Diskrete Mathematik: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 8 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Aussagenlogik & Beweise

Zeilen einer Wahrheitstafel
2ⁿ
Implikation
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Negierte Implikation
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Äquivalenz (Bikonditional)
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Distributivgesetze
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Negierte Quantoren
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, Modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Methode

  1. Zähle die verschiedenen Variablen: Die Wahrheitstafel hat 2ⁿ Zeilen und beginnt mit lauter Einsen.
  2. Gib jeder Teilformel eine eigene Spalte und fülle die Spalten von innen nach außen.
  3. Wende die Regel jedes Junktors an: → ist nur bei 1 → 0 gleich 0, ↔ ist 1, wenn beide Seiten übereinstimmen.
  4. Vergleiche bei Äquivalenzen die letzten Spalten Zeile für Zeile; schau bei einem Argument nur auf die Zeilen, in denen alle Prämissen 1 sind.
  5. Um eine quantifizierte Aussage zu negieren, ziehe ¬ nach innen, vertausche ∀ und ∃ und negiere die innere Formel.

Mengen, Relationen & Funktionen

Zwei Mengen
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Drei Mengen
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Differenz und Komplement
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Potenzmenge und Produkt
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Teilmengen der Größe k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funktionen A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relationen auf n Elementen
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Verkettung
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Methode

  1. Zeichne ein Venn-Diagramm und entscheide Bereich für Bereich, was zum Mengenausdruck gehört.
  2. Fülle bei Zählaufgaben die Bereiche von der Mitte nach außen: erst alle Mengen, dann Paare, dann einzelne Mengen, dann das Äußere.
  3. Nutze das Inklusions-Exklusions-Prinzip als Kontrolle: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Prüfe bei einer Relation jede Eigenschaft an jedem Paar und gib ein Gegenbeispiel an, wenn sie nicht gilt.
  5. Zähle bei einer Funktion die Pfeile, die bei jedem Element von B ankommen: höchstens einer heißt injektiv, mindestens einer surjektiv.

Graphentheorie

Handschlaglemma
Σ deg(v) = 2|E|
Vollständige Graphen
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Regulärer Graph
|E| = n·k/2
Baum und Wald
|E| = n − 1, |E| = n − c
Blätter eines Baums
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
Kreis: alle Grade gerade; Weg: genau 2 ungerade Grade
Hamilton-Kreise in Kn
(n − 1)!/2
Dijkstra-Aktualisierung
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wege der Länge L
(Mᴸ)ij

Methode

  1. Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
  2. Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
  3. Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
  4. Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
  5. Sortiere für einen minimalen aufspannenden Baum die Kanten nach Gewicht und überspringe jede Kante, die einen Kreis schließt (Kruskal), oder lass einen Baum von einem Startknoten aus wachsen (Prim).

Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Division mit Rest
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euklid
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Kleinstes gemeinsames Vielfaches
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inverse
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Lineare Kongruenz
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Eulersche φ-Funktion
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Fermat
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

Methode

  1. Reduziere zuerst jede Zahl modulo n; die Reste liegen zwischen 0 und n − 1.
  2. Teile für einen ggT wiederholt mit dem euklidischen Algorithmus; der letzte Rest ungleich null ist der ggT.
  3. Führe für ein Inverses den erweiterten Algorithmus aus und behalte den Koeffizienten von a; addiere n, falls er negativ ist.
  4. Löse a·x ≡ b, indem du mit a⁻¹ multiplizierst; kombiniere zwei Kongruenzen, indem du x = r₁ + m₁k schreibst.
  5. Schreibe bei Potenzen den Exponenten binär und quadriere wiederholt; bei RSA gilt d = e⁻¹ mod φ(n) mit φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Übungsaufgaben

1.Aussagenlogik & BeweiseMittel
¬q ∨ ¬rq ∧ ¬rq ↔ ¬r¬q ↔ ¬r

Welche Formel ist logisch äquivalent zu ¬(q ↔ r)? Klicke sie an.

¬(q ↔ r)
  1. 1¬q ∨ ¬r
  2. 2q ∧ ¬r
  3. 3q ↔ ¬r
  4. 4¬q ↔ ¬r
2.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))∃x (F(x) → ∀y ¬R(x, y))∃x (¬F(x) ∧ ∃y R(x, y))∀x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))

Welche Aussage ist äquivalent zu ¬∀x (F(x) → ∃y R(x, y)), wenn die Negation ganz nach innen gezogen ist? Klicke sie an.

