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 −39。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −398 bit
U =
2.数制困难
32 bit1 px640 px480 pxM = ? KiB

一幅未压缩图像为 640 × 480 像素,每像素 32 位。它占用多少内存 M(以 KiB 计,1 KiB = 1024 字节)?

640 × 480 px32 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.命题逻辑与证明中等
r ∨ ¬q¬r ∧ ¬q¬r ∨ ¬q¬r ∧ q

哪个公式与 ¬(r ∨ q) 在逻辑上等价?点选它。

¬(r ∨ q)
  1. 1r ∨ ¬q
  2. 2¬r ∧ ¬q
  3. 3¬r ∨ ¬q
  4. 4¬r ∧ q
4.命题逻辑与证明困难
∃x ∀y ¬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∃x ∀y ¬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
ABC00011110010011130204150716

用卡诺图求 F(A, B, C) = Σm(1, 3, 5, 6) 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) = Σm(1, 3, 5, 6)
L =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD0001111000011110X001131204050706012X131151140819011X10

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 9, 14, 15) + d(0, 10, 13) 的最简 SOP 形式,其中 d 表示无关项。它有多少个乘积项 N?

F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 9, 14, 15) + d(0, 10, 13)
N =
7.数论与模运算中等

解 24x ≡ 37 (mod 47)。给出满足 0 < x < 47 的解 x。

24x ≡ 37 (mod 47)
x =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 5149 mod 64。

a = 5k = 149n = 64
5149 mod 64 =
9.算法与复杂度中等

在包含 1,000,000 个元素的有序数组上,二分查找在最坏情况下大约需要多少次比较?

  1. A约 1,000 次
  2. B约 500,000 次
  3. C约 100 次
  4. D约 20 次
10.算法与复杂度困难

当 n 很大时,n! 与 2ⁿ 相比如何?

  1. An! 是 O(n²)
  2. B两者以相同的速率增长
  3. Cn! 比 2ⁿ 增长得快
  4. D2ⁿ 比 n! 增长得快
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其右子树中最左边的节点
  2. B总是它的父节点
  3. C总是它的右子节点
  4. D其左子树中最右边的节点
12.数据结构困难

与有序链表相比,跳表(skip list)的主要优势是什么?

  1. A保证 O(1) 的查找,因为每个节点都存有指向其他所有节点的指针
  2. B利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
  3. C它以无序方式存储键
  4. D它不占用额外内存
13.图论中等

完全图 K6 有多少条不同的哈密顿回路 H?只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K6
H =
14.图论困难
1311871211121515ABCDEFG

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

GRANT SELECT ON employees TO alice 的作用是什么?

  1. A把 employees 表复制给 alice
  2. B允许 alice 更新和删除 employees 表中的行
  3. C让 alice 成为数据库的所有者
  4. D允许用户 alice 读取 employees 表
16.数据库与 SQL困难

给定 R(A, B, C, D) 上的函数依赖 A → B、B → C 和 C → D,闭包 A+ 是什么?

  1. A{A}
  2. B{A, B, C, D}
  3. C{A, B}
  4. D{A, B, C}
17.计算机网络中等

IPv6 的环回地址是什么?

  1. Aff02::1
  2. Bfe80::1
  3. C::1
  4. D::
18.计算机网络困难

BGP 在互联网中的主要作用是什么?

  1. A加密路由器之间的数据
  2. B将名称解析为地址
  3. C在自治系统之间交换路由信息
  4. D通过互联网服务提供商为家庭用户分配 IP 地址
19.IPv4 子网划分中等
/?11111111111111111111110000000000网络位主机位

某部门在一个子网内需要 816 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

816 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 231 … 235112816413201608141211相同不同

一台路由器有到以下网络的路由:10.253.231.0/24, 10.253.232.0/24, 10.253.233.0/24, 10.253.234.0/24, 10.253.235.0/24。能覆盖所有这些网络的单条汇总路由,其最长前缀长度 p 是多少?

10.253.231.0/24 … 10.253.235.0/24
p =

3溶液

1.数制

答案: U = 217

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

39 = 0010 0111
取反后: 1101 1000
+1 → 1101 1001

按无符号数读取

1101 1001₂ = 256 − 39 = 217

答案

U = 217
2.数制

答案: M = 1200 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

640·480·32 = 9830400 bit = 1228800 B

换算为 KiB

1228800/1024 = 1200 KiB

答案

M = 1200 KiB
3.命题逻辑与证明

答案: ¬r ∧ ¬q

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)。

定律

德摩根律:¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b。∨ 变成 ∧,并且两个部分都取否定。
¬(r ∨ q) ≡ ¬r ∧ ¬q

