計(jì)算機(jī)科學(xué)課程作業(yè)題目匯編引言本作業(yè)題目匯編面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、人工智能等相關(guān)專業(yè)的本科生與研究生，旨在為課程作業(yè)設(shè)計(jì)提供豐富的題目參考。題目涵蓋編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、人工智能、軟件工程、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等核心領(lǐng)域，結(jié)合理論分析、編程實(shí)現(xiàn)、實(shí)踐調(diào)研等多種類型，助力學(xué)生鞏固課堂知識(shí)、提升實(shí)踐能力。題目來源包括經(jīng)典教材案例、科研場景簡化、企業(yè)項(xiàng)目抽象，可根據(jù)課程進(jìn)度、難度要求靈活選用，建議結(jié)合實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如編程環(huán)境、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、仿真工具）完成實(shí)踐類題目。一、編程語言與程序設(shè)計(jì)（一）基礎(chǔ)編程（Python/C/C++/Java）1.字符串處理與詞頻統(tǒng)計(jì)編寫程序讀取一篇英文短文（輸入可為文本文件或字符串），統(tǒng)計(jì)每個(gè)單詞的出現(xiàn)次數(shù)。要求：忽略單詞的大小寫（如“Hello”與“hello”視為同一單詞）；去除單詞中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)（如“world!”處理為“world”）；輸出出現(xiàn)次數(shù)最多的前5個(gè)單詞及其次數(shù)。（考查知識(shí)點(diǎn)：字符串操作、文件I/O、字典/哈希表的使用）2.面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)：學(xué)生管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的學(xué)生管理系統(tǒng)，包含以下類：`Student`類：屬性包括學(xué)號(hào)、姓名、專業(yè)、成績（多門課程的成績，用字典存儲(chǔ)）；方法包括成績錄入、成績查詢、平均成績計(jì)算。`StudentManager`類：管理多個(gè)`Student`對(duì)象，提供添加學(xué)生、刪除學(xué)生、按學(xué)號(hào)查詢、按專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)生數(shù)量等功能。要求體現(xiàn)面向?qū)ο蟮姆庋b、繼承（可擴(kuò)展`GraduateStudent`類，增加論文題目屬性）、多態(tài)（如不同類型學(xué)生的成績計(jì)算邏輯）特性。（考查知識(shí)點(diǎn)：類與對(duì)象、繼承與多態(tài)、集合操作）（二）高級(jí)編程（函數(shù)式/并發(fā)編程）1.Python并發(fā)編程：多線程文件處理假設(shè)有10個(gè)文本文件（內(nèi)容為隨機(jī)字符串），使用Python的`threading`模塊創(chuàng)建線程池（線程數(shù)不超過CPU核心數(shù)），每個(gè)線程負(fù)責(zé)讀取一個(gè)文件并統(tǒng)計(jì)行數(shù)，最后匯總所有文件的總行數(shù)。要求：處理線程安全問題（如共享變量的同步）；輸出每個(gè)文件的行數(shù)和總行數(shù)。（考查知識(shí)點(diǎn)：多線程編程、線程同步、文件I/O）2.函數(shù)式編程：Haskell列表折疊使用Haskell語言，基于`foldl`或`foldr`函數(shù)實(shí)現(xiàn)以下功能：計(jì)算整數(shù)列表的乘積（如`[1,2,3,4]`的乘積為24）；實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義折疊函數(shù)，將字符串列表按指定分隔符拼接（如`["a","b","c"]`用“-”拼接為“a-b-c”）。要求解釋`fold`函數(shù)的工作原理（遞歸、累積器的作用）。（考查知識(shí)點(diǎn)：函數(shù)式編程思想、列表折疊操作）二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法（一）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.單鏈表的原地反轉(zhuǎn)定義單鏈表的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)（包含數(shù)據(jù)域和指針域），實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)`reverseList(head)`，將單鏈表原地反轉(zhuǎn)（即不使用額外的鏈表空間，僅調(diào)整指針）。要求：處理邊界情況（空鏈表、僅一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈表）；編寫測(cè)試用例驗(yàn)證（如輸入鏈表`1->2->3->4`，輸出`4->3->2->1`）。（考查知識(shí)點(diǎn)：鏈表操作、指針調(diào)整、邊界條件處理）2.棧的應(yīng)用：括號(hào)匹配編寫程序判斷一個(gè)表達(dá)式字符串中的括號(hào)是否合法（支持`()`、`[]`、`{}`三種括號(hào)）。規(guī)則：左括號(hào)必須與相同類型的右括號(hào)匹配；括號(hào)必須按正確的順序閉合（如`[{()}]`合法，`[({)}]`非法）。要求使用棧結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，分析時(shí)間復(fù)雜度（O(n)，n為字符串長度）。（考查知識(shí)點(diǎn)：棧的特性、字符串匹配、算法復(fù)雜度分析）（二）算法設(shè)計(jì)1.歸并排序的實(shí)現(xiàn)與分析用Python或C++實(shí)現(xiàn)歸并排序算法，要求：包含分治（分割數(shù)組）和合并（合并兩個(gè)有序子數(shù)組）兩個(gè)核心步驟；分析算法的時(shí)間復(fù)雜度（最好、最壞、平均情況均為O(nlogn)）和空間復(fù)雜度（O(n)，因需要臨時(shí)數(shù)組）；對(duì)比歸并排序與快速排序的適用場景（如穩(wěn)定性、空間需求）。2.動(dòng)態(tài)規(guī)劃：最長公共子序列定義狀態(tài)`dp[i][j]`（表示`str1[0..i-1]`和`str2[0..j-1]`的LCS長度）；推導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程（如`dp[i][j]=dp[i-1][j-1]+1`（若`str1[i-1]==str2[j-1]`），否則`dp[i][j]=max(dp[i-1][j],dp[i][j-1])`）；編寫代碼實(shí)現(xiàn)，并分析時(shí)間復(fù)雜度（O(mn)，m、n為字符串長度）。三、操作系統(tǒng)（一）進(jìn)程與線程1.Linux進(jìn)程創(chuàng)建：fork()原理分析分析Linux系統(tǒng)中`fork()`系統(tǒng)調(diào)用的工作機(jī)制：調(diào)用`fork()`后，父子進(jìn)程的PID、內(nèi)存空間（如堆、棧、全局變量）、文件描述符有何異同？解釋“寫時(shí)復(fù)制（Copy-On-Write）”機(jī)制的作用（為何fork()能快速創(chuàng)建進(jìn)程）。要求編寫一個(gè)C程序驗(yàn)證：在程序中調(diào)用`fork()`，分別在父子進(jìn)程中輸出PID、變量值（如全局變量、棧變量），觀察輸出結(jié)果并分析。2.Python線程池：多任務(wù)處理使用Python的`concurrent.futures`模塊創(chuàng)建線程池，處理以下任務(wù)：模擬10個(gè)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求（用`time.sleep()`模擬請(qǐng)求耗時(shí)，如隨機(jī)0.5~2秒）；主線程匯總所有任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，輸出最快和最慢的任務(wù)。（考查知識(shí)點(diǎn)：線程池管理、任務(wù)異步執(zhí)行、結(jié)果匯總）（二）文件系統(tǒng)與存儲(chǔ)1.簡易文件索引結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬文件系統(tǒng)的索引機(jī)制（類似FAT或inode），設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄文件與磁盤塊的映射關(guān)系：定義“文件”結(jié)構(gòu)體（包含文件名、大小、塊列表）；定義“磁盤”結(jié)構(gòu)體（包含多個(gè)“塊”，每個(gè)塊可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或指向其他塊的指針）；實(shí)現(xiàn)文件的創(chuàng)建、刪除、讀?。ㄈ鐝奈募钠鹗?jí)K開始，按塊列表順序讀取數(shù)據(jù)）操作。要求分析該索引結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)（如空間利用率、訪問速度）。2.文件系統(tǒng)對(duì)比分析調(diào)研EXT4（Linux）和NTFS（Windows）文件系統(tǒng)的核心特性，從以下維度對(duì)比：日志機(jī)制（是否支持日志，日志的作用）；文件權(quán)限管理（Linux的rwx權(quán)限與Windows的ACL）；適用場景（如服務(wù)器存儲(chǔ)、個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備）。結(jié)合實(shí)際案例（如企業(yè)服務(wù)器為何多采用EXT4，Windows桌面為何用NTFS）說明選擇理由。