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0−12806403211618141201

8 位模式 0001 1110 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

0001 11108 bit
N =
2.数制困难
3722 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 3722 个项目中的每一个分配一个长度相同的独立二进制编码。最少需要多少位 b?

3722
b = bit
3.命题逻辑与证明中等
¬¬p ∧ (r ∧ q)¬¬p ∧ ¬(r ∧ q)¬¬p → ¬(r ∧ q)¬p ∧ ¬(r ∧ q)

你想用反证法来证明 ¬p → (r ∧ q)。一开始要假设哪个命题?点选它。

¬p → (r ∧ q)
  1. 1¬¬p ∧ (r ∧ q)
  2. 2¬¬p ∧ ¬(r ∧ q)
  3. 3¬¬p → ¬(r ∧ q)
  4. 4¬p ∧ ¬(r ∧ q)
4.命题逻辑与证明困难
prp → r¬p¬r11100100

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
  1. 1p = 1, r = 1
  2. 2p = 1, r = 0
  3. 3p = 0, r = 1
  4. 4p = 0, r = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111011111

在这个卡诺图中,恰有一个 1 没有相邻的 1,所以它在最简 SOP 形式中仍是单个格子的圈(含四个文字的完整最小项)。跨越卡诺图边界的相邻关系也要计入。点选该格子。

F = Σm(3, 8, 10, 14, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111100011130204051706112013X15X140809111110

求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 7, 10, 11, 12) + d(14, 15) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 7, 10, 11, 12) + d(14, 15)
N =
7.数论与模运算中等

求 49 模 62 的逆元:满足 0 < x < 62 且 49·x ≡ 1 (mod 62) 的数 x。

a = 49n = 62
49−1 mod 62 =
8.数论与模运算困难

59 是素数。用费马小定理求 1767731 mod 59。

p = 59k = 67731
1767731 mod 59 =
9.算法与复杂度中等

对于在满时将容量翻倍的动态数组,追加元素的均摊(amortised)时间复杂度是多少?

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

关于在无序数组中选择第 k 小的元素,下列哪个说法是正确的?

  1. A选择只能在 O(n²) 内完成
  2. B选择总是需要 Ω(n log n),因为必须先排序
  3. C快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)
  4. D快速选择的最坏情况为 O(log n),因为它只对枢轴的一侧递归
11.数据结构中等

在存储于容量为 n 的数组中的循环队列里,下标 i 之后的下一个位置如何计算?

  1. A(i − 1) mod n
  2. B(i + 1) mod n
  3. C2i + 1
  4. Di + 1
12.数据结构困难

要使哈希表正确工作,哈希与相等性必须遵守哪条规则?

  1. A相等的键必须具有相等的哈希值
  2. B哈希值相等意味着键相等
  3. C不同的键必须具有不同的哈希值
  4. D哈希值必须是素数
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
732016171215102ABCDEFG

普里姆算法从顶点 F 出发构造最小生成树。点选它加入的第 2 条边。

起点:Fk = 2
  1. 1边 AC
  2. 2边 BC
  3. 3边 BD
  4. 4边 DE
  5. 5边 DF
  6. 6边 EF
  7. 7边 GC
  8. 8边 GD
  9. 9边 GE
15.数据库与 SQL中等

ACID 中的 "A" 代表什么?

  1. A聚合性(Aggregation)
  2. B可用性(Availability)
  3. C准确性(Accuracy)
  4. D原子性(Atomicity)
16.数据库与 SQL困难

并发事务的调度在什么情况下被称为可串行化的?

  1. A任何事务都从不读取数据
  2. B每个事务都被分配一个序列号
  3. C事务只在一个 CPU 上运行
  4. D其效果等价于这些事务的某种串行执行
17.计算机网络中等

交换机通常工作在 OSI 的哪一层?

  1. A物理层(第 1 层)
  2. B传输层(第 4 层)
  3. C网络层(第 3 层)
  4. D数据链路层(第 2 层)
18.计算机网络困难

根据奈奎斯特公式,使用 4 个信号电平的无噪声 3 kHz 信道的最大比特率是多少?