用真值表检验

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

答案

¬r ∧ ¬q

竖线之后的各列是按所示顺序排列的各个选项。

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 = 7

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。

ABC00011110010011130204150716

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′C
A′C
ABC′

最简 SOP 形式

F = B′C + A′C + ABC′
L = 7

答案

L = 7
6.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。

质蕴涵项

由 1 和 X 能够构成的最大的圈。

B′CD′, AC′D, ACD′, A′B′D′, ABD, A′B′C, ABC
ABCD0001111000011110X001131204050706012X131151140819011X10

最小覆盖

F = AC′D + A′B′C + ABC
N = 3

答案

N = 3
7.数论与模运算

答案: x = 27

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)。

24 的逆元

r = 47, t = 0
r = 24, q = 1, t = 1
r = 23, q = 1, t = −1
r = 1, q = 23, t = 2
24−1 ≡ 2 (mod 47)

求解

x ≡ 2·37 = 74 ≡ 27 (mod 47)
校核: 24·27 = 648 ≡ 37 (mod 47)

答案

x = 27
8.数论与模运算

答案: 5149 mod 64 = 53

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

149 = 100101012 = 128 + 16 + 4 + 1

反复平方

51 ≡ 5 (mod 64)
52 ≡ 25 (mod 64)
54 ≡ 49 (mod 64)
58 ≡ 33 (mod 64)
516 ≡ 1 (mod 64)
532 ≡ 1 (mod 64)
564 ≡ 1 (mod 64)
5128 ≡ 1 (mod 64)

把需要的幂相乘

5149 ≡ 5·49·1·1 ≡ 53 (mod 64)

答案

5149 mod 64 = 53
9.算法与复杂度

答案: D · 约 20 次

为什么是这个答案

220 ≈ 1,048,576,因此大约减半 20 次后只剩下一个元素。

答案

D · 约 20 次
10.算法与复杂度

答案: C · n! 比 2ⁿ 增长得快

为什么是这个答案

当 n ≥ 4 时,n! 超过 2ⁿ,而且两者之比无界地增长,因为 n! 每多出的一个因子都大于 2。

答案

C · n! 比 2ⁿ 增长得快
11.数据结构

答案: A · 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

A · 其右子树中最左边的节点
12.数据结构

答案: B · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找

为什么是这个答案

随机化的层级使查找能够跳过许多节点,从而使查找、插入和删除的期望时间为 O(log n)。

答案

B · 利用多层前向指针,实现期望 O(log n) 的查找
13.图论

答案: H = 60

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。

计数

H = (6 − 1)!/2 = 120/2 = 60

答案

H = 60
14.图论

答案: d(F) = 31

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: 23, G: 26
B (13): D: 20
D (20): F: 31
E (23)
G (26)
F (31)

最短路径

A → B → D → F
d(F) = 31

答案

d(F) = 31
15.数据库与 SQL

答案: D · 允许用户 alice 读取 employees 表

为什么是这个答案

GRANT 授予对某个对象的权限;SELECT 只允许读取,而 INSERT、UPDATE 和 DELETE 是单独的权限。

答案

D · 允许用户 alice 读取 employees 表
16.数据库与 SQL

答案: B · {A, B, C, D}

为什么是这个答案

从 A 开始,加入 B(A → B),再加入 C(B → C),然后加入 D(C → D);由于 A+ 包含所有属性,A 是一个键。

答案

B · {A, B, C, D}
17.计算机网络

答案: C · ::1

为什么是这个答案

::1 是环回地址。:: 是未指定地址,fe80::/10 是链路本地地址,ff02::1 是所有节点组播组。

答案

C · ::1
18.计算机网络

答案: C · 在自治系统之间交换路由信息

为什么是这个答案

BGP 是域间路由协议;自治系统(AS)通告可达前缀,并根据策略选择路径。

答案

C · 在自治系统之间交换路由信息
19.IPv4 子网划分

答案: p = 22

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

29 − 2 = 510 < 816
210 − 2 = 1022 ≥ 816 → h = 10

前缀长度

p = 32 − 10 = 22

答案

p = /22
20.IPv4 子网划分

答案: p = 20

路由汇总:汇总路由 a.b.c.0/p 覆盖前 p 位相同的所有网络。把第一个和最后一个网络中不同的那个八位组写成二进制;相同的前导位数加上它前面各八位组的位数,就是最长的汇总前缀。

比较各位

231 = 11100111
235 = 11101011
相同的前导位:4

前缀长度

p = 16 + 4 = 20

答案

p = /20

汇总路由:10.253.224.0/20 (它还覆盖了列表中没有的 11 个网络)。

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