الرياضيات المتقطعة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المنطق القضوي والبراهين

صفوف جدول الصدق: 2ⁿ
الاستلزام: p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
نفي الاستلزام: ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
الشرط الثنائي: p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
دي مورغان: ¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
قوانين التوزيع: p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
نفي الكمّمات: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
قاعدة الوضع (modus ponens) وقاعدة الرفع (modus tollens): p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

الطريقة

عُدّ المتغيرات المختلفة: لجدول الصدق 2ⁿ صفًا، ويبدأ بصف تكون فيه كلها 1.
أعطِ كل صيغة جزئية عمودها الخاص واملأ الأعمدة من الداخل إلى الخارج.
طبّق قاعدة كل رابط: → يساوي 0 فقط في الحالة 1 → 0، و ↔ يساوي 1 عندما يتفق الطرفان.
للتكافؤات قارن العمودين الأخيرين صفًا بصف؛ وللحجة انظر فقط إلى الصفوف التي تكون فيها كل المقدمات 1.
لنفي عبارة مكمَّمة، انقل ¬ إلى الداخل، وبدّل ∀ و ∃، وانفِ الصيغة الداخلية.

المجموعات والعلاقات والدوال

مجموعتان: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
ثلاث مجموعات: |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
الفرق والمتممة: A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
مجموعة القوى والجداء الديكارتي: |𝒫(A)| = 2^|A|, |A × B| = |A|·|B|
المجموعات الجزئية ذات الحجم k: C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
الدوال A → B: nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
العلاقات على n عنصرًا: 2^n²; reflexive 2^{n² − n}; symmetric 2^n(n+1)/2
التركيب: (g ∘ f)(x) = g(f(x))

الطريقة

ارسم مخطط فن وقرّر منطقةً منطقةً ما ينتمي إلى تعبير المجموعات.
في مسائل العدّ املأ المناطق من المركز نحو الخارج: كل المجموعات أولًا، ثم الأزواج، ثم المجموعات المفردة، ثم الخارج.
استخدم مبدأ الاشتمال والاستبعاد للتحقق: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
لعلاقة ما، اختبر كل خاصية على كل زوج وأعطِ مثالًا مضادًا واحدًا عندما تفشل.
لدالة ما، عُدّ الأسهم الواصلة إلى كل عنصر من B: سهم واحد على الأكثر يعني متباينة، وسهم واحد على الأقل يعني شاملة.

نظرية البيانات

مبرهنة المصافحة: Σ deg(v) = 2|E|
البيانات التامة: |E(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,n)| = m·n
البيان المنتظم: |E| = n·k/2
الشجرة والغابة: |E| = n − 1, |E| = n − c
أوراق الشجرة: L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
أويلر: الدارة: كل الدرجات زوجية؛ المسار: درجتان فرديتان بالضبط
دارات هاملتون في K_n: (n − 1)!/2
تحديث ديكسترا: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
المسارات (walks) بطول L: (Mᴸ)_ij

الطريقة

اكتب درجة كل رأس؛ مجموع الدرجات يساوي ضعف عدد الحواف.
في أسئلة أويلر، تحقّق من أن البيان متصل وعُدّ الرؤوس ذات الدرجة الفردية.
للأشجار استخدم n − 1 حافة ومبرهنة المصافحة.
في ديكسترا احتفظ بجدول للمسافات المؤقتة وثبّت في كل جولة أصغر رأس غير مثبّت.
لإيجاد شجرة ممتدة دنيا، رتّب الحواف بحسب الوزن وتخطَّ كل حافة تُغلق دورة (كروسكال)، أو أنمِ شجرة واحدة انطلاقًا من رأس البداية (برايم).

نظرية الأعداد والحساب المودولي

القسمة مع الباقي: a = q·n + r, 0 ≤ r < n
إقليدس: gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
المضاعف المشترك الأصغر: lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
المعكوس: a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
التطابق الخطي: a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
دالة أويلر φ: φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
فيرما: 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

الطريقة

اختزل كل عدد بالنسبة إلى n أولًا؛ البواقي تقع بين 0 و n − 1.
للقاسم المشترك الأكبر، اقسم مرارًا بخوارزمية إقليدس؛ آخر باقٍ غير صفري هو القاسم المشترك الأكبر.
للمعكوس، نفّذ الخوارزمية الموسّعة واحتفظ بمعامل a؛ أضف n إذا كان سالبًا.
حلّ a·x ≡ b بالضرب في a⁻¹؛ ولدمج تطابقين اكتب x = r₁ + m₁k.
للقوى اكتب الأس بالنظام الثنائي وربّع مرارًا؛ وفي RSA، d = e⁻¹ mod φ(n) مع φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2مسائل تدريبية

1.المنطق القضوي والبراهينمتوسطة

أي صيغة تكافئ b ∧ (c ∨ a) منطقيًا؟ انقر عليها.

b ∧ (c ∨ a)

1(b ∧ c) ∨ (b ∧ a)
2b ∨ (c ∧ a)
3(b ∧ c) ∨ a
4(b ∨ c) ∧ (b ∨ a)

