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 −3。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −38 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0011 1011 XOR 0100 0111 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0011 1011XOR0100 0111
R =
3.命题逻辑与证明中等
c ∧ ¬a¬c ∧ a¬c ∧ ¬a¬c → ¬a

你想用反证法来证明 c → a。一开始要假设哪个命题?点选它。

c → a
  1. 1c ∧ ¬a
  2. 2¬c ∧ a
  3. 3¬c ∧ ¬a
  4. 4¬c → ¬a
4.命题逻辑与证明困难
¬r ∧ prp¬r

已知前提 r → p; ¬p。由它们可以推出哪个结论?点选它。

r → p¬p
  1. 1¬r ∧ p
  2. 2r
  3. 3p
  4. 4¬r
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(2, 6, 7, 8, 11, 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
ABCD00011110000111100001030214150716X12X13115014X819111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 6, 9, 10, 11, 15) + d(8, 12, 13) 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(4, 5, 6, 9, 10, 11, 15) + d(8, 12, 13)
L =
7.数论与模运算中等

求 5 模 72 的逆元:满足 0 < x < 72 且 5·x ≡ 1 (mod 72) 的数 x。

a = 5n = 72
5−1 mod 72 =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 37197 mod 82。

a = 37k = 197n = 82
37197 mod 82 =
9.算法与复杂度中等

递推式 T(n) = 2T(n/2) + O(1) 的解是什么?

  1. AO(n log n)
  2. BO(n)
  3. CO(n²)
  4. DO(log n)
10.算法与复杂度困难

停机问题(halting problem)表明:

  1. A应当避免使用循环
  2. B不存在一种算法能对所有程序和输入判定其是否会停机
  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

一棵二叉树的根为 1,左子节点为 2,右子节点为 3;节点 2 的子节点为 4(左)和 5(右)。前序遍历的结果是什么?

  1. A4 2 5 1 3
  2. B4 5 2 3 1
  3. C1 2 3 4 5
  4. D1 2 4 5 3
12.数据结构困难

与有序链表相比,跳表(skip list)的主要优势是什么?

  1. A它以无序方式存储键
  2. B利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
  3. C保证 O(1) 的查找,因为每个节点都存有指向其他所有节点的指针
  4. D它不占用额外内存
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| = 5
  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
91395451211ABCDEF

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 E 的最短路径的长度 d(E)。

起点:A终点:E
d(E) =
15.数据库与 SQL中等

哪个查询返回 customers 表中不同城市的数量?

  1. ASELECT COUNT(city) FROM customers GROUP BY city
  2. BSELECT SUM(DISTINCT city) FROM customers
  3. CSELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers
  4. DSELECT DISTINCT COUNT(city) FROM customers
16.数据库与 SQL困难

EXPLAIN(或 PostgreSQL 中的 EXPLAIN ANALYZE)对一个查询显示什么?

  1. A运行过该查询的用户列表
  2. B查询中每个 SQL 关键字的含义
  3. C优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法
  4. D仅以关系代数表示法改写的查询
17.计算机网络中等

传统的共享式(半双工)以太网使用哪种介质访问方法?

  1. A令牌传递
  2. BCSMA/CA
  3. CCSMA/CD
  4. DTDMA
18.计算机网络困难

一台服务器的私钥在一年后被盗。哪种 TLS 特性能保证今天被记录下来的会话仍然安全?

  1. A由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密
  2. B把证书发送两次
  3. C使用更长的域名
  4. D在加密前压缩数据
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 95 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

95 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 133 … 138112806403201608140211相同不同

一台路由器有到以下网络的路由:10.255.133.0/24, 10.255.134.0/24, 10.255.135.0/24, 10.255.136.0/24, 10.255.137.0/24, 10.255.138.0/24。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?

