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 −86 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 = −868 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1111 0011 << 1 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1111 0011<< 1
R =
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

((b → c) ∧ c) → b 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

((b → c) ∧ c) → b
  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
pqrq → pr → pq → r111110101100011010001000

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

q → pr → p∴ q → r
  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
ABCD000111100001111010111312140517160120130150141819111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 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, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110100113X2041507X61120130151140819011X10

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 5, 9, 12, 14) + d(2, 6, 10)(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(0, 3, 5, 9, 12, 14) + d(2, 6, 10)
N =
7.数论与模运算中等

解 54x ≡ 53 (mod 71)。给出满足 0 < x < 71 的解 x。

54x ≡ 53 (mod 71)
x =
8.数论与模运算困难

89 是素数。用费马小定理求 262730 mod 89。

p = 89k = 2730
262730 mod 89 =
9.算法与复杂度中等

用自底向上的表格计算第 n 个斐波那契数,时间复杂度是多少?

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

最短简单路径可以在多项式时间内求出。在一般图中求两个顶点之间的最长简单路径,已知情况如何?

  1. A它是 NP 难的
  2. B总能在 O(V + E) 内求解
  3. C可以把权重取反后用 Dijkstra 算法求解
  4. D它是不可判定的
11.数据结构中等

在字母表固定的字典树中查找一个长度为 L 的单词需要多长时间?

  1. AO(n),其中 n 是单词个数
  2. BO(log n),其中 n 是单词个数
  3. CO(L × n)
  4. DO(L),与存储了多少个单词无关
12.数据结构困难

一个动态数组在满时容量翻倍。为什么许多实现只在它只有四分之一满时才缩容,而不是一半满时?

  1. A因为内存分配器只能以块的四分之一为单位释放内存
  2. B为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
  3. C为了使数组保持有序
  4. D因为在一半满时减半会丢失元素
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
71014421015714ABCDEF

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

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

  1. A报错
  2. B0
  3. CNULL
  4. D空字符串
16.数据库与 SQL困难

为什么带有 WHERE YEAR(order_date) = 2025 的查询可能不会使用 order_date 上的索引?

  1. Aorder_date 上的索引只用于 ORDER BY 子句,绝不用于 WHERE
  2. B索引永远不能用于日期
  3. C对列应用函数会妨碍简单的索引范围查找
  4. DYEAR 不是合法的 SQL
17.计算机网络中等

哪个范围的 TCP/UDP 端口号被保留为"知名"端口?

  1. A1024–49151
  2. B49152–65535
  3. C0–65535
  4. D0–1023
18.计算机网络困难

BGP 在互联网中的主要作用是什么?

  1. A将名称解析为地址
  2. B通过互联网服务提供商为家庭用户分配 IP 地址
  3. C在自治系统之间交换路由信息
  4. D加密路由器之间的数据
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2611111111111111111111111111000000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 3 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?

192.168.10.0/243 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 46012806413201618141201网络主机

某主机地址为 10.20.69.46/29。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?

10.20.69.46/29
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 170

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

86 = 0101 0110
取反后: 1010 1001
+1 → 1010 1010

按无符号数读取

1010 1010₂ = 256 − 86 = 170

答案

U = 170
2.数制

答案: R = 230

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

左移 1 位,把每一位向左移动 1 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

1111 0011 << 1
= 1110 0110

结果的值

1110 0110₂ = 230

答案

R = 230
3.命题逻辑与证明

答案: 偶然式

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

b = 1, c = 1: b → c = 1, (b → c) ∧ c = 1, ((b → c) ∧ c) → b = 1
b = 1, c = 0: b → c = 0, (b → c) ∧ c = 0, ((b → c) ∧ c) → b = 1
b = 0, c = 1: b → c = 1, (b → c) ∧ c = 1, ((b → c) ∧ c) → b = 0
b = 0, c = 0: b → c = 1, (b → c) ∧ c = 0, ((b → c) ∧ c) → b = 1