2.المنطق القضوي والبراهينصعبة

المقدمات q → r; q معطاة. أي استنتاج يلزم عنها؟ انقر عليه.

q → rq

1¬r
2¬q
3r
4q ∧ ¬r

3.المجموعات والعلاقات والدوالمتوسطة

يجد استطلاع شمل 49 شخصًا أن 20 يملكون حاسوبًا محمولًا (L)، وأن 28 يملكون جهازًا لوحيًا (T)، وأن 24 يملكون ساعة ذكية (W). يملك 15 الجهازين L وT، ويملك 7 الجهازين L وW، ويملك 9 الجهازين T وW، ويملك 4 الثلاثة جميعًا. كم عددهم ممن هم في L فقط؟

|U| = 49

|L − (T ∪ W)| =

4.المجموعات والعلاقات والدوالصعبة

كم علاقة انعكاسية توجد على مجموعة ذات 4 عنصرًا؟ سمِّ العدد N.

|X| = 4

N =

5.نظرية البياناتمتوسطة

كم دارة هاملتون مختلفة H للبيان التام K₈؟ الدارات التي تختلف فقط في رأس البداية أو الاتجاه تُعدّ واحدة.

K₈

H =

6.نظرية البياناتصعبة

تبني خوارزمية برايم شجرة ممتدة دنيا بدءًا من الرأس E. انقر على الحافة التي تضيفها بوصفها الحافة رقم 4.

البداية: Ek = 4

1الحافة AB
2الحافة BC
3الحافة BD
4الحافة CE
5الحافة DE
6الحافة DF
7الحافة EF
8الحافة BE

7.نظرية الأعداد والحساب المودوليمتوسطة

جد دالة أويلر φ φ(247)، أي عدد الأعداد الصحيحة من 1 إلى 247 التي أولية مع 247.

n = 247 = 13·19

φ(247) =

8.نظرية الأعداد والحساب المودوليصعبة

يستخدم مفتاح RSA القيم p = 11 و q = 43 و e = 17. فكّ تشفير النص المشفّر c = 349: جد الرسالة m.

p = 11q = 43e = 17c = 349

m =

3المحاليل

1.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: (b ∧ c) ∨ (b ∧ a)

التكافؤ المنطقي: تتكافأ صيغتان (≡) عندما يكون لهما القيمة نفسها في كل صف من جدول الصدق. الحشو يساوي 1 في كل صف، والتناقض يساوي 0 في كل صف، والممكن ليس هذا ولا ذاك. قوانين مفيدة: دي مورغان، ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b و ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b؛ و a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (العكس النقيض)؛ و ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b؛ وقوانين التوزيع، a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

القانون

∧ توزَّع على ∨: a ∧ (b ∨ c) ≡ (a ∧ b) ∨ (a ∧ c).

b ∧ (c ∨ a) ≡ (b ∧ c) ∨ (b ∧ a)

تحقق بجدول الصدق

a = 1, b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 1

a = 1, b = 1, c = 0: 1 | 1 1 1 1

a = 1, b = 0, c = 1: 0 | 0 1 1 1

a = 1, b = 0, c = 0: 0 | 0 0 1 0

a = 0, b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 1

a = 0, b = 1, c = 0: 0 | 0 1 0 1

a = 0, b = 0, c = 1: 0 | 0 0 0 0

a = 0, b = 0, c = 0: 0 | 0 0 0 0

الإجابة

(b ∧ c) ∨ (b ∧ a)

الأعمدة بعد الشريط هي الخيارات بالترتيب المعروض.

2.المنطق القضوي والبراهين

الإجابة: r

الكمّمات والحجج: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) و ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). انقل النفي إلى الداخل، وبدّل كل كمّم يمرّ به، وانفِ الصيغة الداخلية بقوانين المنطق القضوي، مثل ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. تكون الحجة صحيحة عندما يكون الاستنتاج 1 في كل صف تكون فيه كل المقدمات 1. صف واحد بمقدمات صائبة واستنتاج خاطئ هو مثال مضاد ويبيّن أن الحجة غير صحيحة.

الصفوف التي كل مقدماتها صائبة

q = 1, r = 1: ¬r = 0, ¬q = 0, r = 1, q ∧ ¬r = 0

الخلاصة

r (قاعدة الوضع (modus ponens))

الإجابة

3.المجموعات والعلاقات والدوال

الإجابة: |L − (T ∪ W)| = 2

المجموعات ومخططات فن: A ∪ B تضم العناصر الموجودة في A أو B (أو كليهما)، وA ∩ B العناصر الموجودة في كليهما، وA − B عناصر A التي ليست في B، والمتممة A′ كل ما في U وليس في A. في مخطط فن كل تعبير مجموعات هو اتحاد مناطق، فعُدّه منطقةً منطقةً. الاشتمال والاستبعاد: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|، و|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

