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 −7。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −78 bit
U =
2.数制困难
3374 个编码,b = ? 位?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

某系统要为 3374 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?

3374
b = bit
3.命题逻辑与证明中等
¬r ∧ q¬r ∨ ¬q¬r ∧ ¬qr ∨ ¬q

哪个公式与 ¬(r ∨ q) 在逻辑上等价?点选它。

¬(r ∨ q)
  1. 1¬r ∧ q
  2. 2¬r ∨ ¬q
  3. 3¬r ∧ ¬q
  4. 4r ∨ ¬q
4.命题逻辑与证明困难
∃x ¬A(x)∀x A(x)∀x ¬A(x)∃x A(x)

把否定完全移到内部之后,哪个命题与 ¬∃x A(x) 等价?点选它。

¬∃x A(x)
  1. 1∃x ¬A(x)
  2. 2∀x A(x)
  3. 3∀x ¬A(x)
  4. 4∃x A(x)
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000111312040517060121131150140819011010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 7, 9, 13, 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(1, 2, 3, 7, 9, 13, 15)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKD1234567

一个上升沿触发的 D 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 = 0D
  1. 1时钟边沿 1
  2. 2时钟边沿 2
  3. 3时钟边沿 3
  4. 4时钟边沿 4
  5. 5时钟边沿 5
  6. 6时钟边沿 6
  7. 7时钟边沿 7
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 7 (mod 11) 和 x ≡ 9 (mod 13) 的最小正整数 x。

x ≡ 7 (mod 11)x ≡ 9 (mod 13)
x =
8.数论与模运算困难

在 {0, 1, …, 31} 中,18x ≡ 8 (mod 32) 有多少个解 N?

18x ≡ 8 (mod 32)
N =
9.算法与复杂度中等

递推式 T(n) = T(n/2) + O(1) 的解是什么?

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

用一个只保留最后两个值的循环计算第 n 个斐波那契数,时间和空间代价各是多少?

  1. AO(n) 时间和 O(1) 空间
  2. BO(log n) 时间和 O(n) 空间
  3. CO(n) 时间和 O(n) 空间
  4. DO(2ⁿ) 时间和 O(1) 空间
11.数据结构中等

循环缓冲区(环形缓冲区)通常用于实现:

  1. A二叉搜索树
  2. B图的遍历
  3. C哈希函数
  4. D固定大小的队列
12.数据结构困难

哪条性质使每棵 B 树都保持完全平衡?

  1. A每个节点恰好有两个子节点
  2. B键只存储在根中
  3. C所有叶子都位于同一深度
  4. D每个节点只存储一个键
13.图论中等

一个连通图有 15 个顶点和 15 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 15|E| = 15
k =
14.图论困难
1251596687ABCDEF

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
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
15.数据库与 SQL中等

某列包含值 10、20 和 NULL。AVG(col) 返回什么?

  1. A10
  2. B30
  3. CNULL
  4. D15
16.数据库与 SQL困难

相关子查询(correlated subquery)是指:

  1. A引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询
  2. B通过外键连接两个表的子查询
  3. C只使用聚合函数的子查询
  4. D只在外层查询之前运行一次,并将结果缓存供每一行使用
17.计算机网络中等

NAT(网络地址转换)主要用于:

  1. A让许多使用私有地址的设备共享一个公网 IP 地址
  2. B提高网线的速度
  3. C为本地网络中的设备把域名转换为 IP 地址
  4. D加密两个站点之间的流量
18.计算机网络困难

在 TCP 连接中,接收窗口(rwnd)控制什么?

  1. A每个 IP 数据包头部的大小
  2. B重传超时时间,根据每个报文段测得的往返时间计算
  3. C打开的端口数量
  4. D根据接收方缓冲区,发送方可以发送多少未确认的数据
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2611111111111111111111111111000000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 3 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?

192.168.10.0/243 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 5012806403201608140211网络主机

某主机地址为 10.20.190.5/27。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?

