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 2^k，八进制 8^k，十六进制 16^k
转为十进制: Σ d_k·b^k
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

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。
给每个子公式单独一列，由内向外逐列填写。
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。
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。
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； f_out = f_clk/N
行波计数器: f_max = 1/(n·t_pd)
环形计数器与约翰逊计数器: n 个和 2n 个状态

方法

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。
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。
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。
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

先把每个数对 n 取模；余数在 0 到 n − 1 之间。
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。
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。
解 a·x ≡ b 时，两边乘以 a⁻¹；合并两个同余式时，写成 x = r₁ + m₁k。
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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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
K_n 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

写出每个顶点的度数；所有度数之和等于边数的两倍。
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。
对于树，利用 n − 1 条边和握手引理。
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。
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

设置各位，使其以 8 位补码存储 −88。按无符号数读取，该位模式的值 U 是多少？

N = −888 bit

U =

2.数制困难

把各位设置为 1000 1110 AND 0111 0101 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少？

1000 1110AND0111 0101

R =

3.命题逻辑与证明中等

哪个公式与 (c ∧ b) → a 在逻辑上等价？点选它。

(c ∧ b) → a

1c → (b → a)
2c ∧ (b → a)
3(c → a) ∧ (b → a)
4(c → b) → a

4.命题逻辑与证明困难

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

p → r¬p∴ ¬r

1p = 1, r = 1
2p = 1, r = 0
3p = 0, r = 1
4p = 0, r = 0

5.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器中等

把 F = A′B′C′ + B′C′ + AB′C + ABC′ 化简为最简积之和形式。化简后的表达式包含多少个文字 L？

F = A′B′C′ + B′C′ + AB′C + ABC′

L =

6.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器困难

一个上升沿触发的 T 触发器从 Q = 0 开始，接收到所示的输入。点选 Q 第一次从 1 回到 0 的时钟边沿。

Q₀ = 0T

1时钟边沿 1
2时钟边沿 2
3时钟边沿 3
4时钟边沿 4
5时钟边沿 5
6时钟边沿 6

7.数论与模运算中等

解 19x ≡ 16 (mod 67)。给出满足 0 < x < 67 的解 x。

19x ≡ 16 (mod 67)

x =

8.数论与模运算困难

用 RSA 公钥 (n, e) = (1363, 5) 加密消息 m = 1340。求密文 c。

n = 1363e = 5m = 1340

c =

9.算法与复杂度中等

递推式 T(n) = T(n − 1) + O(n) 的解是什么？

AO(n log n)
BO(n)
CO(n²)
DO(2ⁿ)

10.算法与复杂度困难

关于类 P 的哪个定义是正确的？

A在每台计算机上都需要指数时间的问题
B能由确定性算法在多项式时间内求解的判定问题
C能够并行求解的问题
D其解可以被验证、但绝不能在多项式时间内找到的问题

11.数据结构中等

在使用开放寻址法的哈希表中，可能的最大负载因子是多少？

A2
B1
C0.5
D没有最大值

12.数据结构困难

一个 AVL 节点失衡，原因是其左子节点的右子树变得过高（左右情况）。应采用哪种修正？

A在该节点处进行一次左旋
B先在左子节点处右旋，再在该节点处左旋
C先在左子节点处左旋，再在该节点处右旋
D在该节点处进行一次右旋

13.图论中等

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欧拉回路
2有欧拉通路，无回路
3都不是

14.图论困难

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 4 轮被确定（成为永久标号）的顶点；A 本身是第 1 轮。

起点：A轮 4

15.数据库与 SQL中等

ACID 中的 "A" 代表什么？

A原子性（Atomicity）
B聚合性（Aggregation）
C准确性（Accuracy）
D可用性（Availability）

16.数据库与 SQL困难

SELECT day, SUM(amount) OVER (ORDER BY day) FROM sales 计算的是什么？

A每天的平均金额
B每天一行，只有当天的总额
C按 day 排序的 amount 累计总和
D每一行上所有金额的总和

17.计算机网络中等

为什么实时视频通话通常优先使用 UDP？

A所有视频都必须使用 UDP
B低延迟比重传每个丢失的数据包更重要
CUDP 保证每个数据包都能到达，因此画面永远不会卡住
DUDP 会自动加密数据

18.计算机网络困难

无穷计数问题出现在哪类路由协议中？什么方法有助于应对它？

A链路状态协议；泛洪链路更新
B静态路由；添加默认路由
C路径向量协议；更长的 AS 路径
D距离向量协议；水平分割和毒性逆转

19.IPv4 子网划分中等

网络 192.168.240.0/24 被划分为若干 /27 子网，从最低地址起编号为 1、2、3、…（子网 1 从 .0 开始）。子网 4 的网络地址的第四个八位组 x 是多少？

