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 −105。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1058 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0110 0110 << 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0110 0110<< 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬¬r → ¬pp → ¬r¬r ∧ ¬p¬p → ¬¬r

你想用逆否证明来证明 ¬r → p。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

¬r → p
  1. 1¬¬r → ¬p
  2. 2p → ¬r
  3. 3¬r ∧ ¬p
  4. 4¬p → ¬¬r
4.命题逻辑与证明困难
∃y ∀x ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)

把否定完全移到内部之后,哪个命题与 ¬∀x ∃y R(x, y) 等价?点选它。

¬∀x ∃y R(x, y)
  1. 1∃y ∀x ¬R(x, y)
  2. 2∃x ∀y ¬R(x, y)
  3. 3∀x ∀y ¬R(x, y)
  4. 4∀x ∃y ¬R(x, y)
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110302041517161121130150141809111110

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13) 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(1, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13)
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKUP

3 位二进制加法计数器从 6(十进制,Q = 110)开始。经过 22 个时钟脉冲后,它显示的计数 Q(十进制)是多少?

Q0 = 622n = 3
Q =
7.数论与模运算中等

求 25 模 89 的逆元:满足 0 < x < 89 且 25·x ≡ 1 (mod 89) 的数 x。

a = 25n = 89
25−1 mod 89 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n53m = cd​ mod n?(n, e) = (55, 3)d

某个 RSA 密钥使用 p = 5,q = 11,e = 3。解密密文 c = 53:求消息 m。

p = 5q = 11e = 3c = 53
m =
9.算法与复杂度中等

在活动选择问题中,哪条贪心规则总能得到数量最多的互不重叠的活动?

  1. A先选择与其他活动重叠最少的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
  2. B先选择最短的活动
  3. C选择最早开始的活动
  4. D选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
10.算法与复杂度困难

一个问题是 NP 完全(NP-complete)的,当且仅当它:

  1. A属于 NP,且所有 NP 问题都能在多项式时间内归约到它
  2. B不属于 NP,但比所有 NP 问题都难,例如停机问题
  3. C不可能被解决
  4. D可以在多项式时间内解决
11.数据结构中等

字典树(Trie,前缀树)特别适合用于:

  1. A求最短路径
  2. B自动补全等前缀查找
  3. C对数字排序
  4. D存储矩阵
12.数据结构困难

用于拓扑排序的 Kahn 算法反复删除入度为 0 的顶点。哪种结构保存这些顶点?

  1. A由入度为 0 的顶点组成的队列(或任何集合)
  2. B按出度排序的最大堆
  3. C由所有访问过的边组成的栈
  4. D记录哪些顶点已被删除的邻接矩阵
13.图论中等
ABCDE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| = 5|E| = 5
  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
13111093131289ABCDEFG

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

在关系代数中,投影运算符(π)对应于:

  1. A选择哪些列出现在结果中
  2. B选择哪些行满足给定条件
  3. C对结果排序
  4. D按键组合两个表
16.数据库与 SQL困难

表 b 的 y 列包含值 1、2 和 NULL。SELECT * FROM a WHERE x NOT IN (SELECT y FROM b) 返回什么?

  1. A根本不返回任何行
  2. B返回 a 中 x 不是 1 或 2 的行
  3. C返回 a 的每一行
  4. D只返回 a 中 x 为 NULL 的行
17.计算机网络中等

主机 192.168.10.77/26 的网络地址是什么?

  1. A192.168.10.128
  2. B192.168.10.0
  3. C192.168.10.76
  4. D192.168.10.64
18.计算机网络困难

一台防火墙阻止了所有 ICMP。小的 Web 请求正常,但经过某些路径的大文件下载会卡住。可能的原因是什么?

  1. A没有 ICMP,TCP 无法建立连接
  2. BTLS 证书通过 ICMP 发送
  3. C由于"需要分片"消息被阻止,路径 MTU 发现失败
  4. DDNS 需要 ICMP 才能解析名称
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 = 174112806413201618141201网络主机

某主机地址为 10.20.22.174/25。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.22.174/25
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 151

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

105 = 0110 1001
取反后: 1001 0110
+1 → 1001 0111

按无符号数读取

1001 0111₂ = 256 − 105 = 151

答案

U = 151
2.数制

答案: R = 48

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

左移 3 位,把每一位向左移动 3 个位置;从左端移出的位丢失,右侧补入 0。

0110 0110 << 3
= 0011 0000

结果的值

0011 0000₂ = 48

答案

R = 48
3.命题逻辑与证明

答案: ¬p → ¬¬r

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, b = p

逆否命题

¬b → ¬a = ¬p → ¬¬r

答案

¬p → ¬¬r

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: ∃x ∀y ¬R(x, y)

