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 0011 0101 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0011 0101>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
(b ∨ c) ∧ ¬¬a¬(b ∨ c) ∧ ¬a¬(b ∨ c) ∧ ¬¬a¬(b ∨ c) → ¬¬a

你想用反证法来证明 (b ∨ c) → ¬a。一开始要假设哪个命题?点选它。

(b ∨ c) → ¬a
  1. 1(b ∨ c) ∧ ¬¬a
  2. 2¬(b ∨ c) ∧ ¬a
  3. 3¬(b ∨ c) ∧ ¬¬a
  4. 4¬(b ∨ c) → ¬¬a
4.命题逻辑与证明困难
bcb → ccb11100100

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

b → cc∴ b
  1. 1b = 1, c = 1
  2. 2b = 1, c = 0
  3. 3b = 0, c = 1
  4. 4b = 0, c = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010111302041517161120130151140809111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 14) 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, 3, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 14)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X0011312X40507161120131150141809111010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 6, 8, 11, 12, 15) + d(0, 4)(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(2, 3, 6, 8, 11, 12, 15) + d(0, 4)
N =
7.数论与模运算中等

解 26x ≡ 40 (mod 41)。给出满足 0 < x < 41 的解 x。

26x ≡ 40 (mod 41)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (145, 5)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 5 和 q = 29,公钥指数 e = 5。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 5q = 29e = 5
d =
9.算法与复杂度中等

朴素递归斐波那契(fib(n) = fib(n−1) + fib(n−2))的时间复杂度是:

  1. A常数
  2. B对数级
  3. C线性
  4. D指数级
10.算法与复杂度困难

拓扑排序只适用于:

  1. A完全图
  2. B无向图
  3. C带负权重的图
  4. D有向无环图(DAG)
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(L),与存储了多少个单词无关
  2. BO(L × n)
  3. CO(log n),其中 n 是单词个数
  4. DO(n),其中 n 是单词个数
12.数据结构困难

在一棵根为 50、左子树为 30(子节点 20、40)、右子树为 70(子节点 60、80)的 BST 中,用中序后继删除根。哪个键成为新的根?

  1. A60
  2. B40
  3. C70
  4. D80
13.图论中等

完全图 K4 有多少条不同的哈密顿回路 H?只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K4
H =
14.图论困难
45136131013ABCDEF

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

为什么要在列上创建索引?

  1. A为了加快这些列上的查找和连接
  2. B为了加快这些列上的插入和更新
  3. C为了防止出现 NULL 值
  4. D为了节省磁盘空间
16.数据库与 SQL困难

两名值班医生各自检查对方是否仍在值班,然后两人同时下班签退。快照隔离在这里仍可能允许哪种异常?

  1. A写偏斜(write skew)
  2. B同一事务内的不可重复读
  3. C脏写
  4. D脏读
17.计算机网络中等

哪台主机与 10.1.2.3 位于同一个 /16 子网?

  1. A10.1.200.5
  2. B11.1.2.3
  3. C10.2.2.3
  4. D10.0.2.3
18.计算机网络困难

为什么先关闭 TCP 连接的一方要在 TIME_WAIT 状态停留两倍的最大报文段寿命?

  1. A让沿途的路由器为下一次连接更新其路由表
  2. B等待 DNS 缓存过期
  3. C让延迟的段消亡,并在最后的 ACK 丢失时能够重发
  4. D保留加密密钥以便日后重用
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111100000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 1980 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

1980 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 73012816403201618040211网络主机

某主机地址为 10.20.90.73/29。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?

10.20.90.73/29
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 = 6

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

右移 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

0011 0101 >> 3
= 0000 0110

结果的值

0000 0110₂ = 6

答案

R = 6
3.命题逻辑与证明

答案: (b ∨ c) ∧ ¬¬a

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 = b ∨ c, b = ¬a

蕴涵的否定

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = (b ∨ c) ∧ ¬¬a

答案

(b ∨ c) ∧ ¬¬a

如果假设导致矛盾,则该蕴涵必为真。

4.命题逻辑与证明

答案: b = 0, c = 1

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

b = 1, c = 1: 1 1 | 1
b = 1, c = 0: 0 0 | 1
b = 0, c = 1: 1 1 | 0
b = 0, c = 0: 1 0 | 0

