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 −25。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −258 bit
U =
2.数制困难
20 位补码, N = ??符号位???????????????????

20 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

20 bit
N =
3.命题逻辑与证明中等
¬p → (r ∨ q)(r ∨ q) ∧ ¬¬p¬(r ∨ q) → ¬¬p¬¬p → ¬(r ∨ q)

你想用逆否证明来证明 (r ∨ q) → ¬p。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

(r ∨ q) → ¬p
  1. 1¬p → (r ∨ q)
  2. 2(r ∨ q) ∧ ¬¬p
  3. 3¬(r ∨ q) → ¬¬p
  4. 4¬¬p → ¬(r ∨ q)
4.命题逻辑与证明困难

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

((q ∨ s) ↔ r) ∧ ¬(r → p)
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010111302041517160121131151140819111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 14, 15)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​CLK

一个 5 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 25 ns 的触发器构成。所有输出必须在下一个时钟边沿之前稳定下来。求最高时钟频率 fmax。

n = 5tpd = 25 ns
fmax = MHz
7.数论与模运算中等

解 43x ≡ 78 (mod 79)。给出满足 0 < x < 79 的解 x。

43x ≡ 78 (mod 79)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (2021, 13)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 43 和 q = 47,公钥指数 e = 13。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 43q = 47e = 13
d =
9.算法与复杂度中等

在包含 1,000,000 个元素的有序数组上,二分查找在最坏情况下大约需要多少次比较?

  1. A约 100 次
  2. B约 20 次
  3. C约 1,000 次
  4. D约 500,000 次
10.算法与复杂度困难

为什么当某些边权为负时,Dijkstra 算法可能给出错误结果?

  1. A顶点被取出时距离就被确定,但之后的负权边仍可能给它一条更短的路径
  2. B优先队列中不能存储负数
  3. C它只适用于无向图
  4. D每遇到一条负权边它就会陷入无限循环
11.数据结构中等

关于无向图的邻接矩阵,下列哪项是正确的?

  1. A它总是上三角矩阵
  2. B它关于主对角线对称
  3. C它的主对角线上总是 1
  4. D每一行恰好有一个 1
12.数据结构困难

在一棵根为 50、左子树为 30(子节点 20、40)、右子树为 70(子节点 60、80)的 BST 中,用中序后继删除根。哪个键成为新的根?

  1. A70
  2. B60
  3. C40
  4. D80
13.图论中等

完全图 K7 有多少条不同的哈密顿回路 H?只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K7
H =
14.图论困难
21017151381614ABCDEF

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

第三范式(3NF)消除了:

  1. A建立在不属于任何键的列上的冗余索引
  2. B非键属性之间的传递依赖
  3. C复合键
  4. D原子值
16.数据库与 SQL困难

两个事务都读到 stock = 10,各自减 1 后写回结果,最终得到 9 而不是 8。这是哪种异常?

  1. A幻读
  2. B丢失更新
  3. C脏读
  4. D删除异常
17.计算机网络中等

信号以约 2 × 10⁸ m/s 的速度在光纤中传播 2000 km。传播时延是多少?

  1. A10 ms
  2. B100 ms
  3. C1 ms
  4. D0.1 ms
18.计算机网络困难

同一台交换机上 VLAN 10 和 VLAN 20 中的主机无法通信。需要什么?

  1. A主机之间更长的线缆
  2. B一台在 VLAN 之间进行路由的路由器或三层交换机
  3. C一台同时连接两个 VLAN 的集线器
  4. D两台主机使用相同的 MAC 地址
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111100000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 1345 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

1345 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难

网络 192.168.130.0/24 用 VLSM 划分给以下局域网:A: 4 主机, B: 19 主机, C: 28 主机, D: 3 主机, E: 11 主机。子网从 .0 开始向上分配,主机最多的局域网先分配,每个局域网分配能容纳它的最小子网。局域网 A 的网络地址第四个八位组 x 是多少?

A: 4B: 19C: 28D: 3E: 11
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 231

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

25 = 0001 1001
取反后: 1110 0110
+1 → 1110 0111

按无符号数读取

1110 0111₂ = 256 − 25 = 231

答案

U = 231
2.数制

答案: N = −524288

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。

最负值

−219 = −524288

答案

N = −524288
3.命题逻辑与证明

答案: ¬¬p → ¬(r ∨ q)

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 = r ∨ q, b = ¬p

逆否命题

¬b → ¬a = ¬¬p → ¬(r ∨ q)

答案

¬¬p → ¬(r ∨ q)

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: N = 3

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

按 p 拆分

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

答案

N = 3
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。

ABCD000111100001111010111302041517160121131151140819111110

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。

D
BC
AC
A′B′C′

最简 SOP 形式

F = D + BC + AC + A′B′C′
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fmax = 8 MHz