10.20.190.5/27
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 249

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

7 = 0000 0111
取反后: 1111 1000
+1 → 1111 1001

按无符号数读取

1111 1001₂ = 256 − 7 = 249

答案

U = 249
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 < 3374
212 = 4096 ≥ 3374

答案

b = 12
3.命题逻辑与证明

答案: ¬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)。

定律

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

用真值表检验

q = 1, r = 1: 0 | 0 0 0 1
q = 1, r = 0: 0 | 1 1 0 0
q = 0, r = 1: 0 | 0 1 0 1
q = 0, r = 0: 1 | 0 1 1 1

答案

¬r ∧ ¬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: ∀x ¬A(x)

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。

把否定移到内部

¬∃x A(x) ≡ ∀x ¬A(x)

答案

∀x ¬A(x)

其他选项要么保持某个量词不变,要么改变了量词的顺序,要么错误地否定了内部的公式。

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。

ABCD000111100001111000111312040517060121131150140819011010

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。

B′C′D
BCD
AC′D
A′B′C

最简 SOP 形式

F = B′C′D + BCD + AC′D + A′B′C
N = 4

答案

N = 4

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

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 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 Q

D 触发器在每个上升沿复制 D:Q⁺ = D。

1: D = 1 → Q = 1
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 1 → Q = 1
5: D = 0 → Q = 0
6: D = 1 → Q = 1
7: D = 0 → Q = 0

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 = 139

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 = 7 + 11k

第二个同余式

7 + 11k ≡ 9 (mod 13) → 11k ≡ 2 (mod 13)
k ≡ 6·2 ≡ 12 (mod 13)

结果

x = 7 + 11·12 = 139
x = 139
校核: 139 mod 11 = 7, 139 mod 13 = 9

答案

x = 139
8.数论与模运算

答案: N = 2

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)。

除以最大公约数

gcd(18, 32) = 2
9x ≡ 4 (mod 16)

解化简后的同余式

9−1 ≡ 9 (mod 16) → x ≡ 4 (mod 16)

模 32 下的解

x ∈ {4, 20}
N = 2

答案

N = 2
9.算法与复杂度

答案: A · O(log n)

为什么是这个答案

问题规模每一步减半,每步的工作量是常数,因此大约有 log₂ n 步。

答案

A · O(log n)
10.算法与复杂度

答案: A · O(n) 时间和 O(1) 空间

为什么是这个答案

每一步只需要前两个值,因此自底向上方法中的表格可以用两个变量代替。

答案

A · O(n) 时间和 O(1) 空间
11.数据结构

答案: D · 固定大小的队列

为什么是这个答案

环形缓冲区使用可回绕的头索引和尾索引,在固定内存中实现 O(1) 的 enqueue 和 dequeue。

答案

D · 固定大小的队列
12.数据结构

答案: C · 所有叶子都位于同一深度

为什么是这个答案

节点满时向上分裂,只有根分裂时树才会变高,因此所有叶子始终处于同一层。

答案

C · 所有叶子都位于同一深度
13.图论

答案: k = 1

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。

生成树的边数

15 − 1 = 14

要去掉的边数

k = 15 − 14 = 1

答案

k = 1
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: 12, C: 5
2. C (5): E: 11
3. E (11): F: 19
4. B (12): D: 21
5. F (19)
6. D (21)

轮 4

B

答案

B
15.数据库与 SQL

答案: D · 15

为什么是这个答案

AVG 忽略 NULL,因此对 10 和 20 求平均得到 15,而不是 30 / 3 = 10。

答案

D · 15
16.数据库与 SQL

答案: A · 引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询

为什么是这个答案

相关子查询依赖于当前的外层行,因此在逻辑上按行求值(优化器可能会将其改写为连接)。

答案

A · 引用外层查询的列,并针对外层的每一行进行求值的子查询
17.计算机网络

答案: A · 让许多使用私有地址的设备共享一个公网 IP 地址

为什么是这个答案

NAT 改写地址(和端口),使私有网络能够通过较少的公网地址访问互联网。

答案

A · 让许多使用私有地址的设备共享一个公网 IP 地址
18.计算机网络

答案: D · 根据接收方缓冲区,发送方可以发送多少未确认的数据

为什么是这个答案

接收方通告其可用的缓冲区空间;发送方据此限制未确认的数据量,防止接收方过载。

答案

D · 根据接收方缓冲区,发送方可以发送多少未确认的数据
19.IPv4 子网划分

答案: H = 62

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

22 = 4 ≥ 3 → b = 2, /26

每个子网的主机数

26 − 2 = 62

答案

H = 62
20.IPv4 子网划分

答案: x = 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)。

块大小

25 = 32

该主机所在子网

网络: ⌊5/32⌋·32 = 0
广播: 0 + 32 − 1 = 31
可用主机: 1 … 30

答案

x = 30

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