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
a ∧ ¬(c ∨ b)(c ∨ b) → a¬(c ∨ b) → ¬a¬a → ¬(c ∨ b)

Du willst a → (c ∨ b) durch Kontraposition beweisen. Welche Implikation beweist du stattdessen? Klicke sie an.

a → (c ∨ b)
  1. 1a ∧ ¬(c ∨ b)
  2. 2(c ∨ b) → a
  3. 3¬(c ∨ b) → ¬a
  4. 4¬a → ¬(c ∨ b)
2.Aussagenlogik & BeweiseSchwer
p ∨ q¬rr ∨ qr ∧ q

Die Prämissen p ∨ r; ¬p ∨ q sind gegeben. Welche Konklusion folgt daraus? Klicke sie an.

p ∨ r¬p ∨ q
  1. 1p ∨ q
  2. 2¬r
  3. 3r ∨ q
  4. 4r ∧ q
3.Mengen, Relationen & FunktionenMittel
123

R = {(1, 3), (3, 1), (3, 2)} ist eine Relation auf {1, 2, 3}. Wie groß ist die kleinste Anzahl k geordneter Paare, die zu R hinzugefügt werden müssen, damit R transitiv wird (die Größe des transitiven Abschlusses minus |R|)?

R = {(1, 3), (3, 1), (3, 2)}
k =
4.Mengen, Relationen & FunktionenSchwer
x12345f(x)35214

Die Bijektion f auf {1, 2, 3, 4, 5} ist durch ihre Tabelle gegeben. Bestimme f−1(1).

f: 1 ↦ 3, 2 ↦ 5, 3 ↦ 2, 4 ↦ 1, 5 ↦ 4
f−1(1) =
5.GraphentheorieMittel

Wie viele verschiedene Hamilton-Kreise H hat der vollständige Graph K8? Kreise, die sich nur im Startknoten oder in der Richtung unterscheiden, zählen als gleich.

K8
H =
6.GraphentheorieSchwer
198561416917ABCDEF

Der Kruskal-Algorithmus baut einen minimalen aufspannenden Baum auf. Klicke die Kante an, die er als Kante Nummer 3 hinzufügt; übersprungene Kanten zählen nicht.

k = 3
  1. 1Kante AB
  2. 2Kante AC
  3. 3Kante BC
  4. 4Kante BD
  5. 5Kante CE
  6. 6Kante DE
  7. 7Kante DF
  8. 8Kante BE
7.Zahlentheorie & modulare ArithmetikMittel

Bestimme die Eulersche φ-Funktion φ(247), die Anzahl der ganzen Zahlen von 1 bis 247, die zu 247 teilerfremd sind.

n = 247 = 13·19
φ(247) =
8.Zahlentheorie & modulare ArithmetikSchwer
168c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (247, 17)d

Verschlüssele die Nachricht m = 168 mit dem öffentlichen RSA-Schlüssel (n, e) = (247, 17). Bestimme den Geheimtext c.

n = 247e = 17m = 168
c =

3Lösungen

1.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: ¬(c ∨ b) → ¬a

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).

Teile der Implikation

a = a, b = c ∨ b

Kontraposition

¬b → ¬a = ¬(c ∨ b) → ¬a

Antwort

¬(c ∨ b) → ¬a

Die Kontraposition ist äquivalent zur ursprünglichen Aussage, ihr Beweis beweist also die Aussage.

2.Aussagenlogik & Beweise

Antwort: r ∨ q

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.

Zeilen, in denen alle Prämissen wahr sind

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

Schlussfolgerung

r ∨ q (Auflösung)

Antwort

r ∨ q
3.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: k = 3

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.

Hinzuzufügende Paare

{(1, 1), (1, 2), (3, 3)}

Zählen

k = 3

Antwort

k = 3
4.Mengen, Relationen & Funktionen

Antwort: f−1(1) = 4

Funktionen und Abzählen: Eine Funktion f: A → B ordnet jedem Element von A genau ein Bild in B zu. f ist injektiv (eineindeutig), wenn verschiedene Elemente verschiedene Bilder haben, surjektiv (auf), wenn jedes Element von B ein Bild ist, und bijektiv, wenn beides gilt. Mit |A| = m und |B| = n gibt es nᵐ Funktionen, n!/(n − m)! injektive (m ≤ n) und nach Inklusion–Exklusion Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ surjektive. |𝒫(A)| = 2ᵐ und |A × B| = m·n.

Die Tabelle rückwärts lesen

f(4) = 1 → f−1(1) = 4

Antwort

f−1(1) = 4
5.Graphentheorie

Antwort: H = 2520

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.

Zählen

H = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

Antwort

H = 2520
6.Graphentheorie

Antwort: Kante AC

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

1. BC (5)
2. BD (6)
3. AC (8)
4. DF (9)
5. CE (14)

Kantennummer 3

AC

Antwort

Kante AC
7.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: φ(247) = 216

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

247 = 13·19

φ-Wert

φ(247) = φ(19)·φ(13) = 18·12 = 216

Antwort

φ(247) = 216
8.Zahlentheorie & modulare Arithmetik

Antwort: c = 25

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

17 = 16 + 1
1681 ≡ 168 (mod 247)
1682 ≡ 66 (mod 247)
1684 ≡ 157 (mod 247)
1688 ≡ 196 (mod 247)
16816 ≡ 131 (mod 247)
16817 ≡ 168·131 ≡ 25 (mod 247)

Geheimtext

c = 25

Antwort

c = 25

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