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 −113。按无符号数读取,该位模式的值 U 是多少?

N = −1138 bit
U =
2.数制困难
点击各位来设置012806403201608040201

把各位设置为 0111 0000 >> 3 的 8 位结果。该结果的十进制值 R 是多少?

0111 0000>> 3
R =
3.命题逻辑与证明中等
¬(c ∨ b) ∧ ¬¬a(c ∨ b) ∧ ¬¬a¬(c ∨ b) ∧ ¬a¬(c ∨ b) → ¬¬a

你想用反证法来证明 (c ∨ b) → ¬a。一开始要假设哪个命题?点选它。

(c ∨ b) → ¬a
  1. 1¬(c ∨ b) ∧ ¬¬a
  2. 2(c ∨ b) ∧ ¬¬a
  3. 3¬(c ∨ b) ∧ ¬a
  4. 4¬(c ∨ b) → ¬¬a
4.命题逻辑与证明困难
b ∧ ¬a¬bab

已知前提 (c ∧ b) → a; c; ¬a。由它们可以推出哪个结论?点选它。

(c ∧ b) → ac¬a
  1. 1b ∧ ¬a
  2. 2¬b
  3. 3a
  4. 4b
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
MUXCI0​C′I1​C′I2​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 = C,I₁ = C′,I₂ = C′,I₃ = 0。在 A、B、C 的 8 种组合中,有多少种使输出 F = 1?求 N。

I₀ = CI₁ = C′I₂ = C′I₃ = 0
N =
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​TQ4​Q4​TQ5​Q5​CLK

一个 6 位行波(异步)计数器由传播延迟均为 5 ns 的触发器构成。所有输出必须在下一个时钟边沿之前稳定下来。求最高时钟频率 fmax。

n = 6tpd = 5 ns
fmax = MHz
7.数论与模运算中等

求 17 模 31 的逆元:满足 0 < x < 31 且 17·x ≡ 1 (mod 31) 的数 x。

a = 17n = 31
17−1 mod 31 =
8.数论与模运算困难

用反复平方法求 23197 mod 82。

a = 23k = 197n = 82
23197 mod 82 =
9.算法与复杂度中等

为什么许多库排序函数在子数组很小时会改用插入排序?

  1. A在大规模输入上,插入排序比任何其他排序算法使用的内存都少
  2. B递归算法无法处理少于 10 个元素的数组
  3. C插入排序开销小,在小规模或几乎有序的输入上很快
  4. D插入排序在最坏情况下是 O(n log n)
10.算法与复杂度困难

拓扑排序只适用于:

  1. A带负权重的图
  2. B无向图
  3. C有向无环图(DAG)
  4. D完全图
11.数据结构中等

字典树(Trie,前缀树)特别适合用于:

  1. A自动补全等前缀查找
  2. B对数字排序
  3. C求最短路径
  4. D存储矩阵
12.数据结构困难

一个动态数组在满时容量翻倍。为什么许多实现只在它只有四分之一满时才缩容,而不是一半满时?

  1. A因为内存分配器只能以块的四分之一为单位释放内存
  2. B为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
  3. C为了使数组保持有序
  4. D因为在一半满时减半会丢失元素
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| = 7
  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
1510111651416ABCDEF

克鲁斯卡尔算法构造最小生成树。点选它加入的第 4 条边;被跳过的边不计。

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

在关系代数中,选择运算符(σ)对应于哪个 SQL 子句?

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

TCP 三次握手的目的是什么?

  1. A加密数据
  2. B建立连接并同步序列号
  3. C在向某台主机发送数据之前先查找其 IP 地址
  4. D快速关闭连接
18.计算机网络困难

哪种路由协议属于链路状态协议?

  1. AARP
  2. BRIP
  3. COSPF
  4. DBGP
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 813 个主机地址。足够使用的最长前缀 p(最小子网)是多少?

813 hosts
p =
20.IPv4 子网划分困难
最后一个八位组 = 74012816403201618041201网络主机

某主机地址为 10.20.119.74/28。其子网广播地址的最后一个数(第四个八位组)x 是多少?

