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 −79。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −798 bit
U =
2.数制困难
16 bit1 px1280 px720 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1280 × 720 像素,每像素 16 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1280 × 720 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
(p → q) ∧ (¬q → ¬p)(p → q) ∧ (q → p)(p → q) ∨ (q → p)p ∧ q

哪个公式与 p ↔ q 在逻辑上等价?点选它。

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

真值表的 16 行中,有多少行使 (a → b) ↔ (a → (d → ¬c)) 为真?把这个数记作 N。

(a → b) ↔ (a → (d → ¬c))
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC000111100101324576

把 F = B′C + A′B′C′ + AB′ + B′C′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L?

F = B′C + A′B′C′ + AB′ + B′C′
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111010X103X204151716012013X150140819111010

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 7, 9, 11) + d(1, 2, 15) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 6, 7, 9, 11) + d(1, 2, 15)
L =
7.数论与模运算中等

求 57 模 79 的逆元:满足 0 < x < 79 且 57·x ≡ 1 (mod 79) 的数 x。

a = 57n = 79
57−1 mod 79 =
8.数论与模运算困难

59 是素数。用费马小定理求 2666681 mod 59。

p = 59k = 66681
2666681 mod 59 =
9.算法与复杂度中等

Prim 算法如何构建最小生成树?

  1. A从一个起始顶点开始扩展一棵树,每次加入离开该树的最便宜的边
  2. B运行广度优先搜索并保留 BFS 树
  3. C把所有边按权重排序,逐条加入,除非会在森林中形成环
  4. D不断删除最贵的边,直到没有环为止
10.算法与复杂度困难

Bellman–Ford 算法如何检测从源点可达的负权环?

  1. A在 V − 1 轮之后,检查是否还有边可以被松弛
  2. B检查是否有边的权重为负
  3. C用深度优先搜索统计环的数量
  4. D它运行两次 Dijkstra 算法,并比较两次的距离结果
11.数据结构中等

二叉搜索树中的某个节点有右子树。它的中序后继在哪里?

  1. A总是它的父节点
  2. B其右子树中最左边的节点
  3. C其左子树中最右边的节点
  4. D总是它的右子节点
12.数据结构困难

对于键互不相同的二叉树,哪一对遍历序列总能唯一确定这棵树?

  1. A前序和中序
  2. B前序和后序
  3. C仅层序
  4. D仅前序
13.图论中等

一棵树有 2 个度为 3 的顶点, 3 个度为 4 的顶点, 4 个度为 5 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

2 × deg 33 × deg 44 × deg 5
L =
14.图论困难
16820113191517ABCDEF

克鲁斯卡尔算法构造最小生成树。点选它加入的第 5 条边;被跳过的边不计。

k = 5
  1. 1边 AB
  2. 2边 AC
  3. 3边 BC
  4. 4边 BD
  5. 5边 DE
  6. 6边 DF
  7. 7边 EF
  8. 8边 BE
15.数据库与 SQL中等

在关系代数中,投影运算符(π)对应于:

  1. A按键组合两个表
  2. B选择哪些列出现在结果中
  3. C对结果排序
  4. D选择哪些行满足给定条件
16.数据库与 SQL困难

要在深度未知的组织树中找出某位经理下属的所有员工,哪种 SQL 功能最合适?

  1. A递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
  2. B在 manager_id 上加 UNIQUE 约束
  3. C对 manager_id 进行 GROUP BY
  4. D基于 manager_id 对 employees 表做一次自连接
17.计算机网络中等

一个 /26 的 IPv4 子网有多少个可用主机地址?

  1. A30
  2. B64
  3. C62
  4. D126
18.计算机网络困难

TCP 拥塞控制的“慢启动”(slow start)阶段:

  1. A每个往返时间都将拥塞窗口减半,直到检测到丢包
  2. B以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包
  3. C仅由 UDP 使用
  4. D将窗口固定为一个报文段
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111111110000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 85 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

85 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 209112816403211608040211网络主机

某主机地址为 10.20.102.209/26。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?

