Zeichne ein Venn-Diagramm und entscheide Bereich für Bereich, was zum Mengenausdruck gehört.
Fülle bei Zählaufgaben die Bereiche von der Mitte nach außen: erst alle Mengen, dann Paare, dann einzelne Mengen, dann das Äußere.
Nutze das Inklusions-Exklusions-Prinzip als Kontrolle: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Prüfe bei einer Relation jede Eigenschaft an jedem Paar und gib ein Gegenbeispiel an, wenn sie nicht gilt.
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
Schreibe den Grad jedes Knotens auf; die Grade summieren sich zum Doppelten der Kantenzahl.
Prüfe bei Euler-Aufgaben, ob der Graph zusammenhängend ist, und zähle die Knoten mit ungeradem Grad.
Verwende bei Bäumen n − 1 Kanten und das Handschlaglemma.
Führe bei Dijkstra eine Tabelle der vorläufigen Abstände und schließe in jeder Runde den kleinsten noch offenen Knoten ab.
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
Reduziere zuerst jede Zahl modulo n; die Reste liegen zwischen 0 und n − 1.
Teile für einen ggT wiederholt mit dem euklidischen Algorithmus; der letzte Rest ungleich null ist der ggT.
Führe für ein Inverses den erweiterten Algorithmus aus und behalte den Koeffizienten von a; addiere n, falls er negativ ist.
Löse a·x ≡ b, indem du mit a⁻¹ multiplizierst; kombiniere zwei Kongruenzen, indem du x = r₁ + m₁k schreibst.
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
Ist (r ∧ (r → q)) → q eine Tautologie, eine Kontradiktion oder eine Kontingenz? Klicke deine Antwort an.
(r ∧ (r → q)) → q
1Tautologie
2Kontradiktion
3Kontingenz
2.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
Wie viele der 16 Zeilen der Wahrheitstafel machen ((q → r) ∧ ¬r) → (p → (¬p ∨ s)) wahr? Nenne diese Zahl N.
((q → r) ∧ ¬r) → (p → (¬p ∨ s))
N =
3.Mengen, Relationen & FunktionenMittel
Die Relation R auf {1, 2, 3} ist als gerichteter Graph gezeichnet (eine Schleife bedeutet (x, x) ∈ R). Genau eine der vier Eigenschaften gilt. Klicke sie an.
Wie viele antisymmetrische Relationen gibt es auf einer Menge mit 2 Elementen? Nenne die Zahl N.
|X| = 2
N =
5.GraphentheorieMittel
Ein zusammenhängender Graph hat 17 Knoten und 28 Kanten. Wie viele Kanten k müssen entfernt werden, damit ein aufspannender Baum übrig bleibt?
|V| = 17|E| = 28
k =
6.GraphentheorieSchwer
Wie viele Wege der Länge 3 führen von F nach A? Ein Weg darf Knoten und Kanten wiederholen. Nenne die Zahl N.
M = AdjazenzmatrixL = 3
N =
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel
Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(1715), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 1715, die zu 1715 teilerfremd sind.
n = 1715 = 5·73
φ(1715) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
Wie viele Lösungen N hat 50x ≡ 20 (mod 60) in {0, 1, …, 59}?
50x ≡ 20 (mod 60)
N =
3Lösungen
1.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: Tautologie
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).
Wahrheitstafel Zeile für Zeile
q = 1, r = 1: r → q = 1, r ∧ (r → q) = 1, (r ∧ (r → q)) → q = 1
q = 1, r = 0: r → q = 1, r ∧ (r → q) = 0, (r ∧ (r → q)) → q = 1
q = 0, r = 1: r → q = 0, r ∧ (r → q) = 0, (r ∧ (r → q)) → q = 1
q = 0, r = 0: r → q = 1, r ∧ (r → q) = 0, (r ∧ (r → q)) → q = 1
Einordnen
(r ∧ (r → q)) → q: 1, 1, 1, 1
In jeder Zeile 1: eine Tautologie.
Antwort
Tautologie
2.Aussagenlogik & Beweise
Antwort: N = 15
Wahrheitstafeln: Eine Formel mit n verschiedenen Variablen hat 2ⁿ Zeilen, eine für jede Kombination von Wahrheitswerten (1 = wahr, 0 = falsch). Arbeite von innen nach außen und gib jeder Teilformel eine eigene Spalte. ¬a kehrt den Wert um; a ∧ b ist nur 1, wenn beide 1 sind; a ∨ b ist nur 0, wenn beide 0 sind; a → b ist nur 0, wenn a = 1 und b = 0; a ↔ b ist 1, wenn beide Seiten gleich sind.
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.
reflexiv
gilt nicht: (2, 2) ∉ R
symmetrisch
gilt nicht: (1, 2) ∈ R, (2, 1) ∉ R
antisymmetrisch
gilt nicht: (1, 3), (3, 1) ∈ R
transitiv
gilt
Antwort
transitiv
4.Mengen, Relationen & Funktionen
Antwort: N = 12
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 = 22·31 = 12
Antwort
N = 12
5.Graphentheorie
Antwort: k = 12
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.
Kanten eines aufspannenden Baums
17 − 1 = 16
Zu entfernende Kanten
k = 28 − 16 = 12
Antwort
k = 12
6.Graphentheorie
Antwort: N = 1
Grade: Der Grad eines Knotens ist die Anzahl der Kanten, die an ihm enden. Jede Kante hat zwei Enden, daher summieren sich die Grade zum Doppelten der Kantenzahl: Σ deg(v) = 2|E| (das Handschlaglemma). Die Anzahl der Knoten mit ungeradem Grad ist deshalb gerade. Kn hat n(n − 1)/2 Kanten, ein k-regulärer Graph mit n Knoten hat nk/2, und ein Baum mit n Knoten hat n − 1 Kanten.
Adjazenzmatrix
A: 0 1 1 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 1 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 0
F: 0 0 0 1 0 0
Ein weiterer Schritt
(M³)FA = 0·0 + 1·1 + 0·1 + 0·0 + 1·0 + 1·0 = 1
Antwort
N = 1
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: φ(1715) = 1176
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
1715 = 5·73
φ-Wert
φ(1715) = φ(343)·φ(5) = 294·4 = 1176
Antwort
φ(1715) = 1176
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik
Antwort: N = 10
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).