  1. A12 kbit/s
  2. B3 kbit/s
  3. C24 kbit/s
  4. D6 kbit/s
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111110000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 991 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

991 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 136112806403201618040201网络主机

某主机地址为 10.20.127.136/30。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.127.136/30
x =

3溶液

1.数制

答案: N = 30

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。

16 + 8 + 4 + 2 = 30

答案

N = 30
2.数制

答案: b = 12 bit

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。

2 的幂

211 = 2048 < 3722
212 = 4096 ≥ 3722

答案

b = 12
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 = ¬p, b = r ∧ q

蕴涵的否定

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = ¬p ∧ ¬(r ∧ q)

答案

¬p ∧ ¬(r ∧ q)

如果假设导致矛盾,则该蕴涵必为真。

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: AB = 00, CD = 11

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 1 的邻格

有相邻 1 的 1 可以加入由两个或更多格子组成的圈。

m3: m2, m1, m7, m11 → 0
ABCD000111100001111011111

孤立的 1

m3 = A′B′CD → AB = 00, CD = 11

答案

AB = 00, CD = 11
6.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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

CD, AC, A′B′D, ABD′
ABCD00011110000111100011130204051706112013X15X140809111110

最小覆盖

F = CD + AC + A′B′D + ABD′
N = 4

答案

N = 4
7.数论与模运算

答案: 49−1 mod 62 = 19

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·49 (mod 62)。

r = 62, t = 0
r = 49, q = 1, t = 1
r = 13, q = 3, t = −1
r = 10, q = 1, t = 4
r = 3, q = 3, t = −5
r = 1, q = 3, t = 19

逆矩阵

1 ≡ 19·49 (mod 62)
x = 19
校核: 49·19 = 931 = 15·62 + 1

答案

49−1 mod 62 = 19
8.数论与模运算

答案: 1767731 mod 59 = 4

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

67731 mod 58 = 45
1767731 ≡ 1745 (mod 59)

小的幂

1745 mod 59 = 4

答案

1767731 mod 59 = 4
9.算法与复杂度

答案: C · O(1)

为什么是这个答案

只有在元素个数达到 2 的幂时才会复制全部元素;将其分摊到所有追加操作上,每次追加的平均代价是常数。

答案

C · O(1)
10.算法与复杂度

答案: C · 快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)

为什么是这个答案

使用随机基准时,快速选择的期望工作量为 n + n/2 + n/4 + ... = O(n);把基准选为中位数的中位数可使最坏情况为线性。

答案

C · 快速选择的期望时间为 O(n),而中位数的中位数法保证最坏情况为 O(n)
11.数据结构

答案: B · (i + 1) mod n

为什么是这个答案

取模运算把下标 n − 1 回绕到 0,因此数组可以被重复使用而无需移动元素。

答案

B · (i + 1) mod n
12.数据结构

答案: A · 相等的键必须具有相等的哈希值

为什么是这个答案

如果两个相等的键哈希值不同,它们就会被存储在不同的桶中,查找就会失败;不相等的键仍然可以共用一个哈希值。

答案

A · 相等的键必须具有相等的哈希值
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: 边 GE

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。

普里姆算法

1. EF (12)
2. GE (2)
3. GD (10)
4. GC (15)
5. BC (3)
6. AC (7)

边的序号 2

GE

答案

边 GE
15.数据库与 SQL

答案: D · 原子性(Atomicity)

为什么是这个答案

ACID:atomicity、consistency、isolation、durability。原子性指事务要么完全执行,要么完全不执行。

答案

D · 原子性(Atomicity)
16.数据库与 SQL

答案: D · 其效果等价于这些事务的某种串行执行

为什么是这个答案

可串行化是并发控制的主要正确性标准:交错执行的结果必须等于某种逐个执行顺序的结果。

答案

D · 其效果等价于这些事务的某种串行执行
17.计算机网络

答案: D · 数据链路层(第 2 层)

为什么是这个答案

标准交换机学习 MAC 地址并在第 2 层转发帧。三层交换机还具备路由功能。

答案

D · 数据链路层(第 2 层)
18.计算机网络

答案: A · 12 kbit/s

为什么是这个答案

2 × 3000 × log₂ 4 = 2 × 3000 × 2 = 12,000 bit/s。更多的电平能提高速率,但噪声限制了可以区分的电平数。

答案

A · 12 kbit/s
19.IPv4 子网划分

答案: p = 22

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

29 − 2 = 510 < 991
210 − 2 = 1022 ≥ 991 → h = 10

前缀长度

p = 32 − 10 = 22

答案

p = /22
20.IPv4 子网划分

答案: x = 139

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

22 = 4

该主机所在子网

网络: ⌊136/4⌋·4 = 136
广播: 136 + 4 − 1 = 139
可用主机: 137 … 138

答案

x = 139

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