四、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（一）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（OSI/TCP/IP）1.TCP/IP四層模型解析繪制TCP/IP四層模型（應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)接口層）的結(jié)構(gòu)圖，說明每層的核心功能和代表協(xié)議：傳輸層：TCP與UDP的區(qū)別（連接性、可靠性、開銷）；網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議的功能（地址分配、路由選擇）；網(wǎng)絡(luò)接口層：以太網(wǎng)、Wi-Fi的角色。要求結(jié)合一個(gè)實(shí)際場景（如瀏覽網(wǎng)頁），描述數(shù)據(jù)在各層的封裝/解封裝過程。2.TCP三次握手與四次揮手抓包分析使用Wireshark工具抓包分析TCP連接的建立（三次握手）和斷開（四次揮手）過程：搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境：用Python的`socket`模塊編寫簡單的TCP客戶端和服務(wù)器，客戶端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)后關(guān)閉連接；啟動(dòng)Wireshark，過濾TCP流量，觀察握手包（SYN、SYN-ACK、ACK）和揮手包（FIN、ACK、FIN-ACK、ACK）的序號(hào)、確認(rèn)號(hào)變化；解釋為何三次握手能建立可靠連接，四次揮手需分兩次FIN。（二）網(wǎng)絡(luò)編程1.TCP回顯服務(wù)器與客戶端用Python的`socket`模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的TCP服務(wù)器和客戶端：服務(wù)器：綁定本地IP和端口，監(jiān)聽連接，接收客戶端消息后原樣返回（回顯），支持多客戶端連接（選做：用多線程處理每個(gè)客戶端）；客戶端：連接服務(wù)器，發(fā)送用戶輸入的消息，接收并打印服務(wù)器的回復(fù)，輸入“exit”時(shí)斷開連接。要求處理異常（如連接超時(shí)、服務(wù)器未響應(yīng)）。五、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（一）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)1.在線書店ER圖與關(guān)系模式設(shè)計(jì)為一個(gè)在線書店設(shè)計(jì)實(shí)體-聯(lián)系（ER）圖，包含以下實(shí)體：書籍（ISBN、書名、價(jià)格、庫存）；用戶（用戶ID、用戶名、密碼、地址）；訂單（訂單ID、用戶ID、下單時(shí)間、總金額）；作者（作者ID、姓名、簡介）。分析實(shí)體間的關(guān)系（如書籍與作者的多對(duì)多關(guān)系，用戶與訂單的一對(duì)多關(guān)系），并將ER圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式（即數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，包含字段、主鍵、外鍵）。2.數(shù)據(jù)庫范式規(guī)范化現(xiàn)有一個(gè)學(xué)生選課表`SC`，結(jié)構(gòu)為：`(學(xué)號(hào),姓名,課程號(hào),課程名,成績)`。分析該表的范式級(jí)別（1NF、2NF、3NF）：指出表中存在的冗余和更新異常（如修改課程名需更新所有選該課的學(xué)生記錄）；將表分解為符合3NF的多個(gè)表，并說明分解后的表結(jié)構(gòu)和外鍵約束。（二）數(shù)據(jù)庫編程1.SQL復(fù)雜查詢：書籍銷量統(tǒng)計(jì)基于在線書店的數(shù)據(jù)庫（包含`書籍(ISBN,書名,價(jià)格)`、`訂單(訂單ID,用戶ID,下單時(shí)間)`、`訂單詳情(訂單ID,ISBN,數(shù)量)`、`作者(作者ID,姓名,ISBN)`表），編寫SQL語句完成以下查詢：統(tǒng)計(jì)每個(gè)作者的總銷量（即該作者所有書籍的銷售數(shù)量之和）；按銷量降序排序，輸出作者姓名、總銷量、暢銷書籍（銷量最高的書籍名）。要求使用`JOIN`、`GROUPBY`、`子查詢`等語法。2.NoSQL與SQL對(duì)比：社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型對(duì)比MongoDB（文檔型NoSQL）和MySQL（關(guān)系型）在社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的適用場景：分析社交網(wǎng)絡(luò)的核心數(shù)據(jù)（用戶信息、好友關(guān)系、動(dòng)態(tài)發(fā)布）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；用MongoDB的文檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)用戶數(shù)據(jù)模型（包含用戶基本信息、好友列表、動(dòng)態(tài)列表），并說明與MySQL表結(jié)構(gòu)的差異；舉例說明何時(shí)用MongoDB更高效（如動(dòng)態(tài)內(nèi)容的嵌套存儲(chǔ)），何時(shí)用MySQL更合適（如好友關(guān)系的多對(duì)多查詢）。