Matemática discreta: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 8 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Lógica proposicional y demostraciones

Filas de una tabla de verdad
2ⁿ
Implicación
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Implicación negada
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Bicondicional
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Leyes distributivas
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Cuantificadores negados
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Método

  1. Cuenta las variables distintas: la tabla de verdad tiene 2ⁿ filas, y la primera tiene todas ellas en 1.
  2. Dale a cada subfórmula su propia columna y rellena las columnas de dentro hacia fuera.
  3. Aplica la regla de cada conectivo: → solo es 0 en 1 → 0, y ↔ vale 1 cuando ambos lados coinciden.
  4. Para las equivalencias, compara las columnas finales fila por fila; para un argumento, mira solo las filas en las que todas las premisas valen 1.
  5. Para negar un enunciado cuantificado, desplaza ¬ hacia dentro, intercambia ∀ y ∃ y niega la fórmula interior.

Conjuntos, relaciones y funciones

Dos conjuntos
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Tres conjuntos
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Diferencia y complemento
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Conjunto potencia y producto
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Subconjuntos de tamaño k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funciones A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relaciones en n elementos
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Composición
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Método

  1. Dibuja un diagrama de Venn y decide región por región qué pertenece a la expresión de conjuntos.
  2. En los problemas de recuento, rellena las regiones desde el centro hacia fuera: primero todos los conjuntos, luego los pares, después los conjuntos sueltos y por último el exterior.
  3. Usa la inclusión–exclusión como comprobación: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. En una relación, comprueba cada propiedad en todos los pares y da un contraejemplo cuando falle.
  5. En una función, cuenta las flechas que llegan a cada elemento de B: como mucho una significa inyectiva, al menos una, sobreyectiva.

Teoría de grafos

Lema del apretón de manos
Σ deg(v) = 2|E|
Grafos completos
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Grafo regular
|E| = n·k/2
Árbol y bosque
|E| = n − 1, |E| = n − c
Hojas de un árbol
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
circuito: todos los grados pares; camino: exactamente 2 grados impares
Circuitos de Hamilton en Kn
(n − 1)!/2
Actualización de Dijkstra
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Recorridos de longitud L
(Mᴸ)ij

Método

  1. Anota el grado de cada vértice; los grados suman el doble del número de aristas.
  2. En las preguntas de Euler, comprueba que el grafo sea conexo y cuenta los vértices de grado impar.
  3. En los árboles, usa n − 1 aristas y el lema del apretón de manos.
  4. En Dijkstra, lleva una tabla de distancias provisionales y fija en cada ronda el vértice no fijado de menor distancia.
  5. Para un árbol generador mínimo, ordena las aristas por peso y descarta toda arista que cierre un ciclo (Kruskal), o haz crecer un único árbol desde un vértice inicial (Prim).

Teoría de números y aritmética modular

División con resto
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclides
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Mínimo común múltiplo
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inversa
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Congruencia lineal
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Función φ de Euler
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

Método

  1. Reduce primero cada número módulo n; los restos están entre 0 y n − 1.
  2. Para un mcd, divide repetidamente con el algoritmo de Euclides; el último resto distinto de cero es el mcd.
  3. Para un inverso, aplica el algoritmo extendido y quédate con el coeficiente de a; suma n si es negativo.
  4. Resuelve a·x ≡ b multