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 −9。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −98 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 1000 1111 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

1000 1111>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬(q ∧ p) → ¬¬r¬r ∧ ¬(q ∧ p)¬¬r → ¬(q ∧ p)(q ∧ p) → ¬r

你想用逆否证明来证明 ¬r → (q ∧ p)。你要改为证明哪个蕴涵?点选它。

¬r → (q ∧ p)
  1. 1¬(q ∧ p) → ¬¬r
  2. 2¬r ∧ ¬(q ∧ p)
  3. 3¬¬r → ¬(q ∧ p)
  4. 4(q ∧ p) → ¬r
4.命题逻辑与证明困难

真值表的 16 行中,有多少行使 (p → (s ∧ q)) ↔ ((r ∧ p) ↔ ¬(r ∧ ¬s)) 为真?把这个数记作 N。

(p → (s ∧ q)) ↔ ((r ∧ p) ↔ ¬(r ∧ ¬s))
N =
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXC′I0​CI1​CI2​CI3​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 = C′,I₁ = C,I₂ = C,I₃ = C。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = C′I₁ = CI₂ = CI₃ = C
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
CLKJK1234567

一个上升沿触发的 JK 触发器从 Q = 0 开始,在 7 个时钟上升沿接收到所示的输入。Q 改变状态的次数 N 是多少?

Q₀ = 0JK
N =
7.数论与模运算中等

求欧拉函数 φ(1331),即 1 到 1331 中与 1331 互素的整数个数。

n = 1331 = 113
φ(1331) =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (611, 13)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 13 和 q = 47,公钥指数 e = 13。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 13q = 47e = 13
d =
9.算法与复杂度中等

简单的递归阶乘函数 fact(n) = n × fact(n − 1) 使用多少栈空间?

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

Held–Karp 动态规划算法能精确求解旅行商问题。对 n 个城市,它的运行时间是多少?

  1. AO(n³)
  2. BO(n!)
  3. CO(2n²)
  4. DO(n² 2ⁿ)
11.数据结构中等

在平衡二叉搜索树中查找一个键的时间复杂度是多少?

  1. AO(n)
  2. BO(1)
  3. CO(n log n)
  4. DO(log n)
12.数据结构困难

在一棵根为 50、左子树为 30(子节点 20、40)、右子树为 70(子节点 60、80)的 BST 中,用中序后继删除根。哪个键成为新的根?

  1. A70
  2. B40
  3. C60
  4. D80
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 B 到 A 的长度为 2 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 = 2
N =
15.数据库与 SQL中等

SELECT name, CASE WHEN grade >= 5.5 THEN 'pass' ELSE 'fail' END FROM results 返回什么?

  1. A及格和不及格的学生人数
  2. B每个姓名以及根据成绩得到的标签 'pass' 或 'fail'
  3. C报错,因为 SELECT 中不允许使用 CASE
  4. D只返回及格的学生
16.数据库与 SQL困难

要在深度未知的组织树中找出某位经理下属的所有员工,哪种 SQL 功能最合适?

  1. A基于 manager_id 对 employees 表做一次自连接
  2. B对 manager_id 进行 GROUP BY
  3. C在 manager_id 上加 UNIQUE 约束
  4. D递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
17.计算机网络中等

哪个 TCP 标志表示发送方已发送完数据?

  1. AFIN
  2. BPSH
  3. CURG
  4. DSYN
18.计算机网络困难

一名学生在家用 NAT 路由器后面的 PC 上运行游戏服务器。互联网上的朋友无法连接。通常的解决办法是什么?

  1. A给 PC 换一个不同的 MAC 地址,使路由器能从外部找到它
  2. B关闭 PC 的 DNS 客户端
  3. C在路由器上配置端口转发,指向该 PC 的私有地址
  4. D把 PC 的子网掩码改为 /32
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 4 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?

192.168.10.0/244 subnets
H =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 151112806403211608141211网络主机

某主机地址为 10.20.175.151/26。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?

10.20.175.151/26
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 247

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

9 = 0000 1001
取反后: 1111 0110
+1 → 1111 0111

按无符号数读取

1111 0111₂ = 256 − 9 = 247

答案

U = 247
2.数制

答案: R = 17

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

右移 3 位,把每一位向右移动 3 个位置;从右端移出的位丢失,左侧补入 0。

1000 1111 >> 3
= 0001 0001

结果的值

0001 0001₂ = 17

答案

R = 17
3.命题逻辑与证明

答案: ¬(q ∧ 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 = q ∧ p

逆否命题

¬b → ¬a = ¬(q ∧ p) → ¬¬r

答案

¬(q ∧ 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: N = 8

真值表:含 n 个不同变量的公式有 2ⁿ 行,每一行对应真值的一种组合(1 = 真,0 = 假)。由内向外进行,给每个子公式单独一列。¬a 把值取反;a ∧ b 只有在两者都为 1 时才为 1;a ∨ b 只有在两者都为 0 时才为 0;a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0;a ↔ b 在两边相等时为 1。

各列

s ∧ q; p → (s ∧ q); r ∧ p; ¬s; r ∧ ¬s; ¬(r ∧ ¬s); (r ∧ p) ↔ ¬(r ∧ ¬s); (p → (s ∧ q)) ↔ ((r ∧ p) ↔ ¬(r ∧ ¬s))

按 p 拆分

p = 1: 6
p = 0: 2
N = 6 + 2 = 8

答案

N = 8
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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′C′ + A′BC + AB′C + ABC

F = 1 的行

ABC = 000, 011, 101, 111
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 2

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

JK 触发器:00 保持,01 复位 (Q = 0),10 置位 (Q = 1),11 翻转。

1: J = 1, K = 0 → Q = 1
2: J = 0, K = 0 → Q = 1
3: J = 0, K = 0 → Q = 1
4: J = 1, K = 0 → Q = 1
5: J = 1, K = 1 → Q = 0
6: J = 0, K = 1 → Q = 0
7: J = 0, K = 0 → Q = 0

数出变化的次数

0 → 1 → 1 → 1 → 1 → 0 → 0 → 0
N = 2

答案

N = 2
7.数论与模运算

答案: φ(1331) = 1210

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)。

素因数

1331 = 113

欧拉函数值

φ(1331) = 1331 − 121 = 1210

答案

φ(1331) = 1210
8.数论与模运算

答案: d = 85

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。

模数与欧拉函数值

n = 13·47 = 611
φ(n) = 12·46 = 552

扩展欧几里得算法

r = 552, t = 0
r = 13, q = 42, t = 1
r = 6, q = 2, t = −42
r = 1, q = 6, t = 85

私钥指数

d = 85
校核: 13·85 = 1105 = 2·552 + 1

答案

d = 85
9.算法与复杂度

答案: B · O(n)

为什么是这个答案

在任何调用返回之前,递归深度达到 n 层,每次调用都需要一个栈帧,因此使用 O(n) 的空间。

答案

B · O(n)
10.算法与复杂度

答案: D · O(n² 2ⁿ)

为什么是这个答案

大约有 n 2ⁿ 个状态,每个状态在 O(n) 内算出;这是指数级的,但比尝试全部 (n − 1)! 条回路快得多。

答案

D · O(n² 2ⁿ)
11.数据结构

答案: D · O(log n)

为什么是这个答案

平衡树的高度约为 log₂ n,因此查找只需沿着从根到叶的一条路径进行。

答案

D · O(log n)
12.数据结构

答案: C · 60

为什么是这个答案

右子树中最左的节点是 60,因此 60 替换 50,并删除其原来的位置;使用前驱则会得到 40。

答案

C · 60
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 = 1

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 0 1
C: 1 1 0 0 1
D: 0 0 0 0 1
E: 0 1 1 1 0

公共邻点

(M²)BA = 1·0 + 0·1 + 1·1 + 0·0 + 1·0 = 1

答案

N = 1
15.数据库与 SQL

答案: B · 每个姓名以及根据成绩得到的标签 'pass' 或 'fail'

为什么是这个答案

CASE 表达式逐行计算其条件并返回匹配的值,因此每一行都得到一个标签。

答案

B · 每个姓名以及根据成绩得到的标签 'pass' 或 'fail'
16.数据库与 SQL

答案: D · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)

为什么是这个答案

递归 CTE 从一个锚点查询开始,反复把上一步的结果与表连接,因此能处理任意深度的层次结构。

答案

D · 递归公用表表达式(WITH RECURSIVE)
17.计算机网络

答案: A · FIN

为什么是这个答案

每一方在没有更多数据时发送 FIN,另一方对其进行确认。SYN 用于建立连接;RST 用于中止连接。

答案

A · FIN
18.计算机网络

答案: C · 在路由器上配置端口转发,指向该 PC 的私有地址

为什么是这个答案

NAT 只为从内部发起的连接建立映射。端口转发规则把一个公网端口映射到内部主机,使入站连接能够到达它。

答案

C · 在路由器上配置端口转发,指向该 PC 的私有地址
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 ≥ 4 → 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 = 190

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: ⌊151/64⌋·64 = 128
广播: 128 + 64 − 1 = 191
可用主机: 129 … 190

答案

x = 190

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