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
补码中的位权0−12816413211618041211

8 位模式 0111 1011 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0111 10118 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1101 1110 OR 0100 0101 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1101 1110OR0100 0101
R =
3.命题逻辑与证明中等
q ∧ ¬¬r¬r → q¬¬r → ¬q¬q → ¬¬r

你想用逆否证明来证明 q → ¬r。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

q → ¬r
  1. 1q ∧ ¬¬r
  2. 2¬r → q
  3. 3¬¬r → ¬q
  4. 4¬q → ¬¬r
4.命题逻辑与证明困难
∃x ∃y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)

把否定完全移到内部之后,哪个命题与 ¬∃x ∀y R(x, y) 等价?点选它。

¬∃x ∀y R(x, y)
  1. 1∃x ∃y ¬R(x, y)
  2. 2∀x ∃y ¬R(x, y)
  3. 3∀x ∀y ¬R(x, y)
  4. 4∃x ∀y ¬R(x, y)
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110010001031204150716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK12345678

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0JK
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
  8. 8时钟边沿 8
7.数论与模运算中等

求 7 模 17 的逆元:满足 0 < x < 17 且 7·x ≡ 1 (mod 17) 的数 x。

a = 7n = 17
7−1 mod 17 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (551, 5)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 19 和 q = 29,公钥指数 e = 5。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 19q = 29e = 5
d =
9.算法与复杂度中等

说一个 O(n²) 算法也是 O(n³),这正确吗?

  1. A不正确,因为当 n 很大时 n³ 小于 n²
  2. B正确,因为 Big O 是上界,而 n² 的增长不比 n³ 快
  3. C不正确,因为 Big O 必须始终给出函数的确切增长率
  4. D正确,但仅当 n 小于 100 时
10.算法与复杂度困难

关于 log(n!),哪个界是正确的?

  1. AΘ(n)
  2. BΘ(n²)
  3. CΘ(log n)
  4. DΘ(n log n)
11.数据结构中等

运行中的程序使用哪种数据结构来记录活动的函数调用及其局部变量?

  1. A由栈帧组成的二叉搜索树
  2. B调用栈
  3. C由函数组成的哈希表
  4. D堆内存队列
12.数据结构困难

原地反转一个单链表的时间和额外空间代价各是多少?

  1. AO(n) 时间和 O(n) 额外空间
  2. BO(n) 时间和 O(1) 额外空间
  3. CO(n log n) 时间和 O(1) 额外空间
  4. DO(1) 时间和 O(1) 额外空间
13.图论中等

一棵树有 2 个度为 3 的顶点, 2 个度为 4 的顶点, 3 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 32 × deg 43 × deg 5
L =
14.图论困难
ABCDEF

从 B 到 D 的长度为 2 的途径有多少条?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

第二范式(2NF)消除了:

  1. A非键列对复合键一部分的部分依赖
  2. B非键列之间通过另一个非键列形成的传递依赖
  3. C所有 NULL 值
  4. D外键
16.数据库与 SQL困难

在多版本并发控制(MVCC)下,读取者如何避免阻塞写入者?

  1. A读取者总是等到所有写入者都提交
  2. B只要有读取者在活动,就不允许写入
  3. C读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本
  4. D读取者直接读取未提交的数据
17.计算机网络中等

VLAN 的主要用途是什么?

  1. A给每台设备分配一个公网 IP 地址
  2. B加密交换机之间的所有流量,使其他部门无法读取
  3. C把一个物理交换网络划分成多个独立的广播域
  4. D提高每个交换机端口的速度
18.计算机网络困难

哪种路由协议属于链路状态协议?

  1. AARP
  2. BOSPF
  3. CBGP
  4. DRIP
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 6 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?

192.168.10.0/246 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 207112816403201618141211网络主机

某主机地址为 10.20.223.207/29。其网络地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.223.207/29
x =

3溶液

1.数制

答案: N = 123

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

64 + 32 + 16 + 8 + 2 + 1 = 123

答案

N = 123
2.数制

答案: R = 223

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

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

1101 1110
OR 0100 0101
= 1101 1111

结果的值

1101 1111₂ = 223

答案

R = 223
3.命题逻辑与证明

答案: ¬¬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)。

蕴涵的各个部分

a = q, b = ¬r

逆否命题

¬b → ¬a = ¬¬r → ¬q

答案

¬¬r → ¬q

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: ∀x ∃y ¬R(x, y)

