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 −65。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −658 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1100 0010 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1100 0010>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
r ↔ ¬p¬r ↔ ¬pr ∧ ¬p¬r ∨ ¬p

哪个公式与 ¬(r ↔ p) 在逻辑上等价?点选它。

¬(r ↔ p)
  1. 1r ↔ ¬p
  2. 2¬r ↔ ¬p
  3. 3r ∧ ¬p
  4. 4¬r ∨ ¬p
4.命题逻辑与证明困难
bcc → b¬c¬b11100100

前提为 c → b; ¬c、结论为 ¬b 的论证是无效的。点选真值表中作为反例的那一行。

c → b¬c∴ ¬b
  1. 1b = 1, c = 1
  2. 2b = 1, c = 0
  3. 3b = 0, c = 1
  4. 4b = 0, c = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000010302140517161120131150141809011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(4, 6, 7, 8, 12, 15) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(4, 6, 7, 8, 12, 15)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKSHIFT

一个 4 位移位寄存器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 中存有 0111。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀,Q₀ 丢失),串行输入进入 Q₃。串行输入在 5 个边沿处为 1, 0, 0, 1, 0。给出最终状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 01111, 0, 0, 1, 0
Q =
7.数论与模运算中等

求 5 模 37 的逆元:满足 0 < x < 37 且 5·x ≡ 1 (mod 37) 的数 x。

a = 5n = 37
5−1 mod 37 =
8.数论与模运算困难
227c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (287, 7)d

用 RSA 公钥 (n, e) = (287, 7) 加密消息 m = 227。求密文 c。

n = 287e = 7m = 227
c =
9.算法与复杂度中等

用标准的三重循环计算两个 n × n 矩阵的乘积,时间复杂度是多少?

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

旅行商问题如何分类?

  1. A它属于 P,因为 Dijkstra 算法通过把每个城市访问一次来求解它
  2. B它是不可判定的
  3. C判定版本是 NP 完全的,优化版本是 NP 难的
  4. D判定版本属于 P,但优化版本是 NP 完全的
11.数据结构中等

如何向二叉堆中插入一个新元素?

  1. A把它放在根上,再将其下沉(sift down)
  2. B把它放在数组末尾,只要它违反堆性质就将其上浮(sift up)
  3. C从头重建整个堆
  4. D通过把所有更大的元素右移一位,将它插入到有序位置
12.数据结构困难

为什么数据库常用 B+ 树而不是普通的 B 树来建立索引?

  1. AB+ 树只在根中存储数据
  2. B所有记录都在相互链接的叶子中,使范围扫描很高效
  3. CB+ 树不需要保持平衡
  4. DB+ 树使用二叉内部节点,从而减少磁盘读取次数
13.图论中等

一个连通图有 14 个顶点和 19 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 14|E| = 19
k =
14.图论困难
913131112711117ABCDEFG

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =
15.数据库与 SQL中等

对于一行,WHERE EXISTS (subquery) 在什么情况下为真?

  1. A子查询至少返回一行时
  2. B子查询不返回 NULL 值时
  3. C子查询返回一个大于零的数时
  4. D子查询恰好返回一行时
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哈希连接
  2. B主键上的位图连接
  3. C交叉连接
  4. D带索引查找的嵌套循环连接
17.计算机网络中等

RIP 使用哪种度量来选择路由?

  1. A跳数
  2. B链路带宽
  3. C业务策略
  4. D测得的时延
18.计算机网络困难

下列哪个地址是公网(而非 RFC 1918 私有)IPv4 地址?

  1. A172.32.0.1
  2. B172.31.0.1
  3. C192.168.255.1
  4. D10.255.0.1
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111111100000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 214 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

214 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 166112806413201608141201网络主机

某主机地址为 10.20.245.166/25。其子网中最后一个可用主机地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.245.166/25
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 191

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

65 = 0100 0001
取反后: 1011 1110
+1 → 1011 1111

按无符号数读取

1011 1111₂ = 256 − 65 = 191

答案

U = 191
2.数制

答案: R = 24

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

右移 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1100 0010 >> 3
= 0001 1000

结果的值

0001 1000₂ = 24

答案

R = 24
3.命题逻辑与证明

答案: r ↔ ¬p

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) 恰好在 a 和 b 不同时为 1,即 a ↔ ¬b。
¬(r ↔ p) ≡ r ↔ ¬p

