清華大學(xué)《數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)》2023-2024學(xué)年第一學(xué)期期末試卷

學(xué)校________________班級____________姓名____________考場____________準(zhǔn)考證號學(xué)校________________班級____________姓名____________考場____________準(zhǔn)考證號…………密…………封…………線…………內(nèi)…………不…………要…………答…………題…………第1頁，共3頁清華大學(xué)

《數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)》2023-2024學(xué)年第一學(xué)期期末試卷題號一二三四總分得分批閱人一、單選題（本大題共15個(gè)小題，每小題1分，共15分．在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的．）1、設(shè)計(jì)一個(gè)高通有源濾波器電路，截止頻率為500Hz，通帶增益為1倍，通帶波紋小于0.5dB，阻帶衰減不小于30dB，輸入信號頻率范圍為0-1kHz。2、設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)差錯(cuò)控制編碼的仿真模型，分析不同編碼方式在不同信道條件下的性能。3、在一個(gè)編譯器的符號表實(shí)現(xiàn)中，需要存儲變量名、類型、作用域等信息，并能夠快速查找、插入和刪除符號。以下哪種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能是最適合的？（）A.紅黑樹，平衡的搜索結(jié)構(gòu)B.鏈表，動(dòng)態(tài)操作方便C.棧，后進(jìn)先出管理符號D.隊(duì)列，先進(jìn)先出處理符號4、設(shè)計(jì)一個(gè)基于運(yùn)放的指數(shù)放大器電路，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號的指數(shù)放大，放大倍數(shù)可調(diào)，輸入信號頻率范圍為0-100Hz。5、設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字圖像處理中的圖像增強(qiáng)算法，并在不同類型的圖像上進(jìn)行應(yīng)用和效果評估。6、設(shè)計(jì)一個(gè)具有USB接口的數(shù)字存儲設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取，包括硬件接口設(shè)計(jì)和存儲管理軟件。7、設(shè)計(jì)一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測土壤濕度、溫度、酸堿度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和遠(yuǎn)程傳輸。8、設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32微控制器的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，支持PWM調(diào)速和閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的精確調(diào)速，提供控制算法和程序框架。9、想象一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的緩存系統(tǒng)，數(shù)據(jù)包按照到達(dá)的先后順序存儲，并且當(dāng)緩存滿時(shí)需要?jiǎng)h除最早到達(dá)的數(shù)據(jù)包。以下哪種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適合實(shí)現(xiàn)這個(gè)緩存？（）A.循環(huán)隊(duì)列，能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)先出，并且容易判斷滿和空的狀態(tài)B.棧，后進(jìn)先出，不符合數(shù)據(jù)包的處理順序C.優(yōu)先隊(duì)列，根據(jù)優(yōu)先級處理，不適合按到達(dá)順序處理D.圖，用于表示復(fù)雜的關(guān)系，不適合簡單的數(shù)據(jù)包緩存10、在一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的二叉樹中，度為0的節(jié)點(diǎn)（即葉子節(jié)點(diǎn)）數(shù)量為n0，度為2的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為n2，則n0和n2之間存在什么樣的關(guān)系？（）A.n0=n2-1B.n0=n2+1C.n0=2n2D.n0=n211、設(shè)計(jì)一個(gè)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控電路，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。12、設(shè)計(jì)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通信模塊，實(shí)現(xiàn)低功耗、短距離的數(shù)據(jù)傳輸，考慮節(jié)點(diǎn)的能耗管理。13、運(yùn)用通信網(wǎng)絡(luò)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)企業(yè)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)布線方案，確保高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。14、設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入信號的相位跟蹤和鎖定，給出電路設(shè)計(jì)和性能分析。15、利用模擬電路技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)用于醫(yī)療儀器的精密電流源，提供穩(wěn)定、精確的電流輸出。二、簡答題（本大題共4個(gè)小題，共20分)1、（本題5分）詳細(xì)說明如何在一個(gè)具有n個(gè)元素的數(shù)組中，實(shí)現(xiàn)元素的隨機(jī)排序，分析所使用的算法和時(shí)間復(fù)雜度。2、（本題5分）解釋如何在一個(gè)鏈表中實(shí)現(xiàn)插入排序的優(yōu)化，給出算法步驟和實(shí)現(xiàn)代碼，并分析其性能改進(jìn)。3、（本題5分）論述在二叉樹中如何進(jìn)行層次遍歷，以及如何利用層次遍歷解決相關(guān)問題。4、（本題5分）詳細(xì)論述在利用二叉搜索樹進(jìn)行刪除操作時(shí)，若刪除的節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)，如何選擇替代節(jié)點(diǎn)并保持樹的性質(zhì)。三、綜合題（本大題共5個(gè)小題，共25分)1、（本題5分）某金融機(jī)構(gòu)需要對客戶的交易記錄進(jìn)行分析，以檢測異常交易行為。交易記錄包括交易時(shí)間、金額、交易類型等。設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，能夠快速地篩選出異常交易，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。2、（本題5分）某城市的交通管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控道路的車流量，并根據(jù)車流量調(diào)整信號燈的時(shí)間。設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，能夠快速地統(tǒng)計(jì)各個(gè)路段的車流量，并及時(shí)更新信號燈的控制策略。3、（本題5分）某城市的公交卡充值管理系統(tǒng)需要存儲充值記錄，包括充值編號、卡號、充值金額、充值時(shí)間等。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)快速查找特定卡號的充值記錄、按照充值金額對記錄進(jìn)行排序、新增充值、刪除錯(cuò)誤充值記錄。請確定合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述算法和代碼實(shí)現(xiàn)，同時(shí)討論性能優(yōu)化策略。4、（本題5分）某城市的公共交通卡管理系統(tǒng)需要記錄用戶的卡信息和消費(fèi)記錄，卡信息包括卡號、用戶姓名、余額等，消費(fèi)記錄包括卡號、消費(fèi)時(shí)間、消費(fèi)金額、消費(fèi)地點(diǎn)。請?jiān)O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)卡的充值、消費(fèi)查詢、余額提醒，并統(tǒng)計(jì)不同地點(diǎn)的消費(fèi)情況。5、（本題5分）一個(gè)在線圖書館管理系統(tǒng)需要存儲大量的圖書信息，包括書名、作者、出版社、出版年份、分類等。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織這些信息，以便能夠快速地根據(jù)書名、作者或分類進(jìn)行查詢，并實(shí)現(xiàn)新書的添加和舊書的刪除操作。四、設(shè)計(jì)題（本大題共4個(gè)小題，共40分)1、（本題10分）設(shè)計(jì)一個(gè)程序，利用數(shù)組實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)排序的并行版本，提高排序效率并展示過程和結(jié)果。2、（本題10分）設(shè)計(jì)一個(gè)程序，以二叉樹的形式表示音樂播放列表的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)