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 −115。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1158 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 1000 XOR 0100 0011 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 1000XOR0100 0011
R =
3.命题逻辑与证明中等
(p ∧ r) ∧ ¬q¬(p ∧ r) → ¬qq → (p ∧ r)¬q → ¬(p ∧ r)

你想用逆否证明来证明 (p ∧ r) → q。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

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

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

((s → ¬p) ∧ ¬s) ↔ (q ↔ r)
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111011111111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(1, 2, 3, 4, 10, 13, 14, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-12

模 12 计数器必须依次经过 12 个不同的状态。它至少需要多少个触发器 n?

N = 12
n =
7.数论与模运算中等

求 26 模 43 的逆元:满足 0 < x < 43 且 26·x ≡ 1 (mod 43) 的数 x。

a = 26n = 43
26−1 mod 43 =
8.数论与模运算困难

67 是素数。用费马小定理求 3060844 mod 67。

p = 67k = 60844
3060844 mod 67 =
9.算法与复杂度中等

均摊分析衡量的是什么?

  1. A在随机输入上的期望代价
  2. B序列中任何位置上单个最昂贵操作的代价
  3. C在最坏情况的操作序列上,每个操作的平均代价
  4. D算法在最好输入上的代价
10.算法与复杂度困难

关于在无序数组中选择第 k 小的元素,下列哪个说法是正确的?

  1. A快速选择的最坏情况为 O(log n),因为它只对枢轴的一侧递归
  2. B选择总是需要 Ω(n log n),因为必须先排序
  3. C选择只能在 O(n²) 内完成
  4. D快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)
11.数据结构中等

一个大小为 7 的哈希表使用 h(k) = k mod 7 和线性探测。插入 10 之后,17 存放在哪里?

  1. A下标 4
  2. B下标 0
  3. C下标 6
  4. D下标 3
12.数据结构困难

你必须用 O(k) 的内存从 n 个数的数据流中保留最小的 k 个值。哪种方法能在 O(n log k) 时间内完成?

  1. A一个保存最后 k 个值的 FIFO 队列
  2. B一个大小为 k 的最大堆,当出现更小的值时替换其根
  3. C一个包含全部 n 个值的有序数组
  4. D一个保存全部 n 个值的最小堆,最后从中弹出 k 个最小值
13.图论中等

一棵树有 4 个度为 4 的顶点, 4 个度为 2 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

4 × deg 44 × deg 2
L =
14.图论困难
ABCDEF

长度为 2 且起点和终点都是 C 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

第一范式(1NF)要求:

  1. A每个非键列都依赖于整个键,且只依赖于键
  2. B没有外键
  3. C每列都包含原子值,且没有重复组
  4. D每个表恰好只有一列
16.数据库与 SQL困难

对于两个没有可用索引的大表之间的等值连接,优化器通常选择哪种连接算法?

  1. A主键上的位图连接
  2. B交叉连接
  3. C哈希连接
  4. D带索引查找的嵌套循环连接
17.计算机网络中等

RIP 使用哪种度量来选择路由?

  1. A跳数
  2. B测得的时延
  3. C业务策略
  4. D链路带宽
18.计算机网络困难

为什么网站出示自签名证书时浏览器会发出警告?

  1. A没有受信任的证书颁发机构担保该密钥属于该网站
  2. B该网站一定在使用 HTTP 而不是 HTTPS
  3. C自签名证书根本不使用加密,因此流量以明文发送
  4. D该证书总是已过期
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 362 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

362 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难

网络 192.168.103.0/24 用 VLSM 划分给以下局域网:A: 33 主机, B: 23 主机, C: 21 主机, D: 5 主机, E: 13 主机。子网从 .0 开始向上分配,主机最多的局域网先分配,每个局域网分配能容纳它的最小子网。局域网 B 的网络地址第四个八位组 x 是多少?

A: 33B: 23C: 21D: 5E: 13
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 141

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

115 = 0111 0011
取反后: 1000 1100
+1 → 1000 1101

按无符号数读取

1000 1101₂ = 256 − 115 = 141

答案

U = 141
2.数制

答案: R = 27

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

XOR 在两位不同时得 1。

0101 1000
XOR 0100 0011
= 0001 1011

结果的值

0001 1011₂ = 27

答案

R = 27
3.命题逻辑与证明

答案: ¬q → ¬(p ∧ 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)。

蕴涵的各个部分

a = p ∧ r, b = q

逆否命题

¬b → ¬a = ¬q → ¬(p ∧ r)

答案

¬q → ¬(p ∧ r)