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 ∃y R(x, y) ≡ ∃x ∀y ¬R(x, y)

答案

∃x ∀y ¬R(x, y)

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: L = 15

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。

ABCD000111100001111000110302041517161121130150141809111110

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。

BC′D
A′C′D
AC′D′
A′BC
AB′C

最简 SOP 形式

F = BC′D + A′C′D + AC′D′ + A′BC + AB′C
L = 15

答案

L = 15

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: Q = 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。

完整循环

每 8 个脉冲使计数器回到相同的状态。

22 = 2·8 + 6

剩余脉冲之后的计数

Q = (6 + 6) mod 8 = 4
Q = 100₂

答案

Q = 4
7.数论与模运算

答案: 25−1 mod 89 = 57

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·25 (mod 89)。

r = 89, t = 0
r = 25, q = 3, t = 1
r = 14, q = 1, t = −3
r = 11, q = 1, t = 4
r = 3, q = 3, t = −7
r = 2, q = 1, t = 25
r = 1, q = 2, t = −32

逆矩阵

1 ≡ −32·25 (mod 89)
x = 57
校核: 25·57 = 1425 = 16·89 + 1

答案

25−1 mod 89 = 57
8.数论与模运算

答案: m = 37

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 = 55, φ(n) = 40
d = 3−1 mod 40 = 27

用反复平方法解密

27 = 16 + 8 + 2 + 1
531 ≡ 53 (mod 55)
532 ≡ 4 (mod 55)
534 ≡ 16 (mod 55)
538 ≡ 36 (mod 55)
5316 ≡ 31 (mod 55)
5327 ≡ 53·4·36·31 ≡ 37 (mod 55)

消息

m = 37
校核: 373 mod 55 = 53

答案

m = 37
9.算法与复杂度

答案: D · 选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步

为什么是这个答案

选择最早结束时间可以用交换论证证明是最优的;其他规则都有反例。

答案

D · 选择最早结束的活动,然后在与之相容的活动中重复这一步
10.算法与复杂度

答案: A · 属于 NP,且所有 NP 问题都能在多项式时间内归约到它

为什么是这个答案

NP 完全问题是 NP 中最难的问题;只要其中一个有多项式算法,整个 NP 就都有多项式算法。

答案

A · 属于 NP,且所有 NP 问题都能在多项式时间内归约到它
11.数据结构

答案: B · 自动补全等前缀查找

为什么是这个答案

字典树沿路径按字符存储字符串,因此查找和前缀查询的时间与键的长度成正比。

答案

B · 自动补全等前缀查找
12.数据结构

答案: A · 由入度为 0 的顶点组成的队列(或任何集合)

为什么是这个答案

准备好的顶点保存在队列中;删除一个顶点会降低其邻居的入度,入度降为 0 的邻居被加入队列,总时间为 O(V + E)。

答案

A · 由入度为 0 的顶点组成的队列(或任何集合)
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) = 2, deg(D) = 1, deg(E) = 3

奇度顶点

A, B, D, E → 4
都不是

答案

都不是
14.图论

答案: d(F) = 27

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: 13, C: 11
C (11): E: 14, G: 19
B (13): D: 22
E (14): F: 27
G (19)
D (22)
F (27)

最短路径

A → C → E → F
d(F) = 27

答案

d(F) = 27
15.数据库与 SQL

答案: A · 选择哪些列出现在结果中

为什么是这个答案

投影保留选定的属性(SELECT 列表),而选择 σ 保留满足条件的行(WHERE 子句)。

答案

A · 选择哪些列出现在结果中
16.数据库与 SQL

答案: A · 根本不返回任何行

为什么是这个答案

与 NULL 的比较结果为 UNKNOWN,因此整个条件永远不会为 TRUE;使用 NOT EXISTS 或过滤掉 NULL 可以避开这个陷阱。

答案

A · 根本不返回任何行
17.计算机网络

答案: D · 192.168.10.64

为什么是这个答案

/26 子网从 0、64、128 和 192 开始。77 位于 64–127 这一块,所以网络地址是 192.168.10.64。

答案

D · 192.168.10.64
18.计算机网络

答案: C · 由于"需要分片"消息被阻止,路径 MTU 发现失败

为什么是这个答案

PMTUD 依靠 ICMP 消息来得知较小的 MTU。如果这些消息被丢弃,大数据包就会悄无声息地消失,形成"黑洞"连接。

答案

C · 由于"需要分片"消息被阻止,路径 MTU 发现失败
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 = 255

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: ⌊174/128⌋·128 = 128
广播: 128 + 128 − 1 = 255
可用主机: 129 … 254

答案

x = 255

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