¬∀x (F(x) → ∃y R(x, y))
  1. 1∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))
  2. 2∃x (F(x) → ∀y ¬R(x, y))
  3. 3∃x (¬F(x) ∧ ∃y R(x, y))
  4. 4∀x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))
3.Mengen, Relationen & FunktionenMittel
UFGS

In einer Gruppe von 62 Studierenden sprechen 25 Französisch (F), 32 Deutsch (G) und 26 Spanisch (S). 14 sprechen Französisch und Deutsch, 5 Französisch und Spanisch, 13 Deutsch und Spanisch, und 3 sprechen alle drei. Wie viele liegen in keiner der drei Mengen?

|U| = 62
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.Mengen, Relationen & FunktionenSchwer

Wie viele antisymmetrische Relationen gibt es auf einer Menge mit 4 Elementen? Nenne die Zahl N.

|X| = 4
N =
5.GraphentheorieMittel

Ein Baum hat 4 Knoten vom Grad 3, und alle seine anderen Knoten sind Blätter (Grad 1). Wie viele Blätter L hat er?

4 × deg 3
L =
6.GraphentheorieSchwer
17192710516181ABCDEFG

Bestimme das Gesamtgewicht W eines minimalen aufspannenden Baums des gewichteten Graphen.

|V| = 7|E| = 9
W =
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel

Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(1375), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 1375, die zu 1375 teilerfremd sind.

n = 1375 = 53·11
φ(1375) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
257c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (391, 23)d

Verschlüssele die Nachricht m = 257 mit dem öffentlichen RSA-Schlüssel (n, e) = (391, 23). Bestimme den Geheimtext c.

n = 391e = 23m = 257
c =

3Lösungen

1.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: q ↔ ¬r

Logische Äquivalenz: Zwei Formeln sind äquivalent (≡), wenn sie in jeder Zeile der Wahrheitstafel denselben Wert haben. Eine Tautologie ist in jeder Zeile 1, eine Kontradiktion in jeder Zeile 0, und eine Kontingenz ist keines von beiden. Nützliche Gesetze: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b und ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (Kontraposition); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; und die Distributivgesetze, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Das Gesetz

¬(a ↔ b) ist genau dann 1, wenn sich a und b unterscheiden, also a ↔ ¬b.
¬(q ↔ r) ≡ q ↔ ¬r

Mit der Wahrheitstafel prüfen

q = 1, r = 1: 0 | 0 0 0 1
q = 1, r = 0: 1 | 1 1 1 0
q = 0, r = 1: 1 | 1 0 1 0
q = 0, r = 0: 0 | 1 0 0 1

Antwort

q ↔ ¬r

Die Spalten nach dem Strich sind die Optionen in der angezeigten Reihenfolge.

2.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: ∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))

Quantoren und Argumente: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) und ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Ziehe eine Negation nach innen, vertausche jeden Quantor, den sie passiert, und negiere die innere Formel mit den aussagenlogischen Gesetzen, etwa ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Ein Argument ist gültig, wenn die Konklusion in jeder Zeile 1 ist, in der alle Prämissen 1 sind. Eine einzige Zeile mit wahren Prämissen und falscher Konklusion ist ein Gegenbeispiel und zeigt, dass das Argument ungültig ist.

Die Negation nach innen ziehen

¬∀x (F(x) → ∃y R(x, y)) ≡ ∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))

Antwort

∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))

Die anderen Optionen lassen entweder einen Quantor unverändert, ändern die Reihenfolge der Quantoren oder negieren die innere Formel falsch.

3.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: |(F ∪ G ∪ S)′| = 8

Mengen und Venn-Diagramme: A ∪ B enthält die Elemente in A oder B (oder beiden), A ∩ B die Elemente in beiden, A − B die Elemente von A, die nicht in B liegen, und das Komplement A′ alles in U, was nicht in A liegt. In einem Venn-Diagramm ist jeder Mengenausdruck eine Vereinigung von Bereichen, zähle ihn also Bereich für Bereich. Inklusion–Exklusion: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B| und |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Mitte und Paare

F ∩ G ∩ S: 3
F ∩ G nur: 14 − 3 = 11
F ∩ S nur: 5 − 3 = 2
G ∩ S nur: 13 − 3 = 10

Einzelne Mengen

F nur: 25 − 11 − 2 − 3 = 9
G nur: 32 − 11 − 10 − 3 = 8
S nur: 26 − 2 − 10 − 3 = 11

Antwort

|F ∪ G ∪ S| = 54
|(F ∪ G ∪ S)′| = 62 − 54 = 8

Antwort

|(F ∪ G ∪ S)′| = 8
4.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: N = 11664

Relationen: Eine Relation R auf einer Menge X ist eine Menge geordneter Paare (x, y). R ist reflexiv, wenn (x, x) ∈ R für jedes x in X; symmetrisch, wenn zu (x, y) ∈ R immer (y, x) ∈ R gehört; antisymmetrisch, wenn (x, y) und (y, x) nur dann beide in R liegen, wenn x = y; und transitiv, wenn (x, y) und (y, z) in R (x, z) ∈ R erzwingen. Eine Äquivalenzrelation ist reflexiv, symmetrisch und transitiv und zerlegt X in disjunkte Klassen.