逆否命题与原命题等价,所以证明了它就证明了原命题。

4.命题逻辑与证明

答案: N = 8

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

¬p; s → ¬p; ¬s; (s → ¬p) ∧ ¬s; q ↔ r; ((s → ¬p) ∧ ¬s) ↔ (q ↔ r)

按 p 拆分

p = 1: 4
p = 0: 4
N = 4 + 4 = 8

答案

N = 8
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 01, CD = 00

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。

每个 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m4: m5, m6, m0, m12 → 0
ABCD000111100001111011111111

孤立的 1

m4 = A′BC′D′ → AB = 01, CD = 00

答案

AB = 01, CD = 00
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: n = 4

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 12 → n = 4 (2⁴ = 16)

答案

n = 4
7.数论与模运算

答案: 26−1 mod 43 = 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·26 (mod 43)。

r = 43, t = 0
r = 26, q = 1, t = 1
r = 17, q = 1, t = −1
r = 9, q = 1, t = 2
r = 8, q = 1, t = −3
r = 1, q = 8, t = 5

逆矩阵

1 ≡ 5·26 (mod 43)
x = 5
校核: 26·5 = 130 = 3·43 + 1

答案

26−1 mod 43 = 5
8.数论与模运算

答案: 3060844 mod 67 = 37

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

60844 mod 66 = 58
3060844 ≡ 3058 (mod 67)

小的幂

3058 mod 67 = 37

答案

3060844 mod 67 = 37
9.算法与复杂度

答案: C · 在最坏情况的操作序列上,每个操作的平均代价

为什么是这个答案

均摊分析把少数昂贵操作的代价分摊到许多廉价操作上,从而对任意操作序列给出有保证的平均值。

答案

C · 在最坏情况的操作序列上,每个操作的平均代价
10.算法与复杂度

答案: D · 快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)

为什么是这个答案

使用随机基准时,快速选择的期望工作量为 n + n/2 + n/4 + ... = O(n);把基准选为中位数的中位数可使最坏情况为线性。

答案

D · 快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)
11.数据结构

答案: A · 下标 4

为什么是这个答案

10 mod 7 = 3,17 mod 7 = 3;下标 3 已被占用,因此线性探测尝试下一个槽位,即下标 4。

答案

A · 下标 4
12.数据结构

答案: B · 一个大小为 k 的最大堆,当出现更小的值时替换其根

为什么是这个答案

最大堆的根是所保留值中最大的;任何更小的新值都以 O(log k) 替换它,因此堆中始终保存着迄今为止最小的 k 个值。

答案

B · 一个大小为 k 的最大堆,当出现更小的值时替换其根
13.图论

答案: L = 10

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。

树的握手引理

L + 24 = 2(L + 8) − 2
L = 10

答案

L = 10

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

14.图论

答案: N = 2

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

公共邻点

(M²)CC = 1·1 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 0·0 + 0·0 = 2

答案

N = 2
15.数据库与 SQL

答案: C · 每列都包含原子值,且没有重复组

为什么是这个答案

1NF 要求每个单元格为原子值,行可唯一标识,且没有重复组。

答案

C · 每列都包含原子值,且没有重复组
16.数据库与 SQL

答案: C · 哈希连接

为什么是这个答案

哈希连接在一个输入上构建哈希表,再用另一个输入进行探测,非常适合没有索引的大型等值连接。

答案

C · 哈希连接
17.计算机网络

答案: A · 跳数

为什么是这个答案

RIP 是一种计算跳数的距离向量协议,16 表示不可达。这使它只适用于小型网络。

答案

A · 跳数
18.计算机网络

答案: A · 没有受信任的证书颁发机构担保该密钥属于该网站

为什么是这个答案

浏览器信任由其信任库中的 CA 直接或通过证书链签发的证书。自签名证书任何人都能制作,包括中间人。

答案

A · 没有受信任的证书颁发机构担保该密钥属于该网站
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 < 362
29 − 2 = 510 ≥ 362 → h = 9

前缀长度

p = 32 − 9 = 23

答案

p = /23
20.IPv4 子网划分

答案: x = 64

VLSM:每个局域网分配满足 2ʰ − 2 ≥ 其主机数的最小子网,即前缀 32 − h。先分配最大的子网,可使每个块都对齐在其自身大小的倍数上,因此网络地址就是各块大小依次相加的结果。

每个局域网的块大小

A: 33 主机 → 26 = 64 (/26)
B: 23 主机 → 25 = 32 (/27)
C: 21 主机 → 25 = 32 (/27)
E: 13 主机 → 24 = 16 (/28)
D: 5 主机 → 23 = 8 (/29)

分配顺序,从大到小

A: .0 – .63
B: .64 – .95
C: .96 – .127
E: .128 – .143
D: .144 – .151

答案

x = 64

局域网 B:192.168.103.64/27。

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