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 −22。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −228 bit
U =
2.数制困难
16 bit1 px1920 px1080 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 1920 × 1080 像素,每像素 16 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

1920 × 1080 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

r → (r ∧ p) 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

r → (r ∧ p)
  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
∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

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

¬∀x (A(x) ∨ B(x))
  1. 1∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
  2. 2∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
  3. 3∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
  4. 4∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111010011302140517060120130150140809111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 7, 11) 的最简积之和 (SOP) 形式。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 4, 7, 11)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD00011110000111101011030214151716X12013X15114X819011010

对于 F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 6, 7, 9, 14) + d(8, 12, 15)(其中 d 表示无关项),求必要质蕴涵项的个数 N。

F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 5, 6, 7, 9, 14) + d(8, 12, 15)
N =
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 8 (mod 11) 和 x ≡ 6 (mod 13) 的最小正整数 x。

x ≡ 8 (mod 11)x ≡ 6 (mod 13)
x =
8.数论与模运算困难

41 是素数。用费马小定理求 2935187 mod 41。

p = 41k = 35187
2935187 mod 41 =
9.算法与复杂度中等

用标准的三重循环计算两个 n × n 矩阵的乘积,时间复杂度是多少?

  1. AO(n³)
  2. BO(n²)
  3. CO(n² log n)
  4. DO(n)
10.算法与复杂度困难

Cook–Levin 定理确立了什么?

  1. AP 不等于 NP
  2. B每个 NP 问题都能在指数时间内求解
  3. C布尔可满足性问题(SAT)是 NP 完全的
  4. D停机问题是不可判定的
11.数据结构中等

一棵高度为 h(以边数计)的满二叉树有多少个节点?

  1. A2h+1 − 1
  2. B2h + 1
  3. Ch2
  4. D2h
12.数据结构困难

建立在 n 个数的数组上的树状数组(Fenwick tree,binary indexed tree)以 O(log n) 支持哪些操作?

  1. A以 O(1) 求中位数
  2. B前缀和查询和单个元素更新
  3. C对数组排序和二分查找
  4. D在任意位置插入元素
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
1541221415111618ABCDEFG

克鲁斯卡尔算法构造最小生成树。点选它加入的第 3 条边;被跳过的边不计。

k = 3
  1. 1边 AB
  2. 2边 AC
  3. 3边 BC
  4. 4边 BD
  5. 5边 CE
  6. 6边 DE
  7. 7边 DF
  8. 8边 EF
  9. 9边 GB
  10. 10边 GD
15.数据库与 SQL中等

什么是 SQL 注入(SQL injection)?

  1. A用户输入改变 SQL 查询结构的一种攻击
  2. B添加索引的一种方式
  3. C一种数据库备份技术
  4. D用一条 INSERT 语句快速插入大量行的技术
16.数据库与 SQL困难

在多版本并发控制(MVCC)下,读取者如何避免阻塞写入者?

  1. A读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本
  2. B读取者直接读取未提交的数据
  3. C读取者总是等到所有写入者都提交
  4. D只要有读取者在活动,就不允许写入
17.计算机网络中等

状态防火墙与简单的包过滤器有何不同?

  1. A它加密转发的每个数据包
  2. B它毫无例外地阻止所有入站流量,包括对出站请求的回复
  3. C它只检查每个帧的 MAC 地址
  4. D它跟踪连接,并允许属于已建立会话的回复通过
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. A255 Mbit/s
  2. B1 Mbit/s
  3. C8 Mbit/s
  4. D2 Mbit/s
19.IPv4 子网划分中等
/24 → /2811111111111111111111111111110000网络位主机位

网络 192.168.10.0/24 需要划分为至少 12 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?

192.168.10.0/2412 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 86012816403211608141201网络主机

某主机地址为 10.20.160.86/28。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.160.86/28
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 234

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

22 = 0001 0110
取反后: 1110 1001
+1 → 1110 1010

按无符号数读取

1110 1010₂ = 256 − 22 = 234

答案

U = 234
2.数制

答案: M = 4050 KiB

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。

位和字节

1920·1080·16 = 33177600 bit = 4147200 B

换算为 KiB

4147200/1024 = 4050 KiB

答案

M = 4050 KiB
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

p = 1, r = 1: r ∧ p = 1, r → (r ∧ p) = 1
p = 1, r = 0: r ∧ p = 0, r → (r ∧ p) = 1
p = 0, r = 1: r ∧ p = 0, r → (r ∧ p) = 0
p = 0, r = 0: r ∧ p = 0, r → (r ∧ p) = 1

分类

r → (r ∧ p): 1, 1, 0, 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: ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(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) ∨ B(x)) ≡ ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

答案

∃x (¬A(x) ∧ ¬B(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 = 3

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。

ABCD000111100001111010011302140517060120130150140809111010

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′CD
A′C′D′
A′CD

最简 SOP 形式

F = B′CD + A′C′D′ + A′CD
N = 3

答案

N = 3
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 1

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。

C′D′, BD′, B′C′, BC, A′C′, A′B
ABCD00011110000111101011030214151716X12013X15114X819011010

必要质蕴涵项

B′C′
N = 1

答案

N = 1
7.数论与模运算

答案: x = 19

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 = 8 + 11k

第二个同余式

8 + 11k ≡ 6 (mod 13) → 11k ≡ 11 (mod 13)
k ≡ 6·11 ≡ 1 (mod 13)

结果

x = 8 + 11·1 = 19
x = 19
校核: 19 mod 11 = 8, 19 mod 13 = 6

答案

x = 19
8.数论与模运算

答案: 2935187 mod 41 = 22

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。

化简指数

35187 mod 40 = 27
2935187 ≡ 2927 (mod 41)

小的幂

2927 mod 41 = 22

答案

2935187 mod 41 = 22
9.算法与复杂度

答案: A · O(n³)

为什么是这个答案

共有 n² 个元素,每个需要 n 次乘法,因此共 n³ 次运算。

答案

A · O(n³)
10.算法与复杂度

答案: C · 布尔可满足性问题(SAT)是 NP 完全的

为什么是这个答案

Cook 和 Levin 各自独立地证明了 NP 中的每个问题都能在多项式时间内归约到 SAT,因此 SAT 是第一个已知的 NP 完全问题。

答案

C · 布尔可满足性问题(SAT)是 NP 完全的
11.数据结构

答案: A · 2h+1 − 1

为什么是这个答案

求和 1 + 2 + 4 + ... + 2h 得到 2h+1 − 1;例如,高度为 2 时有 7 个节点。

答案

A · 2h+1 − 1
12.数据结构

答案: B · 前缀和查询和单个元素更新

为什么是这个答案

树状数组存储由每个下标的低位所确定区间上的部分和,因此前缀和与单点更新都只需 O(log n)。

答案

B · 前缀和查询和单个元素更新
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: 边 AC

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。

克鲁斯卡尔算法

1. DE (1)
2. BD (2)
3. AC (4)
4. DF (5)
5. BC (12)
6. GB (16)

边的序号 3

AC

答案

边 AC
15.数据库与 SQL

答案: A · 用户输入改变 SQL 查询结构的一种攻击

为什么是这个答案

当用户输入被拼接进 SQL 时,攻击者可以注入命令。带参数的预编译语句(prepared statement)将数据与代码分离。

答案

A · 用户输入改变 SQL 查询结构的一种攻击
16.数据库与 SQL

答案: A · 读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本

为什么是这个答案

MVCC 保留旧的行版本,使读取者能看到其快照时刻的数据,而写入者创建新版本而不是原地覆盖。

答案

A · 读取者看到已提交行版本的一致快照,而写入者创建新版本
17.计算机网络

答案: D · 它跟踪连接,并允许属于已建立会话的回复通过

为什么是这个答案

状态防火墙维护一张活动连接表,因此返回流量会被自动允许。无状态过滤器则孤立地判断每个数据包。

答案

D · 它跟踪连接,并允许属于已建立会话的回复通过
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 = 14

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

24 = 16 ≥ 12 → b = 4, /28

每个子网的主机数

24 − 2 = 14

答案

H = 14
20.IPv4 子网划分

答案: x = 95

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: ⌊86/16⌋·16 = 80
广播: 80 + 16 − 1 = 95
可用主机: 81 … 94

答案

x = 95

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