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
p ∧ q(p → q) ∧ (q → p)(p → q) ∧ (¬q → ¬p)(p → q) ∨ (q → p)

Welche Formel ist logisch äquivalent zu p ↔ q? Klicke sie an.

p ↔ q
  1. 1p ∧ q
  2. 2(p → q) ∧ (q → p)
  3. 3(p → q) ∧ (¬q → ¬p)
  4. 4(p → q) ∨ (q → p)
2.Aussagenlogik & BeweiseSchwer

Wie viele der 16 Zeilen der Wahrheitstafel machen (¬s ∨ (q → s)) → ((r ∨ p) → (p → q)) wahr? Nenne diese Zahl N.

(¬s ∨ (q → s)) → ((r ∨ p) → (p → q))
N =
3.Mengen, Relationen & FunktionenMittel
1234reflexivsymmetrischantisymmetrischtransitiv

Die Relation R auf {1, 2, 3, 4} ist als gerichteter Graph gezeichnet (eine Schleife bedeutet (x, x) ∈ R). Genau eine der vier Eigenschaften gilt. Klicke sie an.

R = {(2, 2), (2, 3), (2, 4), (4, 2), (4, 3), (4, 4)}
  1. 1reflexiv
  2. 2symmetrisch
  3. 3antisymmetrisch
  4. 4transitiv
4.Mengen, Relationen & FunktionenSchwer

Auf X = {1, 2, …, 6} gilt die Relation R, wenn x ≡ y (mod 2). Wie viele geordnete Paare enthält R? Nenne die Zahl |R|.

X = {1, …, 6}x R y ⟺ 2 | (x − y)
|R| =
5.GraphentheorieMittel

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

2 × deg 34 × deg 44 × deg 52 × deg 2
L =
6.GraphentheorieSchwer
ABCDE

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

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

Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(1805), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 1805, die zu 1805 teilerfremd sind.

n = 1805 = 5·192
φ(1805) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (119, 7)d = ?

Ein RSA-Schlüssel verwendet die Primzahlen p = 7 und q = 17 und den öffentlichen Exponenten e = 7. Bestimme den privaten Exponenten d (0 < d < φ(n)).

p = 7q = 17e = 7
d =

3Lösungen

1.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: (p → q) ∧ (q → p)

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 bedeutet, dass die Implikation in beide Richtungen gilt: (a → b) ∧ (b → a).
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)

Mit der Wahrheitstafel prüfen

p = 1, q = 1: 1 | 1 1 1 1
p = 1, q = 0: 0 | 0 0 0 1
p = 0, q = 1: 0 | 0 0 1 1
p = 0, q = 0: 1 | 0 1 1 1

Antwort

(p → q) ∧ (q → p)

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

2.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: N = 12

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.

Spalten

¬s; q → s; ¬s ∨ (q → s); r ∨ p; p → q; (r ∨ p) → (p → q); (¬s ∨ (q → s)) → ((r ∨ p) → (p → q))

Nach p aufteilen

p = 1: 4
p = 0: 8
N = 4 + 8 = 12

Antwort

N = 12
3.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: transitiv

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: (1, 1) ∉ R

symmetrisch

gilt nicht: (2, 3) ∈ R, (3, 2) ∉ R

antisymmetrisch

gilt nicht: (2, 4), (4, 2) ∈ R

transitiv

gilt

Antwort

transitiv
4.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: |R| = 18

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.

Klassen

Rest 0: 3
Rest 1: 3

Paare

|R| = 3² + 3² = 18

Antwort

|R| = 18
5.Graphentheorie

Antwort: L = 24

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 + 46 = 2(L + 12) − 2
L = 24

Antwort

L = 24

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

6.Graphentheorie

Antwort: N = 2

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
B: 1 0 1 1 1
C: 1 1 0 0 1
D: 0 1 0 0 1
E: 0 1 1 1 0

Gemeinsame Nachbarn

(M²)EB = 0·1 + 1·0 + 1·1 + 1·1 + 0·1 = 2

Antwort

N = 2
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: φ(1805) = 1368

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

1805 = 5·192

φ-Wert

φ(1805) = φ(5)·φ(361) = 4·342 = 1368

Antwort

φ(1805) = 1368
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: d = 55

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.

Modul und φ-Wert

n = 7·17 = 119
φ(n) = 6·16 = 96

Erweiterter euklidischer Algorithmus

r = 96, t = 0
r = 7, q = 13, t = 1
r = 5, q = 1, t = −13
r = 2, q = 2, t = 14
r = 1, q = 2, t = −41

Privater Exponent

d = 55
Probe: 7·55 = 385 = 4·96 + 1

Antwort

d = 55

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