反例

b = 0, c = 1

答案

b = 0, c = 1

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 = 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。

ABCD000111100001111010111302041517161120130151140809111110

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。

BCD′
A′D
ABD′
A′B′C′
AB′C

最简 SOP 形式

F = BCD′ + A′D + ABD′ + A′B′C′ + AB′C
N = 5

答案

N = 5

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 = 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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

C′D′, B′CD, A′D′, ACD, A′B′C
ABCD0001111000011110X0011312X40507161120131150141809111010

必要质蕴涵项

C′D′, A′D′, ACD
N = 3

答案

N = 3
7.数论与模运算

答案: x = 11

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)。

26 的逆元

r = 41, t = 0
r = 26, q = 1, t = 1
r = 15, q = 1, t = −1
r = 11, q = 1, t = 2
r = 4, q = 2, t = −3
r = 3, q = 1, t = 8
r = 1, q = 3, t = −11
26−1 ≡ 30 (mod 41)

求解

x ≡ 30·40 = 1200 ≡ 11 (mod 41)
校核: 26·11 = 286 ≡ 40 (mod 41)

答案

x = 11
8.数论与模运算

答案: d = 45

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。

模数与欧拉函数值

n = 5·29 = 145
φ(n) = 4·28 = 112

扩展欧几里得算法

r = 112, t = 0
r = 5, q = 22, t = 1
r = 2, q = 2, t = −22
r = 1, q = 2, t = 45

私钥指数

d = 45
校核: 5·45 = 225 = 2·112 + 1

答案

d = 45
9.算法与复杂度

答案: D · 指数级

为什么是这个答案

调用树大约按 φⁿ(约 1.618ⁿ)增长。记忆化可将其降为 O(n)。

答案

D · 指数级
10.算法与复杂度

答案: D · 有向无环图(DAG)

为什么是这个答案

当且仅当有向图中没有环时才存在拓扑序;可以用 DFS 或 Kahn 算法在 O(V + E) 内求出。

答案

D · 有向无环图(DAG)
11.数据结构

答案: A · 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

A · O(L),与存储了多少个单词无关
12.数据结构

答案: A · 60

为什么是这个答案

右子树中最左的节点是 60,因此 60 替换 50,并删除其原来的位置;使用前驱则会得到 40。

答案

A · 60
13.图论

答案: H = 3

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。

计数

H = (4 − 1)!/2 = 6/2 = 3

答案

H = 3
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: 10, E: 7
3. C (5)
4. E (7): F: 8
5. F (8)
6. D (10)

轮 3

C

答案

C
15.数据库与 SQL

答案: A · 为了加快这些列上的查找和连接

为什么是这个答案

索引(通常是 B-tree)可以加快查找,但会占用空间,并会减慢需要维护索引的插入和更新操作。

答案

A · 为了加快这些列上的查找和连接
16.数据库与 SQL

答案: A · 写偏斜(write skew)

为什么是这个答案

在快照隔离下,两个事务都看到旧状态并修改不同的行,因此检测不到写冲突;可串行化隔离可以防止这种情况。

答案

A · 写偏斜(write skew)
17.计算机网络

答案: A · 10.1.200.5

为什么是这个答案

在 /16 中,前 16 位(10.1)是网络部分。只有 10.1.200.5 与之相同,所以它位于 10.1.0.0/16。

答案

A · 10.1.200.5
18.计算机网络

答案: C · 让延迟的段消亡,并在最后的 ACK 丢失时能够重发

为什么是这个答案

TIME_WAIT 确保丢失的最后 ACK 能够被重发,并让旧的重复段在同一地址和端口对被重用之前过期。

答案

C · 让延迟的段消亡,并在最后的 ACK 丢失时能够重发
19.IPv4 子网划分

答案: p = 21

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

210 − 2 = 1022 < 1980
211 − 2 = 2046 ≥ 1980 → h = 11

前缀长度

p = 32 − 11 = 21

答案

p = /21
20.IPv4 子网划分

答案: x = 78

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: ⌊73/8⌋·8 = 72
广播: 72 + 8 − 1 = 79
可用主机: 73 … 78

答案

x = 78

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