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。

把否定移到内部

¬∃x ∀y R(x, y) ≡ ∀x ∃y ¬R(x, y)

答案

∀x ∃y ¬R(x, y)

其他选项要么保持某个量词不变,要么改变了量词的顺序,要么错误地否定了内部的公式。

5.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。

ABC00011110010001031204150716

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。

BC′
AB′C

最简 SOP 形式

F = BC′ + AB′C
N = 2

答案

N = 2
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 5

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。

每个边沿之后的 Q

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 1, K = 1 → Q = 1
2: J = 0, K = 0 → Q = 1
3: J = 0, K = 0 → Q = 1
4: J = 0, K = 0 → Q = 1
5: J = 0, K = 1 → Q = 0
6: J = 1, K = 1 → Q = 1
7: J = 1, K = 1 → Q = 0
8: J = 1, K = 0 → Q = 1

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 5

答案

时钟边沿 5
7.数论与模运算

答案: 7−1 mod 17 = 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·7 (mod 17)。

r = 17, t = 0
r = 7, q = 2, t = 1
r = 3, q = 2, t = −2
r = 1, q = 3, t = 5

逆矩阵

1 ≡ 5·7 (mod 17)
x = 5
校核: 7·5 = 35 = 2·17 + 1

答案

7−1 mod 17 = 5
8.数论与模运算

答案: d = 101

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 = 19·29 = 551
φ(n) = 18·28 = 504

扩展欧几里得算法

r = 504, t = 0
r = 5, q = 100, t = 1
r = 4, q = 1, t = −100
r = 1, q = 4, t = 101

私钥指数

d = 101
校核: 5·101 = 505 = 1·504 + 1

答案

d = 101
9.算法与复杂度

答案: B · 正确,因为 Big O 是上界,而 n² 的增长不比 n³ 快

为什么是这个答案

Big O 是上界,因此这个说法是对的,但不是紧确的;Θ(n²) 给出的才是确切的增长率。

答案

B · 正确,因为 Big O 是上界,而 n² 的增长不比 n³ 快
10.算法与复杂度

答案: D · Θ(n log n)

为什么是这个答案

log(n!) ≤ n log n,而最大的 n / 2 个因子给出 log(n!) ≥ (n / 2) log(n / 2);这就是比较排序需要 Ω(n log n) 的原因。

答案

D · Θ(n log n)
11.数据结构

答案: B · 调用栈

为什么是这个答案

每次调用压入一个栈帧,每次返回弹出一个栈帧,这就是最近的调用最先结束的原因。

答案

B · 调用栈
12.数据结构

答案: B · O(n) 时间和 O(1) 额外空间

为什么是这个答案

保持三个指针(previous、current、next),就可以在一次遍历中反转每个链接,而无需分配新节点。

答案

B · O(n) 时间和 O(1) 额外空间
13.图论

答案: L = 17

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 + 29 = 2(L + 7) − 2
L = 17

答案

L = 17

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

14.图论

答案: N = 1

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

公共邻点

(M²)BD = 1·0 + 0·0 + 0·0 + 0·0 + 1·1 + 0·1 = 1

答案

N = 1
15.数据库与 SQL

答案: A · 非键列对复合键一部分的部分依赖

为什么是这个答案

2NF 要求满足 1NF,并且每个非键属性都依赖于整个键,而不仅仅是键的一部分。

答案

A · 非键列对复合键一部分的部分依赖
16.数据库与 SQL

答案: C · 读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本

为什么是这个答案

MVCC 保留旧的行版本,使读取者能看到其快照时刻的数据,而写入者创建新版本而不是原地覆盖。

答案

C · 读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本
17.计算机网络

答案: C · 把一个物理交换网络划分成多个独立的广播域

为什么是这个答案

VLAN 对端口进行逻辑分组,使广播只留在各自的 VLAN 内。这提高了安全性并限制了广播流量。

答案

C · 把一个物理交换网络划分成多个独立的广播域
18.计算机网络

答案: B · OSPF

为什么是这个答案

OSPF 路由器构建区域的完整拓扑图,并用 Dijkstra 算法计算最短路径。RIP 是距离矢量协议;BGP 是路径矢量协议。

答案

B · OSPF
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 ≥ 6 → 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: x = 200

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: ⌊207/8⌋·8 = 200
广播: 200 + 8 − 1 = 207
可用主机: 201 … 206

答案

x = 200

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