10.255.133.0/24 … 10.255.138.0/24
p =

3溶液

1.数制

答案: U = 253

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

3 = 0000 0011
取反后: 1111 1100
+1 → 1111 1101

按无符号数读取

1111 1101₂ = 256 − 3 = 253

答案

U = 253
2.数制

答案: R = 124

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。

0011 1011
XOR 0100 0111
= 0111 1100

结果的值

0111 1100₂ = 124

答案

R = 124
3.命题逻辑与证明

答案: 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 = c, b = a

蕴涵的否定

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = c ∧ ¬a

答案

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: ¬r

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。

所有前提都为真的行

p = 0, r = 0: ¬r ∧ p = 0, r = 0, p = 0, ¬r = 1

结论

¬r (否定后件式)

答案

¬r
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: AB = 10, 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。

m8: m9, m10, m12, m0 → 0
ABCD000111100001111011111111

孤立的 1

m8 = AB′C′D′ → AB = 10, CD = 00

答案

AB = 10, CD = 00
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 9

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。

BC′, AD, AC′, AB′, A′BD′
ABCD00011110000111100001030214150716X12X13115014X819111110

最小覆盖

F = BC′ + AD + AB′ + A′BD′
L = 9

答案

L = 9
7.数论与模运算

答案: 5−1 mod 72 = 29

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·5 (mod 72)。

r = 72, t = 0
r = 5, q = 14, t = 1
r = 2, q = 2, t = −14
r = 1, q = 2, t = 29

逆矩阵

1 ≡ 29·5 (mod 72)
x = 29
校核: 5·29 = 145 = 2·72 + 1

答案

5−1 mod 72 = 29
8.数论与模运算

答案: 37197 mod 82 = 57

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。

二进制指数

197 = 110001012 = 128 + 64 + 4 + 1

反复平方

371 ≡ 37 (mod 82)
372 ≡ 57 (mod 82)
374 ≡ 51 (mod 82)
378 ≡ 59 (mod 82)
3716 ≡ 37 (mod 82)
3732 ≡ 57 (mod 82)
3764 ≡ 51 (mod 82)
37128 ≡ 59 (mod 82)

把需要的幂相乘

37197 ≡ 37·51·51·59 ≡ 57 (mod 82)

答案

37197 mod 82 = 57
9.算法与复杂度

答案: B · O(n)

为什么是这个答案

根据主定理,nlog₂ 2 = n 压过常数工作量,因此 T(n) = Θ(n),例如通过对半分割来求最大值。

答案

B · O(n)
10.算法与复杂度

答案: B · 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

B · 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 · 1 2 4 5 3

为什么是这个答案

前序遍历先访问 1,然后是其左子树(2、4、5),最后是 3;其他选项分别是中序、后序和层序遍历。

答案

D · 1 2 4 5 3
12.数据结构

答案: B · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找

为什么是这个答案

随机化的层级使查找能够跳过许多节点,从而使查找、插入和删除的期望时间为 O(log n)。

答案

B · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
13.图论

答案: 欧拉回路

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

奇度顶点

0
欧拉回路

答案

欧拉回路
14.图论

答案: d(E) = 18

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

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): B: 9, C: 13
B (9): E: 20
C (13): E: 18
E (18): D: 22, F: 30
D (22): F: 27
F (27)

最短路径

A → C → E
d(E) = 18

答案

d(E) = 18
15.数据库与 SQL

答案: C · SELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers

为什么是这个答案

COUNT(DISTINCT city) 统计不同的非 NULL 城市;放在 COUNT 外面的 DISTINCT 只是去除重复的结果行。

答案

C · SELECT COUNT(DISTINCT city) FROM customers
16.数据库与 SQL

答案: C · 优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法

为什么是这个答案

EXPLAIN 显示执行计划(索引扫描或顺序扫描、连接算法、估计代价);EXPLAIN ANALYZE 还会实际运行查询并报告实际耗时。

答案

C · 优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法
17.计算机网络

答案: C · CSMA/CD

为什么是这个答案

载波侦听多路访问/冲突检测:站点检测到冲突时停止发送,并在随机退避后重试。全双工交换式以太网没有冲突。

答案

C · CSMA/CD
18.计算机网络

答案: A · 由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密

为什么是这个答案

使用临时(EC)DHE 时,每个会话密钥都由用后即弃的临时值推导而来。长期密钥只用于对交换进行签名,因此日后被盗也无法解密旧的流量。

答案

A · 由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密
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 < 95
27 − 2 = 126 ≥ 95 → h = 7

前缀长度

p = 32 − 7 = 25

答案

p = /25
20.IPv4 子网划分

答案: p = 20

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

133 = 10000101
138 = 10001010
相同的前导位:4

前缀长度

p = 16 + 4 = 20

答案

p = /20

汇总路由:10.255.128.0/20 (它还覆盖了列表中没有的 10 个网络)。

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