六、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)（一）機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)1.手動(dòng)實(shí)現(xiàn)線性回歸（梯度下降）用Python實(shí)現(xiàn)線性回歸算法（基于梯度下降），處理簡單的二維數(shù)據(jù)（如房價(jià)預(yù)測(cè)，特征為房屋面積，標(biāo)簽為價(jià)格）：生成或?qū)霐?shù)據(jù)集（如100個(gè)樣本，面積在50~200㎡，價(jià)格在100~500萬）；定義損失函數(shù)（均方誤差MSE）和梯度下降更新規(guī)則（參數(shù)θ的更新：`θ=θ-α·?J(θ)`，α為學(xué)習(xí)率）；訓(xùn)練模型，輸出最終的回歸系數(shù)（斜率和截距），并可視化擬合直線與原始數(shù)據(jù)的關(guān)系。2.決策樹ID3算法實(shí)現(xiàn)基于鳶尾花（Iris）數(shù)據(jù)集（包含花萼長度、寬度，花瓣長度、寬度，類別標(biāo)簽），用Python實(shí)現(xiàn)ID3決策樹算法：計(jì)算信息熵和信息增益（選擇最優(yōu)特征進(jìn)行分裂）；遞歸構(gòu)建決策樹（終止條件：子集全為同一類別或無特征可選）；用測(cè)試集驗(yàn)證模型的分類準(zhǔn)確率，并分析過擬合問題（可選：實(shí)現(xiàn)剪枝操作）。（二）深度學(xué)習(xí)1.CNN實(shí)現(xiàn)MNIST手寫數(shù)字識(shí)別用TensorFlow或PyTorch搭建一個(gè)簡單的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），完成MNIST手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)：定義模型結(jié)構(gòu)（如卷積層、池化層、全連接層）；加載MNIST數(shù)據(jù)集，預(yù)處理數(shù)據(jù)（歸一化、reshape）；訓(xùn)練模型（設(shè)置損失函數(shù)、優(yōu)化器、訓(xùn)練輪數(shù)），評(píng)估測(cè)試集準(zhǔn)確率；分析模型的訓(xùn)練過程（如損失曲線、準(zhǔn)確率曲線），嘗試調(diào)整超參數(shù)（如學(xué)習(xí)率、卷積核數(shù)量）優(yōu)化性能。2.Transformer自注意力機(jī)制解析與實(shí)現(xiàn)解釋Transformer模型的自注意力（Self-Attention）機(jī)制：說明查詢（Q）、鍵（K）、值（V）的作用，以及注意力權(quán)重的計(jì)算過程（`Attention(Q,K,V)=softmax(QK^T/√d_k)V`）；用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡化版的自注意力計(jì)算：輸入一個(gè)長度為n的序列（如詞向量序列），輸出每個(gè)位置的注意力加權(quán)和；舉例說明自注意力在自然語言處理（如機(jī)器翻譯）中的優(yōu)勢(shì)（如長距離依賴建模）。七、軟件工程（一）需求分析與設(shè)計(jì)1.在線教育平臺(tái)需求規(guī)格說明書為一個(gè)在線教育平臺(tái)（支持課程發(fā)布、學(xué)生選課、視頻學(xué)習(xí)、作業(yè)提交、考試等功能）撰寫需求規(guī)格說明書，包含：功能需求：用用例圖描述主要參與者（學(xué)生、教師、管理員）的用例（如學(xué)生的“選課”、“提交作業(yè)”，教師的“發(fā)布課程”、“批改作業(yè)”）；非功能需求：性能（支持10萬用戶并發(fā)）、安全性（用戶密碼加密）、可用性（界面簡潔，操作流程≤3步）；數(shù)據(jù)需求：定義核心數(shù)據(jù)實(shí)體（課程、用戶、作業(yè)、成績）的屬性和關(guān)系。2.在線教育平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)在線教育平臺(tái)的分層架構(gòu)（表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層），說明各層的職責(zé)和技術(shù)選型：表現(xiàn)層：前端框架（如Vue.js、React），負(fù)責(zé)用戶界面渲染；業(yè)務(wù)邏輯層：后端服務(wù)（如SpringBoot、Django），處理業(yè)務(wù)規(guī)則（如選課邏輯、成績計(jì)算）；數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)庫（如MySQL、MongoDB），負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的持久化和查詢。繪制架構(gòu)圖，并解釋分層設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)（