10.20.119.74/28
x =

3溶液

1.数制

答案: U = 143

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

113 = 0111 0001
取反后: 1000 1110
+1 → 1000 1111

按无符号数读取

1000 1111₂ = 256 − 113 = 143

答案

U = 143
2.数制

答案: R = 14

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。

0111 0000 >> 3
= 0000 1110

结果的值

0000 1110₂ = 14

答案

R = 14
3.命题逻辑与证明

答案: (c ∨ b) ∧ ¬¬a

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 = c ∨ b, b = ¬a

蕴涵的否定

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = (c ∨ b) ∧ ¬¬a

答案

(c ∨ b) ∧ ¬¬a

如果假设导致矛盾,则该蕴涵必为真。

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 = 0, c = 1: b ∧ ¬a = 0, ¬b = 1, a = 0, b = 0

结论

¬b (带合取的否定后件式)

答案

¬b
5.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 3

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′

F = 1 的行

ABC = 001, 010, 100
N = 3

答案

N = 3
6.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: fmax = 33.33 MHz

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。

最坏情况的稳定时间

T = 6·5 ns = 30 ns

最高频率

fmax = 1/30 ns = 33.33 MHz

答案

fmax = 33.33 MHz
7.数论与模运算

答案: 17−1 mod 31 = 11

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)。

扩展欧几里得算法

每个余数 r 都写成 r ≡ t·17 (mod 31)。

r = 31, t = 0
r = 17, q = 1, t = 1
r = 14, q = 1, t = −1
r = 3, q = 4, t = 2
r = 2, q = 1, t = −9
r = 1, q = 2, t = 11

逆矩阵

1 ≡ 11·17 (mod 31)
x = 11
校核: 17·11 = 187 = 6·31 + 1

答案

17−1 mod 31 = 11
8.数论与模运算

答案: 23197 mod 82 = 45

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

197 = 110001012 = 128 + 64 + 4 + 1

反复平方

231 ≡ 23 (mod 82)
232 ≡ 37 (mod 82)
234 ≡ 57 (mod 82)
238 ≡ 51 (mod 82)
2316 ≡ 59 (mod 82)
2332 ≡ 37 (mod 82)
2364 ≡ 57 (mod 82)
23128 ≡ 51 (mod 82)

把需要的幂相乘

23197 ≡ 23·57·57·51 ≡ 45 (mod 82)

答案

23197 mod 82 = 45
9.算法与复杂度

答案: C · 插入排序开销小,在小规模或几乎有序的输入上很快

为什么是这个答案

对于很小的 n,插入排序的简单循环胜过快速排序或归并排序的递归开销,尽管它是 O(n²)。

答案

C · 插入排序开销小,在小规模或几乎有序的输入上很快
10.算法与复杂度

答案: C · 有向无环图(DAG)

为什么是这个答案

当且仅当有向图中没有环时才存在拓扑序;可以用 DFS 或 Kahn 算法在 O(V + E) 内求出。

答案

C · 有向无环图(DAG)
11.数据结构

答案: A · 自动补全等前缀查找

为什么是这个答案

字典树沿路径按字符存储字符串,因此查找和前缀查询的时间与键的长度成正比。

答案

A · 自动补全等前缀查找
12.数据结构

答案: B · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小

为什么是这个答案

在一半满时缩容,可能使这样的操作序列中每次操作都触发一次调整大小;1/4 与满之间的间隔使均摊代价保持在 O(1)。

答案

B · 为了避免在边界附近交替进行 push 和 pop 时反复调整大小
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) = 4, deg(C) = 1, deg(D) = 3, deg(E) = 2, deg(F) = 1, deg(G) = 2

奇度顶点

A, C, D, F → 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. BC (1)
2. DF (5)
3. DE (6)
4. AC (10)
5. BD (11)

边的序号 4

AC

答案

边 AC
15.数据库与 SQL

答案: C · WHERE

为什么是这个答案

σcondition(R) 返回 R 中满足条件的元组,就像 WHERE 子句一样。

答案

C · WHERE
16.数据库与 SQL

答案: B · 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

B · 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: B · 建立连接并同步序列号

为什么是这个答案

在发送数据之前,握手过程建立连接,并让双方商定初始序列号。

答案

B · 建立连接并同步序列号
18.计算机网络

答案: C · OSPF

为什么是这个答案

OSPF 路由器构建区域的完整拓扑图,并用 Dijkstra 算法计算最短路径。RIP 是距离矢量协议;BGP 是路径矢量协议。

答案

C · OSPF
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 < 813
210 − 2 = 1022 ≥ 813 → h = 10

前缀长度

p = 32 − 10 = 22

答案

p = /22
20.IPv4 子网划分

答案: x = 79

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: ⌊74/16⌋·16 = 64
广播: 64 + 16 − 1 = 79
可用主机: 65 … 78

答案

x = 79

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