清华大学《数据科学基础》2023-2024学年第一学期期末试卷

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《数据科学基础》2023-2024学年第一学期期末试卷题号一二三四总分得分批阅人一、单选题（本大题共15个小题，每小题1分，共15分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．）1、设计一个高通有源滤波器电路，截止频率为500Hz，通带增益为1倍，通带波纹小于0.5dB，阻带衰减不小于30dB，输入信号频率范围为0-1kHz。2、设计一个数字通信系统差错控制编码的仿真模型，分析不同编码方式在不同信道条件下的性能。3、在一个编译器的符号表实现中，需要存储变量名、类型、作用域等信息，并能够快速查找、插入和删除符号。以下哪种数据结构可能是最适合的？（）A.红黑树，平衡的搜索结构B.链表，动态操作方便C.栈，后进先出管理符号D.队列，先进先出处理符号4、设计一个基于运放的指数放大器电路，能够实现输入信号的指数放大，放大倍数可调，输入信号频率范围为0-100Hz。5、设计一个数字图像处理中的图像增强算法，并在不同类型的图像上进行应用和效果评估。6、设计一个具有USB接口的数字存储设备，能够实现数据的存储和读取，包括硬件接口设计和存储管理软件。7、设计一个基于无线传感器网络的农田环境监测系统，监测土壤湿度、温度、酸碱度等参数，实现数据的汇聚和远程传输。8、设计一个基于STM32微控制器的电机调速系统，支持PWM调速和闭环控制，实现对直流电机或步进电机的精确调速，提供控制算法和程序框架。9、想象一个网络数据包的缓存系统，数据包按照到达的先后顺序存储，并且当缓存满时需要删除最早到达的数据包。以下哪种数据结构适合实现这个缓存？（）A.循环队列，能够实现先进先出，并且容易判断满和空的状态B.栈，后进先出，不符合数据包的处理顺序C.优先队列，根据优先级处理，不适合按到达顺序处理D.图，用于表示复杂的关系，不适合简单的数据包缓存10、在一个具有n个节点的二叉树中，度为0的节点（即叶子节点）数量为n0，度为2的节点数量为n2，则n0和n2之间存在什么样的关系？（）A.n0=n2-1B.n0=n2+1C.n0=2n2D.n0=n211、设计一个温度传感器网络远程监控电路，能够通过互联网远程监控温度传感器网络的工作状态和数据，实现远程管理。12、设计一个无线传感器网络中的节点通信模块，实现低功耗、短距离的数据传输，考虑节点的能耗管理。13、运用通信网络原理，设计一个企业数据中心的网络布线方案，确保高速、可靠的数据传输。14、设计一个数字锁相环电路，能够实现对输入信号的相位跟踪和锁定，给出电路设计和性能分析。15、利用模拟电路技术，设计一个用于医疗仪器的精密电流源，提供稳定、精确的电流输出。二、简答题（本大题共4个小题，共20分)1、（本题5分）详细说明如何在一个具有n个元素的数组中，实现元素的随机排序，分析所使用的算法和时间复杂度。2、（本题5分）解释如何在一个链表中实现插入排序的优化，给出算法步骤和实现代码，并分析其性能改进。3、（本题5分）论述在二叉树中如何进行层次遍历，以及如何利用层次遍历解决相关问题。4、（本题5分）详细论述在利用二叉搜索树进行删除操作时，若删除的节点有两个子节点，如何选择替代节点并保持树的性质。三、综合题（本大题共5个小题，共25分)1、（本题5分）某金融机构需要对客户的交易记录进行分析，以检测异常交易行为。交易记录包括交易时间、金额、交易类型等。设计合适的数据结构和算法，能够快速地筛选出异常交易，并进行风险评估。2、（本题5分）某城市的交通管理系统需要实时监控道路的车流量，并根据车流量调整信号灯的时间。设计一种数据结构和算法，能够快速地统计各个路段的车流量，并及时更新信号灯的控制策略。3、（本题5分）某城市的公交卡充值管理系统需要存储充值记录，包括充值编号、卡号、充值金额、充值时间等。系统要实现快速查找特定卡号的充值记录、按照充值金额对记录进行排序、新增充值、删除错误充值记录。请确定合适的数据结构，并详细阐述算法和代码实现，同时讨论性能优化策略。4、（本题5分）某城市的公共交通卡管理系统需要记录用户的卡信息和消费记录，卡信息包括卡号、用户姓名、余额等，消费记录包括卡号、消费时间、消费金额、消费地点。请设计数据结构来存储这些数据，实现卡的充值、消费查询、余额提醒，并统计不同地点的消费情况。5、（本题5分）一个在线图书馆管理系统需要存储大量的图书信息，包括书名、作者、出版社、出版年份、分类等。设计数据结构来组织这些信息，以便能够快速地根据书名、作者或分类进行查询，并实现新书的添加和旧书的删除操作。四、设计题（本大题共4个小题，共40分)1、（本题10分）设计一个程序，利用数组实现计数排序的并行版本，提高排序效率并展示过程和结果。2、（本题10分）设计一个程序，以二叉树的形式表示音乐播放列表的结构，实现