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 −10。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −108 bit
U =
2.数制困难
2905 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 2905 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?

2905
b = bit
3.命题逻辑与证明中等
(p → q) ∨ (r → q)p ∨ (r → q)(p ∧ r) → q(p → q) ∧ (r → q)

哪个公式与 (p ∨ r) → q 在逻辑上等价?点选它。

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

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

¬(¬((¬q ∧ p) ∧ (r ∧ s)) ∨ ((q ∧ ¬s) ∧ p))
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011001130214050706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 3, 4) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C) = Σm(0, 3, 4)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011030214051716112013X15014X819X11010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 6, 7, 9, 12) + d(8, 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(0, 1, 4, 6, 7, 9, 12) + d(8, 11, 15)
N =
7.数论与模运算中等

求 25 模 62 的逆元:满足 0 < x < 62 且 25·x ≡ 1 (mod 62) 的数 x。

a = 25n = 62
25−1 mod 62 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n638m = cd​ mod n?(n, e) = (989, 19)d

某个 RSA 密钥使用 p = 23,q = 43,e = 19。解密密文 c = 638:求消息 m。

p = 23q = 43e = 19c = 638
m =
9.算法与复杂度中等

在活动选择问题中,哪条贪心规则总能得到数量最多的互不重叠的活动?

  1. A先选择最短的活动
  2. B选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
  3. C先选择与其他活动重叠最少的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
  4. D选择最早开始的活动
10.算法与复杂度困难

停机问题(halting problem)表明:

  1. A不存在一种算法能对所有程序和输入判定其是否会停机
  2. B应当避免使用循环
  3. C有些程序在更快的计算机上运行得更快,所以是否停机取决于硬件
  4. D每个程序最终都会停机
11.数据结构中等

深度优先搜索(迭代版本)使用哪种数据结构?

  1. A堆
  2. B仅哈希表
  3. C队列
  4. D栈
12.数据结构困难

在没有按秩合并和路径压缩的情况下,含 n 个元素的并查集结构中一次 find 操作的最坏代价是多少?

  1. AO(n)
  2. BO(α(n))
  3. CO(log n)
  4. DO(1)
13.图论中等
ABCDEFG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| = 7|E| = 9
  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
451172151212ABCDEF

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 3 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

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

对于一行,WHERE EXISTS (subquery) 在什么情况下为真?

  1. A子查询恰好返回一行时
  2. B子查询至少返回一行时
  3. C子查询不返回 NULL 值时
  4. D子查询返回一个大于零的数时
16.数据库与 SQL困难

查询 FROM customers c LEFT JOIN orders o ON o.customer_id = c.id WHERE o.status = 'paid' 意外地丢掉了没有订单的客户。为什么?

  1. A对 o 的 WHERE 条件拒绝了用 NULL 填充的行,使其变成了内连接
  2. B连接应该使用 USING 而不是 ON
  3. CLEFT JOIN 从不保留不匹配的行
  4. Dstatus 是保留字
17.计算机网络中等

哪种 DNS 记录类型把主机名映射到 IPv6 地址?

  1. AAAAA
  2. BA
  3. CMX
  4. DCNAME
18.计算机网络困难

一个 TCP 连接的窗口为 64 KB,往返时间为 100 ms,且没有窗口扩大。它的最大吞吐量大约是多少?

  1. A约 5 Mbit/s
  2. B约 0.5 Mbit/s
  3. C约 50 Mbit/s
  4. D约 640 Mbit/s
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 5 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?

192.168.10.0/245 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 160 … 164112806413201608040201相同不同

一台路由器有到以下网络的路由:10.138.160.0/24, 10.138.161.0/24, 10.138.162.0/24, 10.138.163.0/24, 10.138.164.0/24。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?

10.138.160.0/24 … 10.138.164.0/24
p =

3溶液

1.数制

答案: U = 246

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

10 = 0000 1010
取反后: 1111 0101
+1 → 1111 0110

按无符号数读取

1111 0110₂ = 256 − 10 = 246

答案

U = 246
2.数制

答案: b = 12 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

211 = 2048 < 2905
212 = 4096 ≥ 2905

答案

b = 12
3.命题逻辑与证明

答案: (p → q) ∧ (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) → c 要求只要 a 或 b 成立就必须有 c:(a → c) ∧ (b → c)。
(p ∨ r) → q ≡ (p → q) ∧ (r → q)

用真值表检验

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

答案

(p → q) ∧ (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 = 1

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

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

按 p 拆分

p = 1: 1
p = 0: 0
N = 1 + 0 = 1

答案

N = 1
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。

ABC00011110011001130214050706

圈 0

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 + C′)
(B′ + C)
(A′ + C′)

最简 POS 形式

F = (B + C′)(B′ + C)(A′ + C′)
N = 3

答案

N = 3

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

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′, B′C′, BCD, A′BD′, AB′D, A′BC
ABCD00011110000111101011030214051716112013X15014X819X11010

必要质蕴涵项

C′D′, B′C′
N = 2

答案

N = 2
7.数论与模运算

答案: 25−1 mod 62 = 5

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·25 (mod 62)。

r = 62, t = 0
r = 25, q = 2, t = 1
r = 12, q = 2, t = −2
r = 1, q = 12, t = 5

逆矩阵

1 ≡ 5·25 (mod 62)
x = 5
校核: 25·5 = 125 = 2·62 + 1

答案

25−1 mod 62 = 5
8.数论与模运算

答案: m = 595

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 = 989, φ(n) = 924
d = 19−1 mod 924 = 535

用反复平方法解密

535 = 512 + 16 + 4 + 2 + 1
6381 ≡ 638 (mod 989)
6382 ≡ 565 (mod 989)
6384 ≡ 767 (mod 989)
6388 ≡ 823 (mod 989)
63816 ≡ 853 (mod 989)
63832 ≡ 694 (mod 989)
63864 ≡ 982 (mod 989)
638128 ≡ 49 (mod 989)
638256 ≡ 423 (mod 989)
638512 ≡ 909 (mod 989)
638535 ≡ 638·565·767·853·909 ≡ 595 (mod 989)

消息

m = 595
校核: 59519 mod 989 = 638

答案

m = 595
9.算法与复杂度

答案: B · 选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步

为什么是这个答案

选择最早结束时间可以用交换论证证明是最优的;其他规则都有反例。

答案

B · 选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
10.算法与复杂度

答案: A · 不存在一种算法能对所有程序和输入判定其是否会停机

为什么是这个答案

Turing 证明了停机问题是不可判定的(undecidable):假设存在判定器,就会与一个做相反行为的程序产生矛盾。

答案

A · 不存在一种算法能对所有程序和输入判定其是否会停机
11.数据结构

答案: D · 栈

为什么是这个答案

DFS 尽可能向深处探索,自然地使用栈(或递归的调用栈);BFS 使用队列。

答案

D · 栈
12.数据结构

答案: A · O(n)

为什么是这个答案

朴素的合并可能把树连成一条长链,因此 find 可能要沿着 n − 1 个父指针走;这两种启发式方法使其接近常数。

答案

A · O(n)
13.图论

答案: 都不是

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) = 4, deg(D) = 2, deg(E) = 3, deg(F) = 1, deg(G) = 3

奇度顶点

B, E, F, G → 4
都不是

答案

都不是
14.图论

答案: C

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): B: 4, C: 5
2. B (4): D: 11, E: 6
3. C (5)
4. E (6): F: 7
5. F (7)
6. D (11)

轮 3

C

答案

C
15.数据库与 SQL

答案: B · 子查询至少返回一行时

为什么是这个答案

EXISTS 只检查是否产生了任何行;子查询不返回任何行时,NOT EXISTS 为真。

答案

B · 子查询至少返回一行时
16.数据库与 SQL

答案: A · 对 o 的 WHERE 条件拒绝了用 NULL 填充的行,使其变成了内连接

为什么是这个答案

不匹配的行中 o.status 为 NULL,因此 WHERE 测试不为 TRUE;把这个条件移到 ON 子句中就能保留每个客户。

答案

A · 对 o 的 WHERE 条件拒绝了用 NULL 填充的行,使其变成了内连接
17.计算机网络

答案: A · AAAA

为什么是这个答案

A 记录保存 IPv4 地址,AAAA 记录保存 IPv6 地址。MX 指明邮件服务器,CNAME 给出别名。

答案

A · AAAA
18.计算机网络

答案: A · 约 5 Mbit/s

为什么是这个答案

吞吐量 ≤ 窗口 / RTT = 65,536 × 8 比特 / 0.1 s ≈ 5.2 Mbit/s,无论链路有多快。

答案

A · 约 5 Mbit/s
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 ≥ 5 → 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: 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

160 = 10100000
164 = 10100100
相同的前导位:5

前缀长度

p = 16 + 5 = 21

答案

p = /21

汇总路由:10.138.160.0/21 (它还覆盖了列表中没有的 3 个网络)。

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