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 −96 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 = −968 bit
U =
2.数制困难
4372 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 4372 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?

4372
b = bit
3.命题逻辑与证明中等
¬q ∧ ¬r¬q ∨ r¬q ∨ ¬r¬q ∧ r

哪个公式与 ¬(q ∧ r) 在逻辑上等价?点选它。

¬(q ∧ r)
  1. 1¬q ∧ ¬r
  2. 2¬q ∨ r
  3. 3¬q ∨ ¬r
  4. 4¬q ∧ r
4.命题逻辑与证明困难
qrr → qqr11100100

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

r → qq∴ r
  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
MUX1I0​CI1​CI2​0I3​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 = 1,I₁ = C,I₂ = C,I₃ = 0。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = 1I₁ = CI₂ = CI₃ = 0
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100011131214X50706012X131151141819011010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 8, 9, 14, 15) + d(5, 13)(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(1, 2, 3, 4, 8, 9, 14, 15) + d(5, 13)
N =
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 1 (mod 8) 和 x ≡ 4 (mod 9) 的最小正整数 x。

x ≡ 1 (mod 8)x ≡ 4 (mod 9)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n56m = cd​ mod n?(n, e) = (235, 11)d

某个 RSA 密钥使用 p = 5,q = 47,e = 11。解密密文 c = 56:求消息 m。

p = 5q = 47e = 11c = 56
m =
9.算法与复杂度中等

硬币面值为 1、3 和 4,金额为 6,贪心的"先取最大硬币"方法使用多少枚硬币?与最优解相比如何?

  1. A贪心用 2 枚;最优解是 2 枚
  2. B贪心用 4 枚;最优解是 3 枚
  3. C贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
  4. D贪心用 3 枚;最优解是 3 枚
10.算法与复杂度困难

要证明一个判定问题 X 是 NP 完全的,必须证明哪两点?

  1. AX 没有多项式算法,并且 X 是可判定的
  2. BX 属于 NP,并且某个已知的 NP 完全问题能在多项式时间内归约到 X
  3. CX 能归约到 P 中的某个问题,并且 X 属于 NP
  4. DX 属于 P,并且 X 能归约到 SAT
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始终为降序
  2. B升序排列
  3. C插入顺序
  4. D层序
12.数据结构困难

对以邻接矩阵存储的、有 V 个顶点的图进行广度优先搜索,运行时间是多少?

  1. AO(V²)
  2. BO(E log V)
  3. CO(V + E)
  4. DO(V)
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
11111141551018148ABCDEFG

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 4 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

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

ROLLBACK TO SAVEPOINT s1 的作用是什么?

  1. A从头撤销整个事务
  2. B删除该保存点以及此后更改过的所有表
  3. C结束事务并提交所有内容
  4. D撤销保存点 s1 之后所做的更改,事务保持打开
16.数据库与 SQL困难

两个事务都读到 stock = 10,各自减 1 后写回结果,最终得到 9 而不是 8。这是哪种异常?

  1. A删除异常
  2. B幻读
  3. C脏读
  4. D丢失更新
17.计算机网络中等

IPv4 首部中的哪个字段能防止数据包在路由环路中无限循环?

  1. A首部校验和
  2. B生存时间(TTL)
  3. C服务类型
  4. D标识
18.计算机网络困难

在具有冗余交换机链路的网络中,哪种机制可以防止广播环路?

  1. A生成树协议(Spanning Tree Protocol)
  2. BARP 缓存
  3. CDHCP 监听(DHCP snooping)
  4. DNAT
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111111000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 373 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

373 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 8012806403201618040201网络主机

某主机地址为 10.20.237.8/30。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.237.8/30
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 160

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

96 = 0110 0000
取反后: 1001 1111
+1 → 1010 0000

按无符号数读取

1010 0000₂ = 256 − 96 = 160

答案

U = 160
2.数制

答案: b = 13 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

212 = 4096 < 4372
213 = 8192 ≥ 4372

答案

b = 13
3.命题逻辑与证明

答案: ¬q ∨ ¬r

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

德摩根律:¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b。∧ 变成 ∨,并且两个部分都取否定。
¬(q ∧ r) ≡ ¬q ∨ ¬r

用真值表检验

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

答案

¬q ∨ ¬r

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: 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

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

反例

q = 1, r = 0

答案

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 = 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′ + A′BC + AB′C

