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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −6 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −68 bit
U =
2.数制困难
32 bit1 px512 px512 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 512 × 512 像素,每像素 32 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

512 × 512 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
r → q¬q ∨ r¬q → ¬r¬q ∧ r

哪个公式与 q → r 在逻辑上等价?点选它。

q → r
  1. 1r → q
  2. 2¬q ∨ r
  3. 3¬q → ¬r
  4. 4¬q ∧ r
4.命题逻辑与证明困难
∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

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

¬∀x (A(x) ∨ B(x))
  1. 1∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
  2. 2∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
  3. 3∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
  4. 4∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUX0I0​0I1​1I2​C′I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = 0,I₁ = 0,I₂ = 1,I₃ = C′。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = 0I₁ = 0I₂ = 1I₃ = C′
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-11

同步模 11 计数器依次计 0, 1, …, 10,然后回到 0。它从 10 开始。经过 30 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 1030N = 11
Q =
7.数论与模运算中等

求 5 模 17 的逆元:满足 0 < x < 17 且 5·x ≡ 1 (mod 17) 的数 x。

a = 5n = 17
5−1 mod 17 =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 773 mod 57。

a = 7k = 73n = 57
773 mod 57 =
9.算法与复杂度中等

下面代码的时间复杂度是多少:for i = 1 to n: for j = 1 to i: 执行 O(1) 的工作?

  1. AO(n)
  2. BO(n³)
  3. CO(n²)
  4. DO(n log n)
10.算法与复杂度困难

关于类 P 的哪个定义是正确的?

  1. A能由确定性算法在多项式时间内求解的判定问题
  2. B其解可以被验证、但绝不能在多项式时间内找到的问题
  3. C在每台计算机上都需要指数时间的问题
  4. D能够并行求解的问题
11.数据结构中等

哈希表在负载因子超过阈值后进行再哈希(rehash)时会发生什么?

  1. A只把发生冲突的键移到表末尾的新溢出链表中
  2. B对现有的键原地排序
  3. C分配一个更大的表,并把每个键重新插入
  4. D删除最旧的键以腾出空间
12.数据结构困难

把键 5、3、8、1 按此顺序插入一个空的基于数组的二叉最小堆。最终的数组是什么?

  1. A[3, 1, 8, 5]
  2. B[1, 3, 5, 8]
  3. C[1, 5, 8, 3]
  4. D[1, 3, 8, 5]
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| = 6
  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
1129123177ABCDE

普里姆算法从顶点 A 出发构造最小生成树。点选它加入的第 4 条边。

起点:Ak = 4
  1. 1边 AB
  2. 2边 AC
  3. 3边 BC
  4. 4边 BD
  5. 5边 CE
  6. 6边 DE
  7. 7边 BE
15.数据库与 SQL中等

LEFT JOIN 返回:

  1. A仅返回两个表中匹配的行
  2. B仅返回右表的所有行
  3. C左表的所有行以及右表中匹配的行,无匹配处填充 NULL
  4. D在两个表中都不匹配的行
16.数据库与 SQL困难

与 3NF 相比,把表分解为 BCNF 的一个已知缺点是什么?

  1. ABCNF 比 3NF 允许更多冗余
  2. BBCNF 表不能有主键
  3. C分解后再连接回来总会丢失数据
  4. D某些函数依赖可能无法再在单个表中检查
17.计算机网络中等

主机上的默认网关有什么作用?

  1. A它是 DNS 服务器
  2. B它负责分配 MAC 地址
  3. C它是用于发往其他网络的流量的路由器
  4. D它是主机所连接的交换机端口
18.计算机网络困难

Diffie-Hellman 密钥交换本身能实现什么?它的弱点是什么?

  1. A它为网站签发证书,但只适用于短密钥
  2. B它在公开信道上直接加密大量数据,但对于大文件和视频来说太慢了
  3. C它用密码认证双方用户,但需要一台中央服务器
  4. D它在公开信道上协商出共享密钥,但单独使用时易受中间人攻击
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2811111111111111111111111111110000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 12 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?

192.168.10.0/2412 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 25012806403211618040211网络主机

某主机地址为 10.20.153.25/30。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.153.25/30
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 250

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。

取反加一

6 = 0000 0110
取反后: 1111 1001
+1 → 1111 1010

按无符号数读取

1111 1010₂ = 256 − 6 = 250

答案

U = 250
2.数制

答案: M = 1024 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

512·512·32 = 8388608 bit = 1048576 B

换算为 KiB

1048576/1024 = 1024 KiB

答案

M = 1024 KiB
3.命题逻辑与证明

答案: ¬q ∨ 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)。

定律

a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0,所以它与 ¬a ∨ b 相同。
q → r ≡ ¬q ∨ r

用真值表检验

q = 1, r = 1: 1 | 1 1 1 0
q = 1, r = 0: 0 | 1 0 1 0
q = 0, r = 1: 1 | 0 1 0 1
q = 0, r = 0: 1 | 1 1 1 0

答案

¬q ∨ r

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: ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

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 (A(x) ∨ B(x)) ≡ ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

答案

∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

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 = 3

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = AB′ + ABC′

F = 1 的行

ABC = 100, 101, 110
N = 3

答案

N = 3
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 7

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。

完整循环

每 11 个脉冲使计数器回到相同的状态。

30 = 2·11 + 8

剩余脉冲之后的计数

Q = (10 + 8) mod 11 = 7
Q = 0111₂

答案

Q = 7
7.数论与模运算

答案: 5−1 mod 17 = 7

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 17)。

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

逆矩阵

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

答案

5−1 mod 17 = 7
8.数论与模运算

答案: 773 mod 57 = 7

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

73 = 10010012 = 64 + 8 + 1

反复平方

71 ≡ 7 (mod 57)
72 ≡ 49 (mod 57)
74 ≡ 7 (mod 57)
78 ≡ 49 (mod 57)
716 ≡ 7 (mod 57)
732 ≡ 49 (mod 57)
764 ≡ 7 (mod 57)

把需要的幂相乘

773 ≡ 7·49·7 ≡ 7 (mod 57)

答案

773 mod 57 = 7
9.算法与复杂度

答案: C · O(n²)

为什么是这个答案

内层循环体总共执行 n(n + 1) / 2 次,仍然是平方级的。

答案

C · O(n²)
10.算法与复杂度

答案: A · 能由确定性算法在多项式时间内求解的判定问题

为什么是这个答案

P 包含具有确定性多项式时间算法的判定问题,例如检查一个图是否连通。

答案

A · 能由确定性算法在多项式时间内求解的判定问题
11.数据结构

答案: C · 分配一个更大的表,并把每个键重新插入

为什么是这个答案

由于下标是对表大小取模计算的,所有键都必须重新哈希到新的更大的表中;采用翻倍策略时,均摊代价仍为 O(1)。

答案

C · 分配一个更大的表,并把每个键重新插入
12.数据结构

答案: D · [1, 3, 8, 5]

为什么是这个答案

插入 5、3、8 之后数组为 [3, 5, 8];1 放到下标 3,先与父节点 5 交换,再与 3 交换,得到 [1, 3, 8, 5]。

答案

D · [1, 3, 8, 5]
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) = 4, 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: 边 BD

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。

普里姆算法

1. AC (2)
2. CE (3)
3. BE (7)
4. BD (12)

边的序号 4

BD

答案

边 BD
15.数据库与 SQL

答案: C · 左表的所有行以及右表中匹配的行,无匹配处填充 NULL

为什么是这个答案

左外连接保留左表的每一行;未匹配的右表列以 NULL 填充。

答案

C · 左表的所有行以及右表中匹配的行,无匹配处填充 NULL
16.数据库与 SQL

答案: D · 某些函数依赖可能无法再在单个表中检查

为什么是这个答案

无损的 BCNF 分解总是存在的,但它可能不保持依赖;3NF 分解则总能做到既无损又保持依赖。

答案

D · 某些函数依赖可能无法再在单个表中检查
17.计算机网络

答案: C · 它是用于发往其他网络的流量的路由器

为什么是这个答案

主机将发往非本地目的地的数据包发送给默认网关,通常就是其本地路由器。

答案

C · 它是用于发往其他网络的流量的路由器
18.计算机网络

答案: D · 它在公开信道上协商出共享密钥,但单独使用时易受中间人攻击

为什么是这个答案

Diffie-Hellman 让双方推导出同一个窃听者无法计算的密钥。除非对交换的值进行签名或以其他方式认证,否则中间的攻击者可以分别与每一方进行独立的交换。

答案

D · 它在公开信道上协商出共享密钥,但单独使用时易受中间人攻击
19.IPv4 子网划分

答案: H = 14

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

24 = 16 ≥ 12 → b = 4, /28

每个子网的主机数

24 − 2 = 14

答案

H = 14
20.IPv4 子网划分

答案: x = 27

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

22 = 4

该主机所在子网

网络: ⌊25/4⌋·4 = 24
广播: 24 + 4 − 1 = 27
可用主机: 25 … 26

答案

x = 27

ExamProblems · examproblems.com/courses/computer-science-fundamentals