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 −41。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −418 bit
U =
2.数制困难
12 位补码, N = ??符号位???????????

12 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

12 bit
N =
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

c ↔ ¬c 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

c ↔ ¬c
  1. 1重言式
  2. 2矛盾式
  3. 3偶然式
4.命题逻辑与证明困难
¬b¬b ∧ cbc

已知前提 b → a; a → c; ¬c。由它们可以推出哪个结论?点选它。

b → aa → c¬c
  1. 1¬b
  2. 2¬b ∧ c
  3. 3b
  4. 4c
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABC00011110011011131204051706

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 7) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 7)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110101113121415071611201311501408X9X11010

求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 15) + d(9, 11) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它包含多少个文字 L?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 15) + d(9, 11)
L =
7.数论与模运算中等

解 20x ≡ 63 (mod 83)。给出满足 0 < x < 83 的解 x。

20x ≡ 63 (mod 83)
x =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 59190 mod 98。

a = 59k = 190n = 98
59190 mod 98 =
9.算法与复杂度中等

下面代码的时间复杂度是多少:for i = 1 to n: (j = 1; while j < n: j = j × 2)?

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

哪种技术能使快速排序在任意输入上的期望运行时间为 O(n log n)?

  1. A在运行快速排序前先对输入排序
  2. B只对左侧进行递归
  3. C均匀随机地选择基准
  4. D总是选择第一个元素
11.数据结构中等

二叉搜索树中的某个节点有右子树。它的中序后继在哪里?

  1. A总是它的父节点
  2. B总是它的右子节点
  3. C其左子树中最右边的节点
  4. D其右子树中最左边的节点
12.数据结构困难

为什么不能简单地通过清除位来从标准布隆过滤器中删除元素?

  1. A布隆过滤器中的位在创建后不能更改
  2. B布隆过滤器存储完整的元素,而这些元素一旦被哈希就无法再找回
  3. C这些位可能同时属于其他元素,从而导致假阴性
  4. D删除会使假阳性率增加到 100%
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| = 6
  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
ABCDE

从 C 到 B 的长度为 3 的途径有多少条?途径可以重复顶点和边。把这个数记作 N。

M = 邻接矩阵L = 3
N =
15.数据库与 SQL中等

对于一行,WHERE EXISTS (subquery) 在什么情况下为真?

  1. A子查询返回一个大于零的数时
  2. B子查询恰好返回一行时
  3. C子查询至少返回一行时
  4. D子查询不返回 NULL 值时
16.数据库与 SQL困难

一个表有一百万行,布尔列 is_active 中有 95% 为 TRUE。为什么对于 WHERE is_active = TRUE,优化器可能不使用 is_active 上的索引?

  1. A不能在布尔列上创建索引
  2. B优化器从不在 WHERE 子句中使用索引
  3. C大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜
  4. D索引把 TRUE 当作 NULL 处理
17.计算机网络中等

TLS 通常如何使用非对称加密和对称加密?

  1. A非对称方法用于协商密钥和认证;对称密码用于加密数据
  2. B对称方法用于协商密钥和认证;非对称密码用于加密全部数据
  3. C只使用对称加密,配合一个固定的共享密码
  4. D全程只使用非对称加密
18.计算机网络困难

根据香农定理,信噪比为 255 的 1 MHz 信道容量是多少?

  1. A1 Mbit/s
  2. B2 Mbit/s
  3. C8 Mbit/s
  4. D255 Mbit/s
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2911111111111111111111111111111000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 20 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?

192.168.10.0/2420 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 18012806403211608041201网络主机

某主机地址为 10.20.230.18/28。其网络地址的第四个八位组 x 是多少?

10.20.230.18/28
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 215

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

41 = 0010 1001
取反后: 1101 0110
+1 → 1101 0111

按无符号数读取

1101 0111₂ = 256 − 41 = 215

答案

U = 215
2.数制

答案: N = −2048

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。

最负值

−211 = −2048

答案

N = −2048
3.命题逻辑与证明

答案: 矛盾式

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)。

逐行写出真值表

c = 1: ¬c = 0, c ↔ ¬c = 0
c = 0: ¬c = 1, c ↔ ¬c = 0

分类

c ↔ ¬c: 0, 0
每一行都是 0:矛盾式。

答案

矛盾式
4.命题逻辑与证明

答案: ¬b

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

a = 0, b = 0, c = 0: ¬b = 1, ¬b ∧ c = 0, b = 0, c = 0

结论

¬b (两次否定后件式)

