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1−12806403211618041211

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?

1001 10118 bit
N =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

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?

0110 0001OR0110 0001
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬c ∧ ac ∨ ¬a¬c → ¬a¬c ∨ a

哪个公式与 c → a 在逻辑上等价?点选它。

c → a
  1. 1¬c ∧ a
  2. 2c ∨ ¬a
  3. 3¬c → ¬a
  4. 4¬c ∨ a
4.命题逻辑与证明困难

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。

(p → (¬r → s)) → ((q → s) ∧ (¬q ∧ ¬r))
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010111302140507060121131150141809111010

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?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 8, 11, 13, 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​CLKRING

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。

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10016
Q =
7.数论与模运算中等

求欧拉函数 φ(475),即 1 到 475 中与 475 互素的整数个数。

n = 475 = 52·19
φ(475) =
8.数论与模运算困难

73 是素数。用费马小定理求 309474 mod 73。

p = 73k = 9474
309474 mod 73 =
9.算法与复杂度中等

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?

  1. A贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
  2. B贪心用 3 枚;最优解是 3 枚
  3. C贪心用 4 枚;最优解是 3 枚
  4. D贪心用 2 枚;最优解是 2 枚
10.算法与复杂度困难

停机问题(halting problem)表明:

  1. A每个程序最终都会停机
  2. B有些程序在更快的计算机上运行得更快,所以是否停机取决于硬件
  3. 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
  4. D应当避免使用循环
11.数据结构中等

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?

  1. A哈希表
  2. B平衡二叉搜索树
  3. C栈
  4. D无序链表
12.数据结构困难

为什么数据库和文件系统中使用 B 树?

  1. 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
  2. B它们不需要再平衡
  3. C它们比任何数组占用的内存都少,因此整个索引始终可以放进主存
  4. D它们以无序方式存储数据
13.图论中等

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?

4 × deg 34 × deg 2
L =
14.图论困难
18121713161920ABCDEF

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 6|E| = 8
W =
15.数据库与 SQL中等

哪个查询返回每个部门的最高工资?

  1. ASELECT dept, salary FROM emp WHERE salary = MAX(salary)
  2. BSELECT dept, MAX(salary) FROM emp ORDER BY dept
  3. CSELECT MAX(dept), salary FROM emp GROUP BY salary
  4. DSELECT dept, MAX(salary) FROM emp GROUP BY dept
16.数据库与 SQL困难

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?

  1. A在 manager_id 上加 UNIQUE 约束
  2. B对 manager_id 进行 GROUP BY
  3. C基于 manager_id 对 employees 表做一次自连接
  4. D递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
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业务策略
  3. C测得的时延
  4. D链路带宽
18.计算机网络困难

为什么 IPv6 不需要用 NAT 来解决地址短缺问题?

  1. AIPv6 只在本地网络中工作,因此地址永远不需要全局共享
  2. BIPv6 不使用地址
  3. CIPv6 会加密所有地址
  4. D其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111111111100000网络位主机位

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?

30 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 104 … 109012816413201618040201相同不同

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?

10.104.104.0/24 … 10.104.109.0/24
p =

3溶液

1.数制

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。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 16 + 8 + 2 + 1 = −101

答案

N = −101
2.数制

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。

逐位计算

OR 在至少有一位为 1 时得 1。

0110 0001
OR 0110 0001
= 0110 0001

结果的值

0110 0001₂ = 97

答案

R = 97
3.命题逻辑与证明

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)。

定律

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

用真值表检验

a = 1, c = 1: 1 | 0 1 1 1
a = 1, c = 0: 1 | 1 0 0 1
a = 0, c = 1: 0 | 0 1 1 0
a = 0, c = 0: 1 | 0 1 1 1

答案

¬c ∨ a

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 = 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。

各列

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

按 p 拆分

p = 1: 3
p = 0: 2
N = 3 + 2 = 5

答案

N = 5
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。

ABCD000111100001111010111302140507060121131150141809111010

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

最简 POS 形式

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

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

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。

每个边沿之后的状态

1001 → 1100 → 0110 → 0011 → 1001 → 1100 → 0110

十进制值

0110₂ = 6

答案

Q = 6
7.数论与模运算

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)。

素因数

475 = 52·19

欧拉函数值

φ(475) = φ(25)·φ(19) = 20·18 = 360

答案

φ(475) = 360
8.数论与模运算

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。

化简指数

9474 mod 72 = 42
309474 ≡ 3042 (mod 73)

小的幂

3042 mod 73 = 46

答案

309474 mod 73 = 46
9.算法与复杂度

答案: A · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚

为什么是这个答案

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

A · 贪心用 3 枚;最优解是 2 枚
10.算法与复杂度

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

为什么是这个答案

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

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
11.数据结构

答案: B · 平衡二叉搜索树

为什么是这个答案

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

B · 平衡二叉搜索树
12.数据结构

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

为什么是这个答案

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

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
13.图论

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。

树的握手引理

L + 20 = 2(L + 8) − 2
L = 6

答案

L = 6

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

14.图论

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。

克鲁斯卡尔算法

CE (1): 取
DE (6): 取
AC (12): 取
BD (13): 取
BC (17): 跳过,会形成圈
AB (18): 跳过,会形成圈
EF (19): 取

总权重

W = 1 + 6 + 12 + 13 + 19 = 51

答案

W = 51
15.数据库与 SQL

答案: D · SELECT dept, MAX(salary) FROM emp GROUP BY dept

为什么是这个答案

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 · SELECT dept, MAX(salary) FROM emp GROUP BY dept
16.数据库与 SQL

答案: D · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)

为什么是这个答案

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

D · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
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: D · 其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址

为什么是这个答案

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

D · 其 128 位地址空间足够大,可以为每台设备分配全局地址
19.IPv4 子网划分

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)。

所需主机位

24 − 2 = 14 < 30
25 − 2 = 30 ≥ 30 → h = 5

前缀长度

p = 32 − 5 = 27

答案

p = /27
20.IPv4 子网划分

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。

比较各位

104 = 01101000
109 = 01101101
相同的前导位:5

前缀长度

p = 16 + 5 = 21

答案

p = /21

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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