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1−12806403201618041211

8 位模式 1000 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?

1000 10118 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0101 0001 AND 1110 0011 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0101 0001AND1110 0011
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬¬b → ¬(c ∧ a)(c ∧ a) → ¬b¬b ∧ ¬(c ∧ a)¬(c ∧ a) → ¬¬b

你想用逆否证明来证明 ¬b → (c ∧ a)。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

¬b → (c ∧ a)
  1. 1¬¬b → ¬(c ∧ a)
  2. 2(c ∧ a) → ¬b
  3. 3¬b ∧ ¬(c ∧ a)
  4. 4¬(c ∧ a) → ¬¬b
4.命题逻辑与证明困难
q ∨ rq ∧ rp ∨ r¬q

已知前提 p ∨ q; ¬p ∨ r。由它们可以推出哪个结论?点选它。

p ∨ q¬p ∨ r
  1. 1q ∨ r
  2. 2q ∧ r
  3. 3p ∨ r
  4. 4¬q
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011011031214150706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 4, 5) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 4, 5)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT123456

一个上升沿触发的 T 触发器从 Q = 0 开始,在 6 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?

Q₀ = 0T
N =
7.数论与模运算中等

求 24 模 83 的逆元:满足 0 < x < 83 且 24·x ≡ 1 (mod 83) 的数 x。

a = 24n = 83
24−1 mod 83 =
8.数论与模运算困难

97 是素数。用费马小定理求 1692656 mod 97。

p = 97k = 92656
1692656 mod 97 =
9.算法与复杂度中等

贪心算法(greedy algorithm):

  1. A尝试所有可能的解
  2. B只使用递归
  3. C总能给出最优解
  4. D在每一步都做出局部最优的选择
10.算法与复杂度困难

对于哪种背包问题变体,贪心规则"按单位重量价值的顺序取物品"总能给出最优解?

  1. A0/1 背包问题,物品必须整个拿取
  2. B分数背包问题,物品可以分割
  3. C两种变体都可以
  4. D两种变体都不可以
11.数据结构中等

检查 "{[()]}" 中的括号是否匹配,使用哪种数据结构?

  1. A栈
  2. B二叉搜索树
  3. C队列
  4. D哈希表
12.数据结构困难

关于堆排序,下列哪个说法是正确的?

  1. A它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序,但不稳定
  2. B它在任何输入上都以 O(n) 时间运行
  3. C它是稳定的,并且需要 O(n) 的额外内存
  4. D它需要一棵二叉搜索树作为额外存储,因此使用 O(n) 的额外内存
13.图论中等

一个连通图有 8 个顶点和 15 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 8|E| = 15
k =
14.图论困难
15716691813ABCDE

普里姆算法从顶点 B 出发构造最小生成树。点选它加入的第 4 条边。

起点:Bk = 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

第一范式(1NF)要求:

  1. A每个表恰好只有一列
  2. B每列都包含原子值,且没有重复组
  3. C每个非键列都依赖于整个键,且只依赖于键
  4. D没有外键
16.数据库与 SQL困难

一个表有一百万行,布尔列 is_active 中有 95% 为 TRUE。为什么对于 WHERE is_active = TRUE,优化器可能不使用 is_active 上的索引?

  1. A优化器从不在 WHERE 子句中使用索引
  2. B不能在布尔列上创建索引
  3. C大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜
  4. D索引把 TRUE 当作 NULL 处理
17.计算机网络中等

哪种 DNS 记录类型把主机名映射到 IPv6 地址?

  1. AA
  2. BAAAA
  3. CMX
  4. DCNAME
18.计算机网络困难

根据香农定理,信噪比为 255 的 1 MHz 信道容量是多少?

  1. A8 Mbit/s
  2. B2 Mbit/s
  3. C1 Mbit/s
  4. D255 Mbit/s
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 8 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?

