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 −40。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −408 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

((q → r) ∧ (r → p)) → (q → p) 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

((q → r) ∧ (r → p)) → (q → 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
ab¬ba ∧ b

已知前提 a ∨ b; ¬a。由它们可以推出哪个结论?点选它。

a ∨ b¬a
  1. 1a
  2. 2b
  3. 3¬b
  4. 4a ∧ b
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000110302041507061120131151140819111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 9, 11, 12, 14, 15) 的最简和之积 (POS) 形式。它有多少个和项(因子)N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 9, 11, 12, 14, 15)
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
ABCD000111100001111000X11312X4050706012113115X140819X11110

求 F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 9, 10, 13, 15) + d(1, 4, 11, 14) 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(2, 3, 9, 10, 13, 15) + d(1, 4, 11, 14)
L =
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 2 (mod 7) 和 x ≡ 5 (mod 11) 的最小正整数 x。

x ≡ 2 (mod 7)x ≡ 5 (mod 11)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (319, 11)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 11 和 q = 29,公钥指数 e = 11。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 11q = 29e = 11
d =
9.算法与复杂度中等

用自底向上的表格计算第 n 个斐波那契数,时间复杂度是多少?

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

要证明一个新问题 X 是 NP 难(NP-hard)的,必须做什么?

  1. A证明 X 对于小规模输入没有多项式算法
  2. B把 X 在多项式时间内归约到一个已知的 NP 难问题
  3. C把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X
  4. D证明 X 能在多项式时间内被验证
11.数据结构中等

在用数组存储的二叉最小堆(索引从 0 开始)中,索引为 i 的节点的子节点位于:

  1. A2i + 1 和 2i + 2
  2. Bi + 1 和 i + 2
  3. Ci/2 和 i/2 + 1
  4. D2i 和 2i + 1
12.数据结构困难

从二叉搜索树中删除一个有两个子节点的节点,通常的做法是:

  1. A用它的中序后继(或前驱)替换它,然后删除那个节点
  2. B将它与根节点交换
  3. C从头重建它下面的整棵子树,并重新插入其中包含的每个键
  4. D删除整棵子树
13.图论中等
ABCDEFG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| = 7|E| = 12
  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

长度为 2 且起点和终点都是 D 的闭途径有多少条?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

SQL 中的视图(view)是:

  1. A一个行为类似虚拟表的已存储查询
  2. B数据库客户端中用于浏览各个表的界面
  3. C表在磁盘上的副本
  4. D一种索引类型
16.数据库与 SQL困难

哪种隔离级别可以防止脏读,但仍允许不可重复读?

  1. A可重复读(Repeatable read)
  2. B读已提交(Read committed)
  3. C读未提交(Read uncommitted)
  4. D可串行化(Serializable)
17.计算机网络中等

以太网帧中的循环冗余校验(CRC)用于什么?

  1. A选择最佳路由
  2. B自动纠正每一个比特错误
  3. C检测传输差错
  4. D加密该帧
18.计算机网络困难

下列哪个地址是公网(而非 RFC 1918 私有)IPv4 地址?

  1. A172.31.0.1
  2. B192.168.255.1
  3. C10.255.0.1
  4. D172.32.0.1
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 648 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

648 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
第三个八位组 58 … 64012806413211618041201相同不同

一台路由器有到以下网络的路由:10.12.58.0/24, 10.12.59.0/24, 10.12.60.0/24, 10.12.61.0/24, 10.12.62.0/24, 10.12.63.0/24, 10.12.64.0/24。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?

