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?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −20 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 = −208 bit
U =
2.数制困难
24 bit1 px800 px600 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 800 × 600 像素,每像素 24 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

800 × 600 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
c ∨ ¬b¬c ∨ ¬b¬c ∧ ¬b¬c ∧ b

哪个公式与 ¬(c ∨ b) 在逻辑上等价?点选它。

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

真值表的 16 行中,有多少行使 (¬(q → s) ∧ p) → ((¬r → q) → ¬p) 为真?把这个数记作 N。

(¬(q → s) ∧ p) → ((¬r → q) → ¬p)
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXC′I0​0I1​C′I2​1I3​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 = C′,I₁ = 0,I₂ = C′,I₃ = 1。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = C′I₁ = 0I₂ = C′I₃ = 1
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100011X3X21405170611201311501408X9X11110

对于 F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 7, 10, 12, 15) + d(2, 3, 9, 11)(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(1, 4, 7, 10, 12, 15) + d(2, 3, 9, 11)
N =
7.数论与模运算中等

求 11 模 98 的逆元:满足 0 < x < 98 且 11·x ≡ 1 (mod 98) 的数 x。

a = 11n = 98
11−1 mod 98 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (187, 19)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 11 和 q = 17,公钥指数 e = 19。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 11q = 17e = 19
d =
9.算法与复杂度中等

在有 V 个顶点、E 条边的图上,Bellman–Ford 算法的时间复杂度是多少?

  1. AO(V³ × E)
  2. BO(V × E)
  3. CO(V + E)
  4. DO(E log V)
10.算法与复杂度困难

哪种算法通过反复加入不会形成环的最便宜的边来求最小生成树?

  1. AFloyd–Warshall
  2. BKruskal 算法
  3. CDijkstra 算法
  4. D从一个节点出发的 Prim 算法
11.数据结构中等

使用邻接矩阵检查边 (u, v) 是否存在需要多长时间?

  1. AO(log V)
  2. BO(V)
  3. CO(E)
  4. DO(1)
12.数据结构困难

对于数组中的每个元素,你想以总共 O(n) 的时间求出其右侧的下一个更大元素。哪种结构有帮助?

  1. A一个保存每一对元素的队列
  2. B一个包含所有元素的哈希表
  3. C一个保存尚在等待答案的元素的栈
  4. D一棵为每个元素重建的二叉搜索树
13.图论中等
ABCDEF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| = 6|E| = 7
  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
15713413128105ABCDEFG

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

第一范式(1NF)要求:

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

对于两个没有可用索引的大表之间的等值连接,优化器通常选择哪种连接算法?

  1. A交叉连接
  2. B主键上的位图连接
  3. C哈希连接
  4. D带索引查找的嵌套循环连接
17.计算机网络中等

以下哪一个是私有 IPv4 地址段?

  1. A200.1.1.0/24
  2. B100.0.0.0/8
  3. C192.168.0.0/16
  4. D8.8.8.0/24
18.计算机网络困难

在滑动窗口协议中,丢失一个帧后,回退 N 帧(Go-Back-N)与选择重传(Selective Repeat)有何不同?

  1. A回退 N 帧只重发丢失的帧;选择重传重发该帧及其后的所有帧
  2. B两者都从不重发丢失的帧
  3. C回退 N 帧重发丢失的帧及其后的所有帧;选择重传只重发丢失的帧
  4. D两者都从头重发整个窗口
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2611111111111111111111111111000000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 4 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?

192.168.10.0/244 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 193112816403201608040211网络主机

某主机地址为 10.20.13.193/27。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.13.193/27
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 236

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

20 = 0001 0100
取反后: 1110 1011
+1 → 1110 1100

按无符号数读取

1110 1100₂ = 256 − 20 = 236

答案

U = 236
2.数制

答案: M = 1406 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

800·600·24 = 11520000 bit = 1440000 B

换算为 KiB

1440000/1024 = 1406.25 KiB

答案

M = 1406.25 KiB
3.命题逻辑与证明

答案: ¬c ∧ ¬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)。

定律

德摩根律:¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b。∨ 变成 ∧,并且两个部分都取否定。
¬(c ∨ b) ≡ ¬c ∧ ¬b

用真值表检验

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

答案

¬c ∧ ¬b

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: N = 14

真值表:含 n 个不同变量的公式有 2ⁿ 行,每一行对应真值的一种组合(1 = 真,0 = 假)。由内向外进行,给每个子公式单独一列。¬a 把值取反;a ∧ b 只有在两者都为 1 时才为 1;a ∨ b 只有在两者都为 0 时才为 0;a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0;a ↔ b 在两边相等时为 1。

各列

q → s; ¬(q → s); ¬(q → s) ∧ p; ¬r; ¬r → q; ¬p; (¬r → q) → ¬p; (¬(q → s) ∧ p) → ((¬r → q) → ¬p)

按 p 拆分

p = 1: 6
p = 0: 8
N = 6 + 8 = 14

答案

N = 14
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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 = A′B′C′ + AB′C′ + AB

F = 1 的行

ABC = 000, 100, 110, 111
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

CD, B′D, B′C, BC′D′
ABCD00011110000111100011X3X21405170611201311501408X9X11110

必要质蕴涵项

CD, B′D, B′C, BC′D′
N = 4

答案

N = 4
7.数论与模运算

答案: 11−1 mod 98 = 9

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·11 (mod 98)。

r = 98, t = 0
r = 11, q = 8, t = 1
r = 10, q = 1, t = −8
r = 1, q = 10, t = 9

逆矩阵

1 ≡ 9·11 (mod 98)
x = 9
校核: 11·9 = 99 = 1·98 + 1

答案

11−1 mod 98 = 9
8.数论与模运算

答案: d = 59

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 = 11·17 = 187
φ(n) = 10·16 = 160

扩展欧几里得算法

r = 160, t = 0
r = 19, q = 8, t = 1
r = 8, q = 2, t = −8
r = 3, q = 2, t = 17
r = 2, q = 1, t = −42
r = 1, q = 2, t = 59

私钥指数

d = 59
校核: 19·59 = 1121 = 7·160 + 1

答案

d = 59
9.算法与复杂度

答案: B · O(V × E)

为什么是这个答案

V − 1 轮中的每一轮都松弛全部 E 条边,因此为 O(VE);作为交换,它能处理负权边。

答案

B · O(V × E)
10.算法与复杂度

答案: B · Kruskal 算法

为什么是这个答案

Kruskal 按权重对边排序,若一条边连接不同的连通分量就加入它;Prim 则从一个起始顶点开始扩展一棵树。

答案

B · Kruskal 算法
11.数据结构

答案: D · O(1)

为什么是这个答案

第 u 行第 v 列的元素立即告诉你该边是否存在;邻接表则可能需要扫描 u 的邻居。

答案

D · O(1)
12.数据结构

答案: C · 一个保存尚在等待答案的元素的栈

为什么是这个答案

从左向右扫描,弹出栈中所有比当前元素小的元素(当前元素就是它们的答案),然后把当前元素压入;每个元素最多移动两次。

答案

C · 一个保存尚在等待答案的元素的栈
13.图论

答案: 都不是

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) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 1, deg(E) = 3, deg(F) = 2

奇度顶点

B, C, D, E → 4
都不是

答案

都不是
14.图论

答案: d(E) = 20

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: 15, C: 7
C (7): E: 20
B (15): D: 19, G: 23
D (19)
E (20): F: 32
G (23)
F (32)

最短路径

A → C → E
d(E) = 20

答案

d(E) = 20
15.数据库与 SQL

答案: A · 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

A · 每列都包含原子值,且没有重复组
16.数据库与 SQL

答案: C · 哈希连接

为什么是这个答案

哈希连接在一个输入上构建哈希表,再用另一个输入进行探测,非常适合没有索引的大型等值连接。

答案

C · 哈希连接
17.计算机网络

答案: C · 192.168.0.0/16

为什么是这个答案

私有地址段为 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12 和 192.168.0.0/16;它们不会在公共互联网上路由。

答案

C · 192.168.0.0/16
18.计算机网络

答案: C · 回退 N 帧重发丢失的帧及其后的所有帧;选择重传只重发丢失的帧

为什么是这个答案

回退 N 帧的接收方丢弃乱序帧,因此发送方必须重发丢失点之后的所有帧。选择重传会缓存乱序帧,只请求丢失的那一帧。

答案

C · 回退 N 帧重发丢失的帧及其后的所有帧;选择重传只重发丢失的帧
19.IPv4 子网划分

答案: H = 62

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

22 = 4 ≥ 4 → b = 2, /26

每个子网的主机数

26 − 2 = 62

答案

H = 62
20.IPv4 子网划分

答案: x = 223

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

25 = 32

该主机所在子网

网络: ⌊193/32⌋·32 = 192
广播: 192 + 32 − 1 = 223
可用主机: 193 … 222

答案

x = 223

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