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 −102 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 = −1028 bit
U =
2.数制困难
10 位,无符号, N = ???????????

10 位能容纳的最大无符号整数 N 是多少?

10 bit
N =
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

((a ∨ b) ∧ a) → ¬b 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

((a ∨ b) ∧ a) → ¬b
  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
pqrr → (q ∨ p)rq111110101100011010001000

前提为 r → (q ∨ p); r、结论为 q 的论证是无效的。点选真值表中作为反例的那一行。

r → (q ∨ p)r∴ q
  1. 1p = 1, q = 1, r = 1
  2. 2p = 1, q = 1, r = 0
  3. 3p = 1, q = 0, r = 1
  4. 4p = 1, q = 0, r = 0
  5. 5p = 0, q = 1, r = 1
  6. 6p = 0, q = 1, r = 0
  7. 7p = 0, q = 0, r = 1
  8. 8p = 0, q = 0, r = 0
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUX1I0​C′I1​1I2​0I3​ABS1​S0​F

一个 4 选 1 多路选择器的选择输入为 S₁ = A 和 S₀ = B,数据输入分别接 I₀ = 1,I₁ = C′,I₂ = 1,I₃ = 0。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = 1I₁ = C′I₂ = 1I₃ = 0
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKT1234567

一个上升沿触发的 T 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 = 0T
  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 ≡ 1 (mod 3) 和 x ≡ 0 (mod 13) 的最小正整数 x。

x ≡ 1 (mod 3)x ≡ 0 (mod 13)
x =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 3241 mod 53。

a = 32k = 41n = 53
3241 mod 53 =
9.算法与复杂度中等

在一个有序数组中,你从两端各放一个指针向内移动,寻找和为目标值的两个元素。时间复杂度是多少?

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

关于 P 和 NP,下列哪个说法是正确的?

  1. ANP 问题无法被快速验证
  2. BP 中的每个问题也都属于 NP
  3. CNP 表示“not polynomial”(非多项式)
  4. D已经证明 P ≠ NP
11.数据结构中等

哈希表在负载因子超过阈值后进行再哈希(rehash)时会发生什么?

  1. A只把发生冲突的键移到表末尾的新溢出链表中
  2. B删除最旧的键以腾出空间
  3. C分配一个更大的表,并把每个键重新插入
  4. D对现有的键原地排序
12.数据结构困难

为什么服务器可能会从一个通用哈希函数族中随机选择其哈希函数?

  1. A使攻击者极难选出许多全部发生冲突的键
  2. B保证任何两个键永远不会发生冲突,无论攻击者发送什么键
  3. C免去对表进行扩容的需要
  4. D使哈希表有序
13.图论中等

一个连通图有 12 个顶点和 23 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 12|E| = 23
k =
14.图论困难
3131112741512ABCDEF

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 5 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

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

在两个 SELECT 查询之间使用 INTERSECT 时返回什么?

  1. A两个结果中的所有行
  2. B两个结果的笛卡尔积
  3. C在第一个结果中但不在第二个中的行
  4. D同时出现在两个结果中的行
16.数据库与 SQL困难

EXPLAIN(或 PostgreSQL 中的 EXPLAIN ANALYZE)对一个查询显示什么?

  1. A查询中每个 SQL 关键字的含义
  2. B仅以关系代数表示法改写的查询
  3. C运行过该查询的用户列表
  4. D优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法
17.计算机网络中等

HTTP 方法 GET 和 POST 的主要区别是什么?

  1. AGET 获取资源,POST 在请求体中提交数据
  2. BGET 使用 UDP,POST 使用 TCP
  3. CGET 是加密的,POST 不是
  4. DGET 删除资源,POST 从服务器的数据库读取资源
18.计算机网络困难

一台服务器的私钥在一年后被盗。哪种 TLS 特性能保证今天被记录下来的会话仍然安全?

  1. A使用更长的域名
  2. B在加密前压缩数据
  3. C由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密
  4. D把证书发送两次
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111100000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 1783 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

1783 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 179112806413211608041211网络主机

某主机地址为 10.20.24.179/26。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.24.179/26
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 154

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

102 = 0110 0110
取反后: 1001 1001
+1 → 1001 1010

按无符号数读取

1001 1010₂ = 256 − 102 = 154

答案

U = 154
2.数制

答案: N = 1023

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。

最大值

210 − 1 = 1023

答案

N = 1023
3.命题逻辑与证明

答案: 偶然式

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

a = 1, b = 1: a ∨ b = 1, (a ∨ b) ∧ a = 1, ¬b = 0, ((a ∨ b) ∧ a) → ¬b = 0
a = 1, b = 0: a ∨ b = 1, (a ∨ b) ∧ a = 1, ¬b = 1, ((a ∨ b) ∧ a) → ¬b = 1
a = 0, b = 1: a ∨ b = 1, (a ∨ b) ∧ a = 0, ¬b = 0, ((a ∨ b) ∧ a) → ¬b = 1
a = 0, b = 0: a ∨ b = 0, (a ∨ b) ∧ a = 0, ¬b = 1, ((a ∨ b) ∧ a) → ¬b = 1