分类

((b → c) ∧ c) → b: 1, 1, 0, 1
在 4 行中有 3 行为 1,其余为 0:偶然式。

答案

偶然式
4.命题逻辑与证明

答案: p = 1, q = 1, r = 0

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

反例

p = 1, q = 1, r = 0

答案

p = 1, q = 1, r = 0

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 = 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。

ABCD000111100001111010111312140517160120130150141819111110

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′
A′D′
A′C

最简 SOP 形式

F = B′ + A′D′ + A′C
N = 3

答案

N = 3
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 5

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′, A′B′D′, ABD′, A′B′C, A′BC′D, AB′C′D
ABCD0001111000011110100113X2041507X61120130151140819011X10

必要质蕴涵项

A′B′D′, ABD′, A′B′C, A′BC′D, AB′C′D
N = 5

答案

N = 5
7.数论与模运算

答案: x = 47

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)。

54 的逆元

r = 71, t = 0
r = 54, q = 1, t = 1
r = 17, q = 3, t = −1
r = 3, q = 5, t = 4
r = 2, q = 1, t = −21
r = 1, q = 2, t = 25
54−1 ≡ 25 (mod 71)

求解

x ≡ 25·53 = 1325 ≡ 47 (mod 71)
校核: 54·47 = 2538 ≡ 53 (mod 71)

答案

x = 47
8.数论与模运算

答案: 262730 mod 89 = 53

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

2730 mod 88 = 2
262730 ≡ 262 (mod 89)

小的幂

262 mod 89 = 53

答案

262730 mod 89 = 53
9.算法与复杂度

答案: D · O(n)

为什么是这个答案

从 0 到 n 填表时每项只需一次加法,因此工作量是线性的,而不是指数级的。

答案

D · O(n)
10.算法与复杂度

答案: A · 它是 NP 难的

为什么是这个答案

长度为 V − 1 的最长简单路径就是一条哈密顿路径,而这是一个 NP 完全问题;不过在有向无环图上,它可以在线性时间内求解。

答案

A · 它是 NP 难的
11.数据结构

答案: D · O(L),与存储了多少个单词无关

为什么是这个答案

每个字符选择一个子节点,因此无论字典树中有多少单词,一次查找都只需 L 步。

答案

D · O(L),与存储了多少个单词无关
12.数据结构

答案: B · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小

为什么是这个答案

在一半满时缩容,可能使这样的操作序列中每次操作都触发一次调整大小;1/4 与满之间的间隔使均摊代价保持在 O(1)。

答案

B · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
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: d(F) = 19

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: 7, C: 10
B (7): D: 11, E: 21
C (10): E: 12
D (11): F: 26
E (12): F: 19
F (19)

最短路径

A → C → E → F
d(F) = 19

答案

d(F) = 19
15.数据库与 SQL

答案: C · 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

C · NULL
16.数据库与 SQL

答案: C · 对列应用函数会妨碍简单的索引范围查找

为什么是这个答案

该表达式不是 "sargable" 的;改用 order_date >= '2025-01-01' AND order_date < '2026-01-01' 即可进行索引范围扫描。

答案

C · 对列应用函数会妨碍简单的索引范围查找
17.计算机网络

答案: D · 0–1023

为什么是这个答案

端口 0–1023 是用于标准服务的知名端口。1024–49151 是注册端口,49152–65535 是动态或私有端口。

答案

D · 0–1023
18.计算机网络

答案: C · 在自治系统之间交换路由信息

为什么是这个答案

BGP 是域间路由协议;自治系统(AS)通告可达前缀,并根据策略选择路径。

答案

C · 在自治系统之间交换路由信息
19.IPv4 子网划分

答案: H = 62

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

22 = 4 ≥ 3 → b = 2, /26

每个子网的主机数

26 − 2 = 62

答案

H = 62
20.IPv4 子网划分

答案: x = 46

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

23 = 8

该主机所在子网

网络: ⌊46/8⌋·8 = 40
广播: 40 + 8 − 1 = 47
可用主机: 41 … 46

答案

x = 46

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