10.12.58.0/24 … 10.12.64.0/24
p =

3溶液

1.数制

答案: U = 216

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

40 = 0010 1000
取反后: 1101 0111
+1 → 1101 1000

按无符号数读取

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

答案

U = 216
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: 重言式

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

分类

((q → r) ∧ (r → p)) → (q → p): 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
每一行都是 1:重言式。

答案

重言式
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 = 1: a = 0, b = 1, ¬b = 0, a ∧ b = 0

结论

b (析取三段论)

答案

b
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 4

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。

ABCD000111100001111000110302041507061120131151140819111010

圈 0

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 + D)
(A + D)
(A + C′)
(A′ + B′ + C + D′)

最简 POS 形式

F = (B + D)(A + D)(A + C′)(A′ + B′ + C + D′)
N = 4

答案

N = 4
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 4

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, B′C, AD, AC
ABCD000111100001111000X11312X4050706012113115X140819X11110

最小覆盖

F = B′C + AD
L = 4

答案

L = 4
7.数论与模运算

答案: x = 16

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 = 2 + 7k

第二个同余式

2 + 7k ≡ 5 (mod 11) → 7k ≡ 3 (mod 11)
k ≡ 8·3 ≡ 2 (mod 11)

结果

x = 2 + 7·2 = 16
x = 16
校核: 16 mod 7 = 2, 16 mod 11 = 5

答案

x = 16
8.数论与模运算

答案: d = 51

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 = 11·29 = 319
φ(n) = 10·28 = 280

扩展欧几里得算法

r = 280, t = 0
r = 11, q = 25, t = 1
r = 5, q = 2, t = −25
r = 1, q = 5, t = 51

私钥指数

d = 51
校核: 11·51 = 561 = 2·280 + 1

答案

d = 51
9.算法与复杂度

答案: C · O(n)

为什么是这个答案

从 0 到 n 填表时每项只需一次加法,因此工作量是线性的,而不是指数级的。

答案

C · O(n)
10.算法与复杂度

答案: C · 把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X

为什么是这个答案

如果一个已知的难题能被高效地转换为 X,那么 X 的快速算法也能解决这个已知问题。

答案

C · 把一个已知的 NP 难问题在多项式时间内归约到 X
11.数据结构

答案: A · 2i + 1 和 2i + 2

为什么是这个答案

对于从 0 开始的数组,左子节点位于 2i + 1,右子节点位于 2i + 2,父节点位于 ⌊(i − 1)/2⌋。

答案

A · 2i + 1 和 2i + 2
12.数据结构

答案: A · 用它的中序后继(或前驱)替换它,然后删除那个节点

为什么是这个答案

中序后继最多只有一个子节点,因此将其键复制到待删除节点后,可以轻松地删除它。

答案

A · 用它的中序后继(或前驱)替换它,然后删除那个节点
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) = 4, deg(D) = 4, deg(E) = 4, deg(F) = 2, deg(G) = 4

奇度顶点

0
欧拉回路

答案

欧拉回路
14.图论

答案: N = 2

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

公共邻点

(M²)DD = 0·0 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 1·1 = 2

答案

N = 2
15.数据库与 SQL

答案: A · 一个行为类似虚拟表的已存储查询

为什么是这个答案

视图存储一条 SELECT 语句;查询视图时会执行其底层查询(物化视图则存储结果)。

答案

A · 一个行为类似虚拟表的已存储查询
16.数据库与 SQL

答案: B · 读已提交(Read committed)

为什么是这个答案

读已提交隐藏未提交的修改;可重复读还能防止不可重复读;可串行化还能防止幻读。

答案

B · 读已提交(Read committed)
17.计算机网络

答案: C · 检测传输差错

为什么是这个答案

发送方对帧计算 CRC;接收方重新计算,若两者不同就丢弃该帧。CRC 能检测差错,但不能纠正差错。

答案

C · 检测传输差错
18.计算机网络

答案: D · 172.32.0.1

为什么是这个答案

172.16.0.0/12 的范围是 172.16.0.0 到 172.31.255.255,所以 172.32.0.1 在此范围之外。其他三个都在私有地址范围内。

答案

D · 172.32.0.1
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 < 648
210 − 2 = 1022 ≥ 648 → h = 10

前缀长度

p = 32 − 10 = 22

答案

p = /22
20.IPv4 子网划分

答案: p = 17

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

58 = 00111010
64 = 01000000
相同的前导位:1

前缀长度

p = 16 + 1 = 17

答案

p = /17

汇总路由:10.12.0.0/17 (它还覆盖了列表中没有的 121 个网络)。

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