答案

¬b
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

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。

ABC00011110011011131204051706

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
A′

最简 SOP 形式

F = BC + A′
N = 2

答案

N = 2
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

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。

B′D, BC′D′, A′D′, A′C′, ACD, A′B′
ABCD0001111000011110101113121415071611201311501408X9X11010

最小覆盖

F = B′D + BC′D′ + A′D′ + A′C′ + ACD
L = 12

答案

L = 12

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

7.数论与模运算

答案: x = 82

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)。

20 的逆元

r = 83, t = 0
r = 20, q = 4, t = 1
r = 3, q = 6, t = −4
r = 2, q = 1, t = 25
r = 1, q = 2, t = −29
20−1 ≡ 54 (mod 83)

求解

x ≡ 54·63 = 3402 ≡ 82 (mod 83)
校核: 20·82 = 1640 ≡ 63 (mod 83)

答案

x = 82
8.数论与模运算

答案: 59190 mod 98 = 39

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。

二进制指数

190 = 101111102 = 128 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2

反复平方

591 ≡ 59 (mod 98)
592 ≡ 51 (mod 98)
594 ≡ 53 (mod 98)
598 ≡ 65 (mod 98)
5916 ≡ 11 (mod 98)
5932 ≡ 23 (mod 98)
5964 ≡ 39 (mod 98)
59128 ≡ 51 (mod 98)

把需要的幂相乘

59190 ≡ 51·53·65·11·23·51 ≡ 39 (mod 98)

答案

59190 mod 98 = 39
9.算法与复杂度

答案: A · O(n log n)

为什么是这个答案

对外层 n 次迭代中的每一次,内层循环约运行 log₂ n 次,因此总复杂度为 O(n log n)。

答案

A · O(n log n)
10.算法与复杂度

答案: C · 均匀随机地选择基准

为什么是这个答案

使用随机基准时,对每个输入的期望运行时间都是 O(n log n);坏情况依然存在,但发生的概率极低。

答案

C · 均匀随机地选择基准
11.数据结构

答案: D · 其右子树中最左边的节点

为什么是这个答案

所有比该节点大且与之相近的键都在它的右子树中,其中最小的就是那里最左边的节点。

答案

D · 其右子树中最左边的节点
12.数据结构

答案: C · 这些位可能同时属于其他元素,从而导致假阴性

为什么是这个答案

清除一个共享的位会使另一个元素看起来不存在;计数布隆过滤器用计数器代替位,从而允许删除。

答案

C · 这些位可能同时属于其他元素,从而导致假阴性
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;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) = 2, deg(B) = 4, deg(C) = 2, deg(D) = 2, deg(E) = 2

奇度顶点

0
欧拉回路

答案

欧拉回路
14.图论

答案: N = 7

度:顶点的度是与它相连的边的条数。每条边有两个端点,所以度数之和等于边数的两倍:Σ deg(v) = 2|E|(握手引理)。因此奇度顶点的个数是偶数。Kn 有 n(n − 1)/2 条边,n 个顶点的 k-正则图有 nk/2 条边,n 个顶点的树有 n − 1 条边。

邻接矩阵

A: 0 1 1 0 0
B: 1 0 1 1 1
C: 1 1 0 0 1
D: 0 1 0 0 1
E: 0 1 1 1 0

再走一步

(M³)CB = 1·1 + 2·0 + 3·1 + 2·1 + 1·1 = 7

答案

N = 7
15.数据库与 SQL

答案: C · 子查询至少返回一行时

为什么是这个答案

EXISTS 只检查是否产生了任何行;子查询不返回任何行时,NOT EXISTS 为真。

答案

C · 子查询至少返回一行时
16.数据库与 SQL

答案: C · 大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜

为什么是这个答案

当索引能把搜索范围缩小到少数几行时才有帮助;当大多数行都符合条件时,随机的索引查找比顺序读取整个表代价更高。

答案

C · 大多数行都匹配,因此全表扫描比大量索引查找更便宜
17.计算机网络

答案: A · 非对称方法用于协商密钥和认证;对称密码用于加密数据

为什么是这个答案

公钥方法和证书用于建立共享密钥并证明身份。随后由 AES 等快速对称密码保护大量数据。

答案

A · 非对称方法用于协商密钥和认证;对称密码用于加密数据
18.计算机网络

答案: C · 8 Mbit/s

为什么是这个答案

C = 10⁶ × log₂(256) = 10⁶ × 8 = 8 Mbit/s。这是有噪声信道上无差错数据速率的上限。

答案

C · 8 Mbit/s
19.IPv4 子网划分

答案: H = 6

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

25 = 32 ≥ 20 → b = 5, /29

每个子网的主机数

23 − 2 = 6

答案

H = 6
20.IPv4 子网划分

答案: x = 16

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

24 = 16

该主机所在子网

网络: ⌊18/16⌋·16 = 16
广播: 16 + 16 − 1 = 31
可用主机: 17 … 30

答案

x = 16

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