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。

最坏情况的稳定时间

T = 5·25 ns = 125 ns

最高频率

fmax = 1/125 ns = 8 MHz

答案

fmax = 8 MHz
7.数论与模运算

答案: x = 11

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)。

43 的逆元

r = 79, t = 0
r = 43, q = 1, t = 1
r = 36, q = 1, t = −1
r = 7, q = 5, t = 2
r = 1, q = 7, t = −11
43−1 ≡ 68 (mod 79)

求解

x ≡ 68·78 = 5304 ≡ 11 (mod 79)
校核: 43·11 = 473 ≡ 78 (mod 79)

答案

x = 11
8.数论与模运算

答案: d = 1189

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 = 43·47 = 2021
φ(n) = 42·46 = 1932

扩展欧几里得算法

r = 1932, t = 0
r = 13, q = 148, t = 1
r = 8, q = 1, t = −148
r = 5, q = 1, t = 149
r = 3, q = 1, t = −297
r = 2, q = 1, t = 446
r = 1, q = 2, t = −743

私钥指数

d = 1189
校核: 13·1189 = 15457 = 8·1932 + 1

答案

d = 1189
9.算法与复杂度

答案: B · 约 20 次

为什么是这个答案

220 ≈ 1,048,576,因此大约减半 20 次后只剩下一个元素。

答案

B · 约 20 次
10.算法与复杂度

答案: A · 顶点被取出时距离就被确定,但之后的负权边仍可能给它一条更短的路径

为什么是这个答案

贪心步骤依赖于非负权重,才能保证取出的距离是最终值;权重可能为负时应使用 Bellman–Ford。

答案

A · 顶点被取出时距离就被确定,但之后的负权边仍可能给它一条更短的路径
11.数据结构

答案: B · 它关于主对角线对称

为什么是这个答案

在无向图中,边 {u, v} 意味着 M[u][v] 和 M[v][u] 都被置位,因此矩阵等于其转置。

答案

B · 它关于主对角线对称
12.数据结构

答案: B · 60

为什么是这个答案

右子树中最左的节点是 60,因此 60 替换 50,并删除其原来的位置;使用前驱则会得到 40。

答案

B · 60
13.图论

答案: H = 360

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。

计数

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

答案

H = 360
14.图论

答案: W = 48

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

AB (2): 取
DF (8): 取
AC (10): 取
CE (13): 取
BE (14): 跳过,会形成圈
BD (15): 取

总权重

W = 2 + 8 + 10 + 13 + 15 = 48

答案

W = 48
15.数据库与 SQL

答案: B · 非键属性之间的传递依赖

为什么是这个答案

在 3NF 中,没有非键属性依赖于另一个非键属性,例如同时存储城市和邮政编码,而城市依赖于邮政编码。

答案

B · 非键属性之间的传递依赖
16.数据库与 SQL

答案: B · 丢失更新

为什么是这个答案

在丢失更新中,两个事务都基于同一个旧值工作,第二次写入抹去了第一次;加锁(SELECT ... FOR UPDATE)或原子更新可以防止这种情况。

答案

B · 丢失更新
17.计算机网络

答案: A · 10 ms

为什么是这个答案

2 × 10⁶ m / 2 × 10⁸ m/s = 0.01 s = 10 ms。传播时延取决于距离和介质,而不是数据包大小。

答案

A · 10 ms
18.计算机网络

答案: B · 一台在 VLAN 之间进行路由的路由器或三层交换机

为什么是这个答案

VLAN 在第 2 层上相互隔离,因此它们之间的流量必须经过路由,例如由中继链路上的路由器("单臂路由")或三层交换机完成。

答案

B · 一台在 VLAN 之间进行路由的路由器或三层交换机
19.IPv4 子网划分

答案: p = 21

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

210 − 2 = 1022 < 1345
211 − 2 = 2046 ≥ 1345 → h = 11

前缀长度

p = 32 − 11 = 21

答案

p = /21
20.IPv4 子网划分

答案: x = 80

VLSM:每个局域网分配满足 2ʰ − 2 ≥ 其主机数的最小子网,即前缀 32 − h。先分配最大的子网,可使每个块都对齐在其自身大小的倍数上,因此网络地址就是各块大小依次相加的结果。

每个局域网的块大小

C: 28 主机 → 25 = 32 (/27)
B: 19 主机 → 25 = 32 (/27)
E: 11 主机 → 24 = 16 (/28)
A: 4 主机 → 23 = 8 (/29)
D: 3 主机 → 23 = 8 (/29)

分配顺序,从大到小

C: .0 – .31
B: .32 – .63
E: .64 – .79
A: .80 – .87
D: .88 – .95

答案

x = 80

局域网 A:192.168.130.80/29。

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