Die freien Entscheidungen zählen

N = 24·36 = 11664

Antwort

N = 11664
5.Graphentheorie

Antwort: L = 6

Euler, Hamilton und Bäume: Ein zusammenhängender Graph hat einen Euler-Kreis (jede Kante einmal, zurück zum Start), wenn jeder Knoten geraden Grad hat, und einen Euler-Weg, der kein Kreis ist, wenn genau zwei Knoten ungeraden Grad haben; der Weg verläuft dann von einem ungeraden Knoten zum anderen. Ein Hamilton-Kreis besucht jeden Knoten einmal; Kn hat (n − 1)!/2 davon. Ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten, und ein zusammenhängender Graph mit m Kanten behält einen aufspannenden Baum, wenn man m − n + 1 Kanten entfernt.

Handschlaglemma für einen Baum

L + 12 = 2(L + 4) − 2
L = 6

Antwort

L = 6

Abkürzung: L = 2 + Σ (d − 2) über die Knoten mit Grad d ≥ 3.

6.Graphentheorie

Antwort: W = 42

Kürzeste Wege und aufspannende Bäume: Der Dijkstra-Algorithmus schließt in jeder Runde einen Knoten ab: den offenen Knoten mit dem kleinsten vorläufigen Abstand. Sein Abstand ist dann endgültig, und jeder Nachbar v erhält d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf, indem er die Kanten von leicht nach schwer nimmt und jede Kante überspringt, die einen Kreis schließen würde; der Prim-Algorithmus lässt einen Baum von einem Startknoten aus wachsen, indem er immer die leichteste Kante hinzufügt, die aus ihm herausführt. Ein aufspannender Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.

Kruskal-Algorithmus

GE (1): nehmen
CE (2): nehmen
GB (5): nehmen
DE (7): nehmen
DF (10): nehmen
GC (16): überspringen, schließt einen Kreis
AB (17): nehmen

Gesamtgewicht

W = 1 + 2 + 5 + 7 + 10 + 17 = 42

Antwort

W = 42
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: φ(1375) = 1000

Inverse und Kongruenzen: a hat genau dann ein Inverses modulo n, wenn ggT(a, n) = 1. Der erweiterte euklidische Algorithmus schreibt 1 = s·n + t·a, und dann ist a⁻¹ ≡ t (mod n). Eine Kongruenz a·x ≡ b (mod n) mit ggT(a, n) = 1 hat die Lösung x ≡ a⁻¹·b. Zwei Kongruenzen x ≡ r₁ (mod m₁) und x ≡ r₂ (mod m₂) mit teilerfremden Moduln haben eine Lösung modulo m₁·m₂ (chinesischer Restsatz). Eulers φ(n) zählt die Zahlen von 1 bis n, die zu n teilerfremd sind: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Primfaktoren

1375 = 53·11

φ-Wert

φ(1375) = φ(125)·φ(11) = 100·10 = 1000

Antwort

φ(1375) = 1000
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: c = 349

Modulare Potenzen und RSA: Berechne aᵏ mod n durch wiederholtes Quadrieren: Schreibe k binär, quadriere, reduziere nach jedem Schritt und multipliziere die Potenzen, deren Bit 1 ist. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) für eine Primzahl p, die a nicht teilt, der Exponent lässt sich also modulo p − 1 reduzieren. RSA: Wähle Primzahlen p und q, n = p·q und φ(n) = (p − 1)(q − 1); der öffentliche Exponent e ist teilerfremd zu φ(n), und der private Exponent ist d = e⁻¹ mod φ(n). Verschlüssele mit c = mᵉ mod n und entschlüssele mit m = cᵈ mod n.

Wiederholtes Quadrieren

23 = 16 + 4 + 2 + 1
2571 ≡ 257 (mod 391)
2572 ≡ 361 (mod 391)
2574 ≡ 118 (mod 391)
2578 ≡ 239 (mod 391)
25716 ≡ 35 (mod 391)
25723 ≡ 257·361·118·35 ≡ 349 (mod 391)

Geheimtext

c = 349

Antwort

c = 349

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