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
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。
8 位模式 1001 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?
把各位设置为 0110 0001 OR 0110 0001 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?
哪个公式与 c → a 在逻辑上等价?点选它。
真值表的 16 行中,有多少行使 (p → (¬r → s)) → ((q → s) ∧ (¬q ∧ ¬r)) 为真?把这个数记作 N。
用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 8, 11, 13, 15) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?
一个 4 位环形计数器 Q₃Q₂Q₁Q₀ 从 1001 开始。每个时钟边沿,各位向右移动一位(Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀),Q₃ 接收 Q₀。给出 6 个时钟边沿之后的状态 Q = Q₃Q₂Q₁Q₀,用十进制数表示。
求欧拉函数 φ(475),即 1 到 475 中与 475 互素的整数个数。
73 是素数。用费马小定理求 309474 mod 73。
硬币面值为 1、3 和 4,金额为 6,贪心的"先取最大硬币"方法使用多少枚硬币?与最优解相比如何?
停机问题(halting problem)表明:
一个应用需要快速查找,还需要按有序顺序列出键并回答范围查询。哪种结构最合适?
为什么数据库和文件系统中使用 B 树?
一棵树有 4 个度为 3 的顶点, 4 个度为 2 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?
求带权图的最小生成树的总权重 W。
哪个查询返回每个部门的最高工资?
要在深度未知的组织树中找出某位经理下属的所有员工,哪种 SQL 功能最合适?
RIP 使用哪种度量来选择路由?
为什么 IPv6 不需要用 NAT 来解决地址短缺问题?
某部门在一个子网内需要 30 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?
一台路由器有到以下网络的路由:10.104.104.0/24, 10.104.105.0/24, 10.104.106.0/24, 10.104.107.0/24, 10.104.108.0/24, 10.104.109.0/24。能覆盖所有这些网络的单条汇总路由,其最长前缀长度 p 是多少?
答案: N = −101
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。
其余各位保持正常的正权值。
答案: R = 97
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。
OR 在至少有一位为 1 时得 1。
答案: ¬c ∨ a
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)。
竖线之后的各列是按所示顺序排列的各个选项。
答案: N = 5
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。
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。
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。
答案: Q = 6
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。
答案: φ(475) = 360
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)。
答案: 309474 mod 73 = 46
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。
答案: A · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
贪心取 4 + 1 + 1,共 3 枚,而 3 + 3 只用 2 枚,因此对这种硬币体系贪心不是最优的;动态规划才是。
答案: C · 不存在一种算法能对所有程序和输入判定其是否会停机
Turing 证明了停机问题是不可判定的(undecidable):假设存在判定器,就会与一个做相反行为的程序产生矛盾。
答案: B · 平衡二叉搜索树
平衡 BST 提供 O(log n) 的查找并使键保持有序,因此中序遍历和范围查询都很容易;哈希表则把键打散存放。
答案: A · 其较高的分支因子使树保持较浅,从而减少缓慢的磁盘读取
B 树每个节点存储多个键,因此高度很小,每次查找只需读取少量磁盘块;B+ 树还将叶子节点链接起来以支持范围扫描。
答案: L = 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。
捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。
答案: W = 51
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。
答案: D · SELECT dept, MAX(salary) FROM emp GROUP BY dept
GROUP BY dept 为每个部门创建一个组,MAX(salary) 选出每组中的最大值。
答案: D · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
递归 CTE 从一个锚点查询开始,反复把上一步的结果与表连接,因此能处理任意深度的层次结构。
答案: A · 跳数
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: D · 其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址
IPv6 约有 3.4 × 10³⁸ 个地址,因此导致 IPv4 使用 NAT 的地址稀缺问题不复存在;安全性仍由防火墙提供。
答案: p = 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)。
答案: p = 21
路由汇总:汇总路由 a.b.c.0/p 覆盖前 p 位相同的所有网络。把第一个和最后一个网络中不同的那个八位组写成二进制;相同的前导位数加上它前面各八位组的位数,就是最长的汇总前缀。
汇总路由:10.104.104.0/21 (它还覆盖了列表中没有的 2 个网络)。
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