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 −107。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1078 bit
U =
2.数制困难
24 bit1 px512 px512 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 512 × 512 像素,每像素 24 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

512 × 512 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

c ∨ ¬c 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

c ∨ ¬c
  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
q ∧ rr¬rq

已知前提 q ∨ r; ¬q。由它们可以推出哪个结论?点选它。

q ∨ r¬q
  1. 1q ∧ r
  2. 2r
  3. 3¬r
  4. 4q
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110302040507061121130151140809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 12, 13, 14) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 12, 13, 14)
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011130214X5X716X121131151140809111010

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 6, 11, 13, 14, 15) + d(5, 7, 12) 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(0, 1, 3, 4, 6, 11, 13, 14, 15) + d(5, 7, 12)
N =
7.数论与模运算中等

求 19 模 29 的逆元:满足 0 < x < 29 且 19·x ≡ 1 (mod 29) 的数 x。

a = 19n = 29
19−1 mod 29 =
8.数论与模运算困难

83 是素数。用费马小定理求 2587875 mod 83。

p = 83k = 87875
2587875 mod 83 =
9.算法与复杂度中等

你对一个 n 个元素的数组排序一次,然后用二分查找回答 k 次成员查询。总代价是多少?

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

哪种技术能使快速排序在任意输入上的期望运行时间为 O(n log n)?

  1. A在运行快速排序前先对输入排序
  2. B只对左侧进行递归
  3. C总是选择第一个元素
  4. D均匀随机地选择基准
11.数据结构中等

在从下标 0 开始存储于数组中的二叉堆里,下标为 i 的节点的父节点在哪里?

  1. A下标 ⌊i / 2⌋ + 1
  2. B下标 2i + 1
  3. C下标 ⌊(i − 1) / 2⌋
  4. D下标 i − 1
12.数据结构困难

哪条性质使每棵 B 树都保持完全平衡?

  1. A所有叶子都位于同一深度
  2. B每个节点恰好有两个子节点
  3. C键只存储在根中
  4. D每个节点只存储一个键
13.图论中等

完全图 K4 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。

K4
H =
14.图论困难
162014511131892ABCDEFG

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 7|E| = 9
W =
15.数据库与 SQL中等

当 WHERE 子句没有匹配任何行时,SELECT SUM(amount) FROM orders 返回什么?

  1. A0
  2. BNULL
  3. C空字符串
  4. D报错
16.数据库与 SQL困难

表 enrolment(student_id, course_id, student_name, grade) 的键是 (student_id, course_id)。它违反了哪个范式?

  1. A第一范式,因为 grade 列的值不是原子的
  2. B只违反第三范式,因为 grade 依赖于 student_name
  3. C都不违反,它满足 BCNF
  4. D第二范式,因为 student_name 只依赖于 student_id
17.计算机网络中等

为什么 Wi-Fi 使用冲突避免(CSMA/CA)而不是冲突检测?

  1. A无线电信号从不发生冲突
  2. BWi-Fi 每个网络只允许一台设备
  3. C冲突检测只在光纤线缆上起作用,在共享的无线信道上不起作用
  4. D无线站点在发送时无法可靠地检测到冲突
18.计算机网络困难

一台 PC 能访问本子网中的打印机,但无法访问子网以外的任何地方。它的 IP 地址和掩码都正确。最可能的故障是什么?

  1. ADNS 服务器设置有误
  2. B互联网上存在重复的 MAC 地址
  3. CTCP 窗口太小
  4. D默认网关缺失或错误
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2811111111111111111111111111110000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 12 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?

192.168.10.0/2412 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 23012806403211608141211网络主机

某主机地址为 10.20.216.23/27。其子网中最后一个可用主机地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.216.23/27
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 149

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

107 = 0110 1011
取反后: 1001 0100
+1 → 1001 0101

按无符号数读取

1001 0101₂ = 256 − 107 = 149

答案

U = 149
2.数制

答案: M = 768 KiB

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。

位和字节

512·512·24 = 6291456 bit = 786432 B

换算为 KiB

786432/1024 = 768 KiB

答案

M = 768 KiB
3.命题逻辑与证明

答案: 重言式

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

c = 1: ¬c = 0, c ∨ ¬c = 1
c = 0: ¬c = 1, c ∨ ¬c = 1

分类

c ∨ ¬c: 1, 1
每一行都是 1:重言式。

答案

重言式
4.命题逻辑与证明

答案: r

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。

所有前提都为真的行

q = 0, r = 1: q ∧ r = 0, r = 1, ¬r = 0, q = 0

结论

r (析取三段论)