用真值表检验

p = 1, r = 1: 0 | 0 1 0 0
p = 1, r = 0: 1 | 1 0 0 1
p = 0, r = 1: 1 | 1 0 1 1
p = 0, r = 0: 0 | 0 1 0 1

答案

r ↔ ¬p

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: b = 1, c = 0

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。

逐行列出前提与结论

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

反例

b = 1, c = 0

答案

b = 1, c = 0

这种形式的论证看起来像有效的规则,但只要有一行就足以说明它并不有效。

5.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。

ABCD000111100001111000010302140517161120131150141809011010

圈 0

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。

(C + D′)
(B + D′)
(A′ + C′ + D)
(A + B)

最简 POS 形式

F = (C + D′)(B + D′)(A′ + C′ + D)(A + B)
N = 4

答案

N = 4

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: Q = 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。

每个边沿之后的状态

0111 → 1011 → 0101 → 0010 → 1001 → 0100

十进制值

0100₂ = 4

答案

Q = 4
7.数论与模运算

答案: 5−1 mod 37 = 15

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 37)。

r = 37, t = 0
r = 5, q = 7, t = 1
r = 2, q = 2, t = −7
r = 1, q = 2, t = 15

逆矩阵

1 ≡ 15·5 (mod 37)
x = 15
校核: 5·15 = 75 = 2·37 + 1

答案

5−1 mod 37 = 15
8.数论与模运算

答案: c = 52

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。

反复平方

7 = 4 + 2 + 1
2271 ≡ 227 (mod 287)
2272 ≡ 156 (mod 287)
2274 ≡ 228 (mod 287)
2277 ≡ 227·156·228 ≡ 52 (mod 287)

密文

c = 52

答案

c = 52
9.算法与复杂度

答案: D · O(n³)

为什么是这个答案

共有 n² 个元素,每个需要 n 次乘法,因此共 n³ 次运算。

答案

D · O(n³)
10.算法与复杂度

答案: C · 判定版本是 NP 完全的,优化版本是 NP 难的

为什么是这个答案

"是否存在长度至多为 k 的回路?"是 NP 完全的;求最短回路是 NP 难的,因为它至少同样困难。

答案

C · 判定版本是 NP 完全的,优化版本是 NP 难的
11.数据结构

答案: B · 把它放在数组末尾,只要它违反堆性质就将其上浮(sift up)

为什么是这个答案

在末尾添加可以使树保持完全;与父节点交换可在 O(log n) 步内恢复顺序。

答案

B · 把它放在数组末尾,只要它违反堆性质就将其上浮(sift up)
12.数据结构

答案: B · 所有记录都在相互链接的叶子中,使范围扫描很高效

为什么是这个答案

在 B+ 树中,内部节点只用于引导查找,叶子按键的顺序链接起来,因此范围查询先找到第一个键,再沿着叶子向后走。

答案

B · 所有记录都在相互链接的叶子中,使范围扫描很高效
13.图论

答案: k = 6

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

14 − 1 = 13

要去掉的边数

k = 19 − 13 = 6

答案

k = 6
14.图论

答案: d(F) = 29

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): C: 9
C (9): B: 22, E: 22, G: 20
G (20)
B (22)
E (22): D: 33, F: 29
F (29)
D (33)

最短路径

A → C → E → F
d(F) = 29

答案

d(F) = 29
15.数据库与 SQL

答案: A · 子查询至少返回一行时

为什么是这个答案

EXISTS 只检查是否产生了任何行;子查询不返回任何行时,NOT EXISTS 为真。

答案

A · 子查询至少返回一行时
16.数据库与 SQL

答案: A · 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

A · 哈希连接
17.计算机网络

答案: A · 跳数

为什么是这个答案

RIP 是一种计算跳数的距离向量协议,16 表示不可达。这使它只适用于小型网络。

答案

A · 跳数
18.计算机网络

答案: A · 172.32.0.1

为什么是这个答案

172.16.0.0/12 的范围是 172.16.0.0 到 172.31.255.255,所以 172.32.0.1 在此范围之外。其他三个都在私有地址范围内。

答案

A · 172.32.0.1
19.IPv4 子网划分

答案: p = 24

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

27 − 2 = 126 < 214
28 − 2 = 254 ≥ 214 → h = 8

前缀长度

p = 32 − 8 = 24

答案

p = /24
20.IPv4 子网划分

答案: x = 254

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

27 = 128

该主机所在子网

网络: ⌊166/128⌋·128 = 128
广播: 128 + 128 − 1 = 255
可用主机: 129 … 254

答案

x = 254

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