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?−128?64?32?16?8?4?2?1

把 −4 写成 8 位补码模式。再把该模式当作无符号二进制数读出:它的十进制值 U 是多少?

N = −48 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1110 0100 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1110 0100>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬p ∧ ¬qp ∨ ¬q¬p ∧ q¬p ∨ ¬q

哪个公式与 ¬(p ∨ q) 在逻辑上等价?点选它。

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

已知前提 p → q; q → r; ¬r。由它们可以推出哪个结论?点选它。

p → qq → r¬r
  1. 1p
  2. 2¬p ∧ r
  3. 3r
  4. 4¬p
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010010302041507060120130150140819111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 9, 10, 11) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 5, 9, 10, 11)
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
FFQ0​Q0​FFQ1​Q1​FFQ2​Q2​FFQ3​Q3​CLKMOD-12

模 12 计数器由最少个数的触发器构成。可能的状态中有多少个 U 从未被用到?

N = 12
U =
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 4 (mod 6) 和 x ≡ 9 (mod 11) 的最小正整数 x。

x ≡ 4 (mod 6)x ≡ 9 (mod 11)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n359m = cd​ mod n?(n, e) = (1081, 19)d

某个 RSA 密钥使用 p = 23,q = 47,e = 19。解密密文 c = 359:求消息 m。

p = 23q = 47e = 19c = 359
m =
9.算法与复杂度中等

简单的递归阶乘函数 fact(n) = n × fact(n − 1) 使用多少栈空间?

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

Strassen 算法在矩阵乘法中对半尺寸的分块只做 7 次而不是 8 次递归乘法。它的运行时间是多少?

  1. AΘ(nlog₂ 7),约为 n2.81
  2. BΘ(n³)
  3. CΘ(n2)
  4. DΘ(n² log n)
11.数据结构中等

在从下标 0 开始存储于数组中的二叉堆里,下标为 i 的节点的父节点在哪里?

  1. A下标 2i + 1
  2. B下标 ⌊(i − 1) / 2⌋
  3. C下标 ⌊i / 2⌋ + 1
  4. D下标 i − 1
12.数据结构困难

在含 n 个元素的二叉最小堆中查找任意一个键需要多长时间?

  1. AO(log log n)
  2. BO(log n)
  3. CO(n)
  4. DO(1)
13.图论中等
ABCDEF欧拉回路有欧拉通路,无回路都不是

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. 1欧拉回路
  2. 2有欧拉通路,无回路
  3. 3都不是
14.图论困难
142128156568ABCDEFG

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =
15.数据库与 SQL中等

哪个 ACID 特性保证已提交的更改在系统崩溃后仍然存在?

  1. A原子性
  2. B一致性
  3. C持久性
  4. D隔离性
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每个事务都被分配一个序列号
  2. B事务只在一个 CPU 上运行
  3. C其效果等价于这些事务的某种串行执行
  4. D任何事务都从不读取数据
17.计算机网络中等

IPv4 首部中的哪个字段能防止数据包在路由环路中无限循环?

  1. A服务类型
  2. B首部校验和
  3. C生存时间(TTL)
  4. D标识
18.计算机网络困难

站点 A 和 C 都能连接到接入点 B,但彼此听不到对方,因此它们的帧在 B 处发生冲突。802.11 如何应对?

  1. A可选的 RTS/CTS 交换:接入点发出的 CTS 通知附近所有站点等待
  2. B让 A 和 C 使用冲突检测,使它们在帧重叠时停止发送
  3. C增加帧的 TTL
  4. D让 A 的帧经由 C 转发
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2711111111111111111111111111100000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 6 个相等的子网。若借用尽可能少的位,每个子网有多少可用主机 H?

192.168.10.0/246 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难

网络 192.168.237.0/24 用 VLSM 划分给以下局域网:A: 86 主机, B: 21 主机, C: 6 主机, D: 29 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 B 的网络地址第四个八位组 x 是多少?

A: 86B: 21C: 6D: 29
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 252

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。

取反加一

4 = 0000 0100
取反后: 1111 1011
+1 → 1111 1100

按无符号数读取

1111 1100₂ = 256 − 4 = 252

答案

U = 252
2.数制

答案: R = 28

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

右移 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1110 0100 >> 3
= 0001 1100

结果的值

0001 1100₂ = 28

答案

R = 28
3.命题逻辑与证明

答案: ¬p ∧ ¬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)。

定律

德摩根律:¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b。∨ 变成 ∧,并且两个部分都取否定。
¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q

用真值表检验

p = 1, q = 1: 0 | 0 1 0 0
p = 1, q = 0: 0 | 0 1 0 1
p = 0, q = 1: 0 | 0 0 1 1
p = 0, q = 0: 1 | 1 1 0 1

答案

¬p ∧ ¬q

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

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。

所有前提都为真的行

p = 0, q = 0, r = 0: p = 0, ¬p ∧ r = 0, r = 0, ¬p = 1

结论

¬p (两次否定后件式)