F = 1 的行

ABC = 000, 001, 011, 101
N = 4

答案

N = 4
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。

C′D, A′B′D, ABD, A′B′C, A′BC′, AB′C′, ABC
ABCD00011110000111100011131214X50706012X131151141819011010

必要质蕴涵项

A′B′C, A′BC′, AB′C′, ABC
N = 4

答案

N = 4
7.数论与模运算

答案: x = 49

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)。

第一个同余式

x = 1 + 8k

第二个同余式

1 + 8k ≡ 4 (mod 9) → 8k ≡ 3 (mod 9)
k ≡ 8·3 ≡ 6 (mod 9)

结果

x = 1 + 8·6 = 49
x = 49
校核: 49 mod 8 = 1, 49 mod 9 = 4

答案

x = 49
8.数论与模运算

答案: m = 206

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 = 235, φ(n) = 184
d = 11−1 mod 184 = 67

用反复平方法解密

67 = 64 + 2 + 1
561 ≡ 56 (mod 235)
562 ≡ 81 (mod 235)
564 ≡ 216 (mod 235)
568 ≡ 126 (mod 235)
5616 ≡ 131 (mod 235)
5632 ≡ 6 (mod 235)
5664 ≡ 36 (mod 235)
5667 ≡ 56·81·36 ≡ 206 (mod 235)

消息

m = 206
校核: 20611 mod 235 = 56

答案

m = 206
9.算法与复杂度

答案: C · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚

为什么是这个答案

贪心取 4 + 1 + 1,共 3 枚,而 3 + 3 只用 2 枚,因此对这种硬币体系贪心不是最优的;动态规划才是。

答案

C · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
10.算法与复杂度

答案: B · X 属于 NP,并且某个已知的 NP 完全问题能在多项式时间内归约到 X

为什么是这个答案

属于 NP 说明 X 不比 NP 更难;从已知 NP 完全问题出发的归约说明 X 至少和整个 NP 一样难。

答案

B · X 属于 NP,并且某个已知的 NP 完全问题能在多项式时间内归约到 X
11.数据结构

答案: B · 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

B · 升序排列
12.数据结构

答案: A · O(V²)

为什么是这个答案

V 个顶点中的每一个都要扫描一行 V 个元素,因此为 O(V²);使用邻接表时 BFS 为 O(V + E)。

答案

A · O(V²)
13.图论

答案: 有欧拉通路,无回路

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) = 3, deg(C) = 2, deg(D) = 2, deg(E) = 3

奇度顶点

B, E → 2
有欧拉通路,无回路

答案

有欧拉通路,无回路

欧拉通路从一个奇度顶点出发,在另一个奇度顶点结束。

14.图论

答案: G

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: 11
2. C (11): B: 22, E: 15, G: 19
3. E (15): D: 30, F: 25
4. G (19): B: 20
5. B (20)
6. F (25)
7. D (30)

轮 4

G

答案

G
15.数据库与 SQL

答案: D · 撤销保存点 s1 之后所做的更改,事务保持打开

为什么是这个答案

保存点标记事务内的一个位置;回滚到该点会取消之后的工作,而之前的更改在 COMMIT 之前仍处于待定状态。

答案

D · 撤销保存点 s1 之后所做的更改,事务保持打开
16.数据库与 SQL

答案: D · 丢失更新

为什么是这个答案

在丢失更新中,两个事务都基于同一个旧值工作,第二次写入抹去了第一次;加锁(SELECT ... FOR UPDATE)或原子更新可以防止这种情况。

答案

D · 丢失更新
17.计算机网络

答案: B · 生存时间(TTL)

为什么是这个答案

每台路由器都把 TTL 减一;减到零时数据包被丢弃,通常还会发送一条 ICMP 超时(Time Exceeded)消息。IPv6 称之为跳数限制(hop limit)。

答案

B · 生存时间(TTL)
18.计算机网络

答案: A · 生成树协议(Spanning Tree Protocol)

为什么是这个答案

STP 选举根桥并阻塞冗余路径,当活动链路故障时再解除阻塞。

答案

A · 生成树协议(Spanning Tree Protocol)
19.IPv4 子网划分

答案: p = 23

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

28 − 2 = 254 < 373
29 − 2 = 510 ≥ 373 → h = 9

前缀长度

p = 32 − 9 = 23

答案

p = /23
20.IPv4 子网划分

答案: x = 11

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: ⌊8/4⌋·4 = 8
广播: 8 + 4 − 1 = 11
可用主机: 9 … 10

答案

x = 11

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