答案

r
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 10

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。

ABCD000111100001111000110302040507061121130151140809011010

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。

ABD′
ABC′
A′B′C′D

最简 SOP 形式

F = ABD′ + ABC′ + A′B′C′D
L = 10

答案

L = 10
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。

CD, B, A′D, A′C′
ABCD00011110000111101011130214X5X716X121131151140809111010

最小覆盖

F = CD + B + A′C′
N = 3

答案

N = 3
7.数论与模运算

答案: 19−1 mod 29 = 26

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·19 (mod 29)。

r = 29, t = 0
r = 19, q = 1, t = 1
r = 10, q = 1, t = −1
r = 9, q = 1, t = 2
r = 1, q = 9, t = −3

逆矩阵

1 ≡ −3·19 (mod 29)
x = 26
校核: 19·26 = 494 = 17·29 + 1

答案

19−1 mod 29 = 26
8.数论与模运算

答案: 2587875 mod 83 = 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。

化简指数

87875 mod 82 = 53
2587875 ≡ 2553 (mod 83)

小的幂

2553 mod 83 = 12

答案

2587875 mod 83 = 12
9.算法与复杂度

答案: C · O(n log n + k log n)

为什么是这个答案

排序代价为 O(n log n),每次查询为 O(log n);当 k 很大时,这比 k 次线性扫描(O(nk))更好。

答案

C · O(n log n + k log n)
10.算法与复杂度

答案: D · 均匀随机地选择基准

为什么是这个答案

使用随机基准时,对每个输入的期望运行时间都是 O(n log n);坏情况依然存在,但发生的概率极低。

答案

D · 均匀随机地选择基准
11.数据结构

答案: C · 下标 ⌊(i − 1) / 2⌋

为什么是这个答案

i 的子节点位于 2i + 1 和 2i + 2,因此 i 的父节点位于 ⌊(i − 1) / 2⌋;若下标从 1 开始,则为 ⌊i / 2⌋。

答案

C · 下标 ⌊(i − 1) / 2⌋
12.数据结构

答案: A · 所有叶子都位于同一深度

为什么是这个答案

节点满时向上分裂,只有根分裂时树才会变高,因此所有叶子始终处于同一层。

答案

A · 所有叶子都位于同一深度
13.图论

答案: H = 3

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 = (4 − 1)!/2 = 6/2 = 3

答案

H = 3
14.图论

答案: W = 56

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

GD (2): 取
BD (5): 取
GC (9): 取
DF (11): 取
EF (13): 取
BC (14): 跳过,会形成圈
AB (16): 取

总权重

W = 2 + 5 + 9 + 11 + 13 + 16 = 56

答案

W = 56
15.数据库与 SQL

答案: B · NULL

为什么是这个答案

SUM、AVG、MIN 和 MAX 在空集上返回 NULL,而 COUNT 返回 0;COALESCE(SUM(amount), 0) 则会返回 0。

答案

B · NULL
16.数据库与 SQL

答案: D · 第二范式,因为 student_name 只依赖于 student_id

为什么是这个答案

student_name 只依赖于键的一部分,这是部分依赖;把它移到 students 表中可以修正对 2NF 的违反。

答案

D · 第二范式,因为 student_name 只依赖于 student_id
17.计算机网络

答案: D · 无线站点在发送时无法可靠地检测到冲突

为什么是这个答案

无线发射机在发送时听不到其他较弱的信号,而且有些站点彼此隐藏。因此 802.11 采用随机退避等待并使用确认。

答案

D · 无线站点在发送时无法可靠地检测到冲突
18.计算机网络

答案: D · 默认网关缺失或错误

为什么是这个答案

主机把发往子网外的数据包发给默认网关。如果网关错误或缺失,本地流量仍然正常,但外部什么都访问不到,即使使用 IP 地址也一样。

答案

D · 默认网关缺失或错误
19.IPv4 子网划分

答案: H = 14

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

24 = 16 ≥ 12 → b = 4, /28

每个子网的主机数

24 − 2 = 14

答案

H = 14
20.IPv4 子网划分

答案: x = 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)。

块大小

25 = 32

该主机所在子网

网络: ⌊23/32⌋·32 = 0
广播: 0 + 32 − 1 = 31
可用主机: 1 … 30

答案

x = 30

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