المركز والأزواج

L ∩ T ∩ W: 4

L ∩ T فقط: 15 − 4 = 11

L ∩ W فقط: 7 − 4 = 3

T ∩ W فقط: 9 − 4 = 5

المجموعات المنفردة

L فقط: 20 − 11 − 3 − 4 = 2

T فقط: 28 − 11 − 5 − 4 = 8

W فقط: 24 − 3 − 5 − 4 = 12

الإجابة

|L − (T ∪ W)| = 2

الإجابة

|L − (T ∪ W)| = 2

4.المجموعات والعلاقات والدوال

الإجابة: N = 4096

العلاقات: العلاقة R على مجموعة X هي مجموعة أزواج مرتبة (x, y). تكون R انعكاسية عندما (x, x) ∈ R لكل x في X؛ وتناظرية عندما يرافق (x, y) ∈ R دائمًا (y, x) ∈ R؛ وضد تناظرية عندما يكون (x, y) و(y, x) كلاهما في R فقط إذا x = y؛ ومتعدية عندما يفرض (x, y) و(y, z) في R أن (x, z) ∈ R. علاقة التكافؤ انعكاسية وتناظرية ومتعدية، وتقسّم X إلى صفوف منفصلة.

عُدّ الاختيارات الحرة

N = 2^{4² − 4} = 4096

الإجابة

N = 4096

5.نظرية البيانات

الإجابة: H = 2520

أويلر وهاملتون والأشجار: لبيان متصل دارة أويلر (كل حافة مرة واحدة، والعودة إلى البداية) عندما تكون لكل رأس درجة زوجية، ومسار أويلر ليس دارة عندما تكون لرأسين بالضبط درجة فردية؛ ويسير المسار عندئذ من أحد الرأسين الفرديين إلى الآخر. تزور دارة هاملتون كل رأس مرة واحدة؛ وفي K_n منها (n − 1)!/2. للشجرة على n رأسًا n − 1 حافة، ويحتفظ بيان متصل ذو m حافة بشجرة ممتدة بعد حذف m − n + 1 حافة.

عُدّ

H = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

الإجابة

H = 2520

6.نظرية البيانات

الإجابة: الحافة BC

أقصر المسارات والأشجار الممتدة: تثبّت خوارزمية ديكسترا رأسًا واحدًا في كل جولة: الرأس غير المثبّت ذا أصغر مسافة مؤقتة. تصبح مسافته نهائية، ويأخذ كل جار v القيمة d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). تبني خوارزمية كروسكال شجرة ممتدة دنيا بأخذ الحواف من الأخف إلى الأثقل وتخطّي كل حافة تُغلق دورة؛ وتنمّي خوارزمية برايم شجرة واحدة من رأس البداية بإضافة أخف حافة تغادرها دائمًا. وللشجرة الممتدة على n رأسًا n − 1 حافة.

خوارزمية برايم

1. DE (2)

2. DF (11)

3. CE (14)

4. BC (13)

5. AB (1)

رقم الحافة 4

الإجابة

الحافة BC

7.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: φ(247) = 216

المعكوسات والتطابقات: للعدد a معكوس بالنسبة إلى n بالضبط عندما gcd(a, n) = 1. تكتب خوارزمية إقليدس الموسّعة 1 = s·n + t·a، ثم a⁻¹ ≡ t (mod n). التطابق a·x ≡ b (mod n) مع gcd(a, n) = 1 حلّه x ≡ a⁻¹·b. لتطابقين x ≡ r₁ (mod m₁) و x ≡ r₂ (mod m₂) بمقياسين أوليين فيما بينهما حل واحد بالنسبة إلى m₁·m₂ (مبرهنة الباقي الصينية). تعدّ φ(n) لأويلر الأعداد من 1 إلى n التي أولية مع n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

العوامل الأولية

247 = 13·19

دالة أويلر φ

φ(247) = φ(13)·φ(19) = 12·18 = 216

الإجابة

φ(247) = 216

8.نظرية الأعداد والحساب المودولي

الإجابة: m = 72

القوى المودولية وRSA: احسب aᵏ mod n بالتربيع المتكرر: اكتب k بالنظام الثنائي، وربّع، واختزل بعد كل خطوة، واضرب القوى التي بتّها 1. فيرما: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) لعدد أولي p لا يقسم a، فيمكن اختزال الأس بالنسبة إلى p − 1. RSA: اختر عددين أوليين p و q، و n = p·q و φ(n) = (p − 1)(q − 1)؛ الأس العام e أولي مع φ(n)، والأس الخاص d = e⁻¹ mod φ(n). شفّر بـ c = mᵉ mod n وفكّ التشفير بـ m = cᵈ mod n.

الأس الخاص

n = 473, φ(n) = 420

d = 17⁻¹ mod 420 = 173

فك التشفير بالتربيع المتكرر

173 = 128 + 32 + 8 + 4 + 1

349¹ ≡ 349 (mod 473)

349² ≡ 240 (mod 473)

349⁴ ≡ 367 (mod 473)

349⁸ ≡ 357 (mod 473)

349¹⁶ ≡ 212 (mod 473)

349³² ≡ 9 (mod 473)

349⁶⁴ ≡ 81 (mod 473)

349¹²⁸ ≡ 412 (mod 473)

349¹⁷³ ≡ 349·367·357·9·412 ≡ 72 (mod 473)

الرسالة

m = 72

تحقّق: 72¹⁷ mod 473 = 349

الإجابة

m = 72

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics