg(v) = 2|E|(握手引理)。因此奇度顶点的个数是偶数。Kn 有 n(n − 1)/2 条边,n 个顶点的 k-正则图有 nk/2 条边,n 个顶点的树有 n − 1 条边。

邻接矩阵

A: 0 1 0 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 0 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

公共邻点

(M²)BB = 1·1 + 0·0 + 1·1 + 1·1 + 1·1 + 0·0 = 4

答案

N = 4
15.数据库与 SQL

答案: C · SELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers

为什么是这个答案

COUNT(DISTINCT city) 统计不同的非 NULL 城市;放在 COUNT 外面的 DISTINCT 只是去除重复的结果行。

答案

C · SELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers
16.数据库与 SQL

答案: C · WHERE last_name = 'Jansen'

为什么是这个答案

复合 B 树索引先按 last_name、再按 first_name 排序,因此在前导列上的查找可以利用它,但仅凭 first_name 无法利用这种顺序。

答案

C · WHERE last_name = 'Jansen'
17.计算机网络

答案: A · 10 ms

为什么是这个答案

2 × 10⁶ m / 2 × 10⁸ m/s = 0.01 s = 10 ms。传播时延取决于距离和介质,而不是数据包大小。

答案

A · 10 ms
18.计算机网络

答案: A · Nagle 算法

为什么是这个答案

Nagle 算法在先前数据未被确认时等待,把小段捆绑在一起发送。这节省了带宽,但给交互式流量增加了延迟。

答案

A · Nagle 算法
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 ≥ 6 → 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 = 127

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

26 = 64

该主机所在子网

网络: ⌊101/64⌋·64 = 64
广播: 64 + 64 − 1 = 127
可用主机: 65 … 126

答案

x = 127

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