192.168.240.0/24/27子网 4 (子网 1 从 .0 开始)

x =

20.IPv4 子网划分困难

某主机地址为 10.20.144.157/25。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？

10.20.144.157/25

x =

3溶液

1.数制

答案: U = 168

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

88 = 0101 1000

取反后: 1010 0111

+1 → 1010 1000

按无符号数读取

1010 1000₂ = 256 − 88 = 168

答案

U = 168

2.数制

答案: R = 4

逐位计算

AND 只有在两位都为 1 时才得 1。

1000 1110

AND 0111 0101

= 0000 0100

结果的值

0000 0100₂ = 4

答案

R = 4

3.命题逻辑与证明

答案: c → (b → 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

输出律：(a ∧ b) → c ≡ a → (b → c)。两者都只有在 a = 1、b = 1 且 c = 0 时才为 0。

(c ∧ b) → a ≡ c → (b → a)

用真值表检验

a = 1, b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 1

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

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

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

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

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

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

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

答案

c → (b → 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: p = 0, r = 1

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

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

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

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

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

反例

p = 0, r = 1

答案

p = 0, r = 1

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: L = 6

布尔代数：化简表达式的规则有 X + X′ = 1 和 X·X′ = 0、X + X = X、吸收律 X + X·Y = X、合并律 X·Y + X·Y′ = X、X + X′Y = X + Y，以及一致性定理 XY + X′Z + YZ = XY + X′Z。德摩根律把 (X·Y)′ 变成 X′ + Y′，把 (X + Y)′ 变成 X′·Y′。卡诺图以图形方式应用这些规则：每个由两个相邻格子组成的圈，就是一次使用 XY + XY′ = X。

表达式的最小项

A′B′C′ → m(0)

B′C′ → m(0, 4)

AB′C → m(5)

ABC′ → m(6)

圈组并读出结果

F = B′C′ + AC′ + AB′

数出文字个数

L = 6

答案

L = 6

6.数字逻辑：门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 3

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 f_clk/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 Q

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转，在 T = 0 时保持。

1: T = 1 → Q = 1

2: T = 0 → Q = 1

3: T = 1 → Q = 0

4: T = 0 → Q = 0

5: T = 0 → Q = 0

6: T = 1 → Q = 1

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 3

答案

时钟边沿 3

7.数论与模运算

答案: x = 22

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)。

19 的逆元

r = 67, t = 0

r = 19, q = 3, t = 1

r = 10, q = 1, t = −3

r = 9, q = 1, t = 4

r = 1, q = 9, t = −7

19⁻¹ ≡ 60 (mod 67)

求解

x ≡ 60·16 = 960 ≡ 22 (mod 67)

校核: 19·22 = 418 ≡ 16 (mod 67)

答案

x = 22

8.数论与模运算

答案: c = 1106

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

5 = 4 + 1

1340¹ ≡ 1340 (mod 1363)

C · 先在左子节点处左旋，再在该节点处右旋

13.图论

答案: 欧拉回路

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；K_n 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) = 2, deg(C) = 2, deg(D) = 2, deg(E) = 4, deg(F) = 2

奇度顶点

欧拉回路

答案

欧拉回路

14.图论

答案: B

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

1. A (0): B: 14, C: 10

2. C (10): E: 11, G: 15

3. E (11): D: 25, F: 20

4. B (14)

5. G (15)

6. F (20): D: 22

发生故障后，距离向量路由器可能继续互相通告过时的路由，使度量值缓慢上升。水平分割、毒性逆转和最大度量值可以限制这一问题。

答案

D · 距离向量协议；水平分割和毒性逆转

19.IPv4 子网划分

答案: x = 96

IPv4 subnetting: an address has 32 bits. The prefix /p says how many leading bits identify the network; the remaining 32 − p bits number the hosts. A subnet has 2³²⁻ᵖ addresses, but the first (network address) and last (broadcast address) cannot be given to hosts, so 2³²⁻ᵖ − 2 hosts fit. Exceptions: a /31 (point-to-point link, RFC 3021) uses both of its 2 addresses for hosts, and a /32 is one single address (a single host or a loopback).

块大小

2⁵ = 32

第 4 个子网

网络: (4 − 1)·32 = 96

广播: 96 + 32 − 1 = 127

答案

x = 96

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: ⌊157/128⌋·128 = 128

广播: 128 + 128 − 1 = 255

可用主机: 129 … 254

答案

x = 254

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