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
pqr(r ∧ ¬p) ∨ rp ∧ q((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q)111?110?101?100?011?010?001?000?

In wie vielen der 8 Zeilen ihrer Wahrheitstafel ist ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) wahr? Nenne diese Zahl N.

((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q)
N =
2.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
∀x (F(x) ∧ ¬G(x))∃x (F(x) ∧ ¬G(x))∀x (¬F(x) → ¬G(x))∀x (F(x) → ¬G(x))

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

¬∃x (F(x) → G(x))
  1. 1∀x (F(x) ∧ ¬G(x))
  2. 2∃x (F(x) ∧ ¬G(x))
  3. 3∀x (¬F(x) → ¬G(x))
  4. 4∀x (F(x) → ¬G(x))
3.Mengen, Relationen & FunktionenMittel
UABC1102371274

Jede Zahl im Venn-Diagramm ist die Anzahl der Elemente in diesem Bereich. Bestimme |C ∩ B′|.

|U| = 46
|C ∩ B′| =
4.Mengen, Relationen & FunktionenSchwer

Eine Äquivalenzrelation R auf {1, …, 10} hat die Klassen {4, 6}, {3, 5}, {1, 2, 8, 9}, {7, 10}. Wie viele geordnete Paare enthält R? Nenne die Zahl |R|.

{4, 6}{3, 5}{1, 2, 8, 9}{7, 10}
|R| =
5.GraphentheorieMittel

Ein Baum hat 4 Knoten vom Grad 4, 3 Knoten vom Grad 5, 4 Knoten vom Grad 2, und alle seine anderen Knoten sind Blätter (Grad 1). Wie viele Blätter L hat er?

4 × deg 43 × deg 54 × deg 2
L =
6.GraphentheorieSchwer
ABCDEF

Wie viele Wege der Länge 2 führen von A nach D? Ein Weg darf Knoten und Kanten wiederholen. Nenne die Zahl N.

M = AdjazenzmatrixL = 2
N =
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel

Löse 39x ≡ 45 (mod 47). Gib die Lösung x mit 0 < x < 47 an.

39x ≡ 45 (mod 47)
x =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer

67 ist eine Primzahl. Bestimme 2067803 mod 67 mit dem kleinen Satz von Fermat.

p = 67k = 67803
2067803 mod 67 =

3Lösungen

1.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: N = 4

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.

Wahrheitstafel Zeile für Zeile

p = 1, q = 1, r = 1: ¬p = 0, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 1, p ∧ q = 1, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 1
p = 1, q = 1, r = 0: ¬p = 0, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 0, p ∧ q = 1, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 0
p = 1, q = 0, r = 1: ¬p = 0, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 1, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 0
p = 1, q = 0, r = 0: ¬p = 0, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 0, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 1
p = 0, q = 1, r = 1: ¬p = 1, r ∧ ¬p = 1, (r ∧ ¬p) ∨ r = 1, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 0
p = 0, q = 1, r = 0: ¬p = 1, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 0, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 1
p = 0, q = 0, r = 1: ¬p = 1, r ∧ ¬p = 1, (r ∧ ¬p) ∨ r = 1, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 0
p = 0, q = 0, r = 0: ¬p = 1, r ∧ ¬p = 0, (r ∧ ¬p) ∨ r = 0, p ∧ q = 0, ((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q) = 1

Zähle die Zeilen mit dem Wert 1

((r ∧ ¬p) ∨ r) ↔ (p ∧ q): 1, 0, 0, 1, 0, 1, 0, 1
N = 4

Antwort

N = 4
2.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: ∀x (F(x) ∧ ¬G(x))

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) → G(x)) ≡ ∀x (F(x) ∧ ¬G(x))

Antwort

∀x (F(x) ∧ ¬G(x))

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

3.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: |C ∩ B′| = 19

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|.

Bereiche des Ausdrucks

A′ ∩ B′ ∩ C: 7
A ∩ B′ ∩ C: 12

Addieren

|C ∩ B′| = 7 + 12 = 19

Antwort

|C ∩ B′| = 19
4.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: |R| = 28

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.

Paare je Klasse

|R| = 2² + 2² + 4² + 2² = 28

Antwort

|R| = 28
5.Graphentheorie

Antwort: L = 19

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 + 39 = 2(L + 11) − 2
L = 19

Antwort

L = 19

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

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 1
F: 0 0 0 1 1 0

Gemeinsame Nachbarn

(M²)AD = 0·0 + 1·1 + 1·0 + 0·0 + 0·1 + 0·1 = 1

Antwort

N = 1
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: x = 12

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).

Inverses von 39

r = 47, t = 0
r = 39, q = 1, t = 1
r = 8, q = 4, t = −1
r = 7, q = 1, t = 5
r = 1, q = 7, t = −6
39−1 ≡ 41 (mod 47)

Lösen

x ≡ 41·45 = 1845 ≡ 12 (mod 47)
Probe: 39·12 = 468 ≡ 45 (mod 47)

Antwort

x = 12
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: 2067803 mod 67 = 45

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.

Den Exponenten reduzieren

67803 mod 66 = 21
2067803 ≡ 2021 (mod 67)

Kleine Potenz

2021 mod 67 = 45

Antwort

2067803 mod 67 = 45

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