分类

((a ∨ b) ∧ a) → ¬b: 0, 1, 1, 1
在 4 行中有 3 行为 1,其余为 0:偶然式。

答案

偶然式
4.命题逻辑与证明

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

反例

p = 1, q = 0, r = 1

答案

p = 1, q = 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: N = 5

多路选择器:2ⁿ 选 1 多路选择器把其数据输入之一传到输出;选择线按二进制数读取,决定选哪一个。对于选择端 S₁S₀ = AB 的 4 选 1 MUX,F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃。把数据输入接到 0、1、C 或 C′,可使 MUX 产生 A、B、C 的任意函数,这是用一块芯片实现逻辑的常用方法。

输出表达式

F = A′B′ + A′BC′ + AB′

F = 1 的行

ABC = 000, 001, 010, 100, 101
N = 5

答案

N = 5
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: 时钟边沿 5

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

T 触发器在 T = 1 时每个上升沿翻转,在 T = 0 时保持。

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

第一次从 1 变为 0

时钟边沿 5

答案

时钟边沿 5
7.数论与模运算

答案: x = 13

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 = 1 + 3k

第二个同余式

1 + 3k ≡ 0 (mod 13) → 3k ≡ 12 (mod 13)
k ≡ 9·12 ≡ 4 (mod 13)

结果

x = 1 + 3·4 = 13
x = 13
校核: 13 mod 3 = 1, 13 mod 13 = 0

答案

x = 13
8.数论与模运算

答案: 3241 mod 53 = 20

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

41 = 1010012 = 32 + 8 + 1

反复平方

321 ≡ 32 (mod 53)
322 ≡ 17 (mod 53)
324 ≡ 24 (mod 53)
328 ≡ 46 (mod 53)
3216 ≡ 49 (mod 53)
3232 ≡ 16 (mod 53)

把需要的幂相乘

3241 ≡ 32·46·16 ≡ 20 (mod 53)

答案

3241 mod 53 = 20
9.算法与复杂度

答案: A · O(n)

为什么是这个答案

如果和太小,左指针右移;如果和太大,右指针左移,因此最多 n 步。

答案

A · O(n)
10.算法与复杂度

答案: B · P 中的每个问题也都属于 NP

为什么是这个答案

P ⊆ NP:如果你能快速解决一个问题,你就能快速验证一个解。P 是否等于 NP 仍是一个未解决的问题。

答案

B · P 中的每个问题也都属于 NP
11.数据结构

答案: C · 分配一个更大的表,并把每个键重新插入

为什么是这个答案

由于下标是对表大小取模计算的,所有键都必须重新哈希到新的更大的表中;采用翻倍策略时,均摊代价仍为 O(1)。

答案

C · 分配一个更大的表,并把每个键重新插入
12.数据结构

答案: A · 使攻击者极难选出许多全部发生冲突的键

为什么是这个答案

使用通用哈希时,对于任何键集合,冲突的期望次数都很小,因为攻击者不知道选择的是哪个函数。

答案

A · 使攻击者极难选出许多全部发生冲突的键
13.图论

答案: k = 12

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

12 − 1 = 11

要去掉的边数

k = 23 − 11 = 12

答案

k = 12
14.图论

答案: D

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): C: 3
2. C (3): B: 16, E: 15
3. E (15): D: 22, F: 30
4. B (16)
5. D (22): F: 26
6. F (26)

轮 5

D

答案

D
15.数据库与 SQL

答案: D · 同时出现在两个结果中的行

为什么是这个答案

INTERSECT 只保留两个查询中都存在的行,并且与 UNION 一样,默认会去除重复。

答案

D · 同时出现在两个结果中的行
16.数据库与 SQL

答案: D · 优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法

为什么是这个答案

EXPLAIN 显示执行计划(索引扫描或顺序扫描、连接算法、估计代价);EXPLAIN ANALYZE 还会实际运行查询并报告实际耗时。

答案

D · 优化器选择的执行计划,例如扫描方式和连接方法
17.计算机网络

答案: A · GET 获取资源,POST 在请求体中提交数据

为什么是这个答案

GET 请求一个资源,不应改变服务器状态。POST 在请求体中发送数据(例如表单),供服务器处理。

答案

A · GET 获取资源,POST 在请求体中提交数据
18.计算机网络

答案: C · 由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密

为什么是这个答案

使用临时(EC)DHE 时,每个会话密钥都由用后即弃的临时值推导而来。长期密钥只用于对交换进行签名,因此日后被盗也无法解密旧的流量。

答案

C · 由临时 Diffie-Hellman 密钥交换提供的前向保密
19.IPv4 子网划分

答案: p = 21

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

210 − 2 = 1022 < 1783
211 − 2 = 2046 ≥ 1783 → h = 11

前缀长度

p = 32 − 11 = 21

答案

p = /21
20.IPv4 子网划分

答案: x = 191

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

26 = 64

该主机所在子网

网络: ⌊179/64⌋·64 = 128
广播: 128 + 64 − 1 = 191
可用主机: 129 … 190

答案

x = 191

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