192.168.10.0/248 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 252112816413211618140201网络主机

某主机地址为 10.20.180.252/26。其网络地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.180.252/26
x =

3溶液

1.数制

答案: N = −117

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。

−128 + 8 + 2 + 1 = −117

答案

N = −117
2.数制

答案: R = 65

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

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

0101 0001
AND 1110 0011
= 0100 0001

结果的值

0100 0001₂ = 65

答案

R = 65
3.命题逻辑与证明

答案: ¬(c ∧ a) → ¬¬b

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, b = c ∧ a

逆否命题

¬b → ¬a = ¬(c ∧ a) → ¬¬b

答案

¬(c ∧ a) → ¬¬b

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

结论

q ∨ r (分辨率)

答案

q ∨ r
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。

ABC00011110011011031214150706

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。

B′
A′C′

最简 SOP 形式

F = B′ + A′C′
N = 2

答案

N = 2
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 1 → Q = 1
3: T = 1 → Q = 0
4: T = 1 → Q = 1
5: T = 0 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0

数出变化的次数

0 → 0 → 1 → 0 → 1 → 1 → 0
N = 4

答案

N = 4
7.数论与模运算

答案: 24−1 mod 83 = 45

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·24 (mod 83)。

r = 83, t = 0
r = 24, q = 3, t = 1
r = 11, q = 2, t = −3
r = 2, q = 5, t = 7
r = 1, q = 2, t = −38

逆矩阵

1 ≡ −38·24 (mod 83)
x = 45
校核: 24·45 = 1080 = 13·83 + 1

答案

24−1 mod 83 = 45
8.数论与模运算

答案: 1692656 mod 97 = 61

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

92656 mod 96 = 16
1692656 ≡ 1616 (mod 97)

小的幂

1616 mod 97 = 61

答案

1692656 mod 97 = 61
9.算法与复杂度

答案: D · 在每一步都做出局部最优的选择

为什么是这个答案

贪心算法速度快,对某些问题是最优的(例如 Dijkstra、Huffman 编码),但一般情况下并非如此(例如某些硬币体系下的找零问题)。

答案

D · 在每一步都做出局部最优的选择
10.算法与复杂度

答案: B · 分数背包问题,物品可以分割

为什么是这个答案

物品可以分割时,先取比值最高的物品是最优的;在 0/1 背包中,一个比值高的物品可能挡住更好的组合,因此需要动态规划。

答案

B · 分数背包问题,物品可以分割
11.数据结构

答案: A · 栈

为什么是这个答案

遇到左括号就 push,遇到右括号就 pop;右括号必须与弹出的括号匹配,并且最后栈必须为空。

答案

A · 栈
12.数据结构

答案: A · 它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序,但不稳定

为什么是这个答案

堆排序先建立最大堆,然后在同一个数组内提取最大值 n 次;远距离的交换可能打乱相等键的顺序。

答案

A · 它在最坏情况下以 O(n log n) 时间原地排序,但不稳定
13.图论

答案: k = 8

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。

生成树的边数

8 − 1 = 7

要去掉的边数

k = 15 − 7 = 8

答案

k = 8
14.图论

答案: 边 AC

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. BD (6)
2. BE (13)
3. CE (9)
4. AC (7)

边的序号 4

AC

答案

边 AC
15.数据库与 SQL

答案: B · 每列都包含原子值,且没有重复组

为什么是这个答案

1NF 要求每个单元格为原子值,行可唯一标识,且没有重复组。

答案

B · 每列都包含原子值,且没有重复组
16.数据库与 SQL

答案: C · 大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜

为什么是这个答案

当索引能把搜索范围缩小到少数几行时才有帮助;当大多数行都符合条件时,随机的索引查找比顺序读取整个表代价更高。

答案

C · 大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜
17.计算机网络

答案: B · AAAA

为什么是这个答案

A 记录保存 IPv4 地址,AAAA 记录保存 IPv6 地址。MX 指明邮件服务器,CNAME 给出别名。

答案

B · AAAA
18.计算机网络

答案: A · 8 Mbit/s

为什么是这个答案

C = 10⁶ × log₂(256) = 10⁶ × 8 = 8 Mbit/s。这是有噪声信道上无差错数据速率的上限。

答案

A · 8 Mbit/s
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 ≥ 8 → 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 = 192

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: ⌊252/64⌋·64 = 192
广播: 192 + 64 − 1 = 255
可用主机: 193 … 254

答案

x = 192

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