答案

¬p
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 14

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。

ABCD000111100001111010010302041507060120130150140819111110

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。

AB′D
AB′C
A′B′C′D′
A′BC′D

最简 SOP 形式

F = AB′D + AB′C + A′B′C′D′ + A′BC′D
L = 14

答案

L = 14
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: U = 4

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。

触发器的个数

2ⁿ ≥ 12 → n = 4 (2⁴ = 16)

未使用的状态

U = 16 − 12 = 4

答案

U = 4
7.数论与模运算

答案: x = 64

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)。

第一个同余式

x = 4 + 6k

第二个同余式

4 + 6k ≡ 9 (mod 11) → 6k ≡ 5 (mod 11)
k ≡ 2·5 ≡ 10 (mod 11)

结果

x = 4 + 6·10 = 64
x = 64
校核: 64 mod 6 = 4, 64 mod 11 = 9

答案

x = 64
8.数论与模运算

答案: m = 433

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。

私钥指数

n = 1081, φ(n) = 1012
d = 19−1 mod 1012 = 799

用反复平方法解密

799 = 512 + 256 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1
3591 ≡ 359 (mod 1081)
3592 ≡ 242 (mod 1081)
3594 ≡ 190 (mod 1081)
3598 ≡ 427 (mod 1081)
35916 ≡ 721 (mod 1081)
35932 ≡ 961 (mod 1081)
35964 ≡ 347 (mod 1081)
359128 ≡ 418 (mod 1081)
359256 ≡ 683 (mod 1081)
359512 ≡ 578 (mod 1081)
359799 ≡ 359·242·190·427·721·683·578 ≡ 433 (mod 1081)

消息

m = 433
校核: 43319 mod 1081 = 359

答案

m = 433
9.算法与复杂度

答案: C · O(n)

为什么是这个答案

在任何调用返回之前,递归深度达到 n 层,每次调用都需要一个栈帧,因此使用 O(n) 的空间。

答案

C · O(n)
10.算法与复杂度

答案: A · Θ(nlog₂ 7),约为 n2.81

为什么是这个答案

取 a = 7、b = 2,nlog₂ 7 压过 O(n²) 的加法工作量,结果约为 n2.81。

答案

A · Θ(nlog₂ 7),约为 n2.81
11.数据结构

答案: B · 下标 ⌊(i − 1) / 2⌋

为什么是这个答案

i 的子节点位于 2i + 1 和 2i + 2,因此 i 的父节点位于 ⌊(i − 1) / 2⌋;若下标从 1 开始,则为 ⌊i / 2⌋。

答案

B · 下标 ⌊(i − 1) / 2⌋
12.数据结构

答案: C · O(n)

为什么是这个答案

堆没有规定哪棵子树包含某个键,因此在最坏情况下必须检查所有节点;只有最小值能被快速找到。

答案

C · O(n)
13.图论

答案: 都不是

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。

度

deg(A) = 1, deg(B) = 3, deg(C) = 1, deg(D) = 3, deg(E) = 4, deg(F) = 2

奇度顶点

A, B, C, D → 4
都不是

答案

都不是
14.图论

答案: d(F) = 28

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

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): B: 14, C: 2
C (2): E: 17
B (14): D: 22, G: 19
E (17)
G (19)
D (22): F: 28
F (28)

最短路径

A → B → D → F
d(F) = 28

答案

d(F) = 28
15.数据库与 SQL

答案: C · 持久性

为什么是这个答案

持久性意味着事务一旦提交,其效果就会被保留,通常通过把日志写入稳定存储来实现。

答案

C · 持久性
16.数据库与 SQL

答案: C · 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

C · 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: C · 生存时间(TTL)

为什么是这个答案

每台路由器都把 TTL 减一;减到零时数据包被丢弃,通常还会发送一条 ICMP 超时(Time Exceeded)消息。IPv6 称之为跳数限制(hop limit)。

答案

C · 生存时间(TTL)
18.计算机网络

答案: A · 可选的 RTS/CTS 交换:接入点发出的 CTS 通知附近所有站点等待

为什么是这个答案

站点发送请求发送(RTS);接入点回复允许发送(CTS),其覆盖范围内的每个站点都能听到,因此隐藏站点会在预留时间内推迟发送。

答案

A · 可选的 RTS/CTS 交换:接入点发出的 CTS 通知附近所有站点等待
19.IPv4 子网划分

答案: H = 30

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)。

借用的位数

23 = 8 ≥ 6 → b = 3, /27

每个子网的主机数

25 − 2 = 30

答案

H = 30
20.IPv4 子网划分

答案: x = 160

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

A: 86 主机 → 27 = 128 (/25)
D: 29 主机 → 25 = 32 (/27)
B: 21 主机 → 25 = 32 (/27)
C: 6 主机 → 23 = 8 (/29)

分配顺序,从大到小

A: .0 – .127
D: .128 – .159
B: .160 – .191
C: .192 – .199

答案

x = 160

局域网 B:192.168.237.160/27。

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