10.20.102.209/26
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 177

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

79 = 0100 1111
取反后: 1011 0000
+1 → 1011 0001

按无符号数读取

1011 0001₂ = 256 − 79 = 177

答案

U = 177
2.数制

答案: M = 1800 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

1280·720·16 = 14745600 bit = 1843200 B

换算为 KiB

1843200/1024 = 1800 KiB

答案

M = 1800 KiB
3.命题逻辑与证明

答案: (p → q) ∧ (q → p)

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 表示蕴涵在两个方向上都成立:(a → b) ∧ (b → a)。
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)

用真值表检验

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

答案

(p → q) ∧ (q → p)

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 = 12

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

a → b; ¬c; d → ¬c; a → (d → ¬c); (a → b) ↔ (a → (d → ¬c))

按 a 拆分

a = 1: 4
a = 0: 8
N = 4 + 8 = 12

答案

N = 12
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 1

布尔代数:化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y,以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′,把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则:每个由两个相邻格子组成的圈,就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

B′C → m(1, 5)
A′B′C′ → m(0)
AB′ → m(4, 5)
B′C′ → m(0, 4)
ABC00011110011011030214150706

圈组并读出结果

F = B′

数出文字个数

L = 1

答案

L = 1
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

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。

B′C′D, BCD, A′C′D, A′CD′, ACD, A′B′D′, A′BD, AB′D, A′B′C′, A′BC
ABCD000111100001111010X103X204151716012013X150140819111010

最小覆盖

F = A′CD′ + A′B′D′ + A′BD + AB′D
L = 12

答案

L = 12

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

7.数论与模运算

答案: 57−1 mod 79 = 61

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·57 (mod 79)。

r = 79, t = 0
r = 57, q = 1, t = 1
r = 22, q = 2, t = −1
r = 13, q = 1, t = 3
r = 9, q = 1, t = −4
r = 4, q = 2, t = 7
r = 1, q = 4, t = −18

逆矩阵

1 ≡ −18·57 (mod 79)
x = 61
校核: 57·61 = 3477 = 44·79 + 1

答案

57−1 mod 79 = 61
8.数论与模运算

答案: 2666681 mod 59 = 48

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

66681 mod 58 = 39
2666681 ≡ 2639 (mod 59)

小的幂

2639 mod 59 = 48

答案

2666681 mod 59 = 48
9.算法与复杂度

答案: A · 从一个起始顶点开始扩展一棵树,每次加入离开该树的最便宜的边

为什么是这个答案

Prim 算法用优先队列保存跨越边,使用二叉堆时运行时间为 O(E log V)。

答案

A · 从一个起始顶点开始扩展一棵树,每次加入离开该树的最便宜的边
10.算法与复杂度

答案: A · 在 V − 1 轮之后,检查是否还有边可以被松弛

为什么是这个答案

所有真正的最短距离都会在 V − 1 轮内求出;如果某条边仍能改进,就必然存在负权环。

答案

A · 在 V − 1 轮之后,检查是否还有边可以被松弛
11.数据结构

答案: B · 其右子树中最左边的节点

为什么是这个答案

所有比该节点大且与之相近的键都在它的右子树中,其中最小的就是那里最左边的节点。

答案

B · 其右子树中最左边的节点
12.数据结构

答案: A · 前序和中序

为什么是这个答案

前序给出根,而根在中序序列中的位置把左右子树分开;当某节点只有一个子节点时,前序加后序会产生歧义。

答案

A · 前序和中序
13.图论

答案: L = 22

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 + 38 = 2(L + 9) − 2
L = 22

答案

L = 22

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

14.图论

答案: 边 AB

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

1. DE (3)
2. AC (8)
3. BD (11)
4. EF (15)
5. AB (16)

边的序号 5

AB

答案

边 AB
15.数据库与 SQL

答案: B · 选择哪些列出现在结果中

为什么是这个答案

投影保留选定的属性(SELECT 列表),而选择 σ 保留满足条件的行(WHERE 子句)。

答案

B · 选择哪些列出现在结果中
16.数据库与 SQL

答案: A · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)

为什么是这个答案

递归 CTE 从一个锚点查询开始,反复把上一步的结果与表连接,因此能处理任意深度的层次结构。

答案

A · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
17.计算机网络

答案: C · 62

为什么是这个答案

/26 有 6 个主机位:2⁶ = 64 个地址,减去网络地址和广播地址,得到 62 个可用主机地址。

答案

C · 62
18.计算机网络

答案: B · 以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包

为什么是这个答案

慢启动以指数方式增大拥塞窗口;超过阈值后,拥塞避免阶段以线性方式增大窗口,而丢包会使窗口减小。

答案

B · 以指数方式增大拥塞窗口,直到达到阈值或发生丢包
19.IPv4 子网划分

答案: p = 25

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

26 − 2 = 62 < 85
27 − 2 = 126 ≥ 85 → h = 7

前缀长度

p = 32 − 7 = 25

答案

p = /25
20.IPv4 子网划分

答案: x = 254

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

26 = 64

该主机所在子网

网络: ⌊209/64⌋·64 = 192
广播: 192 + 64 − 1 = 255
可用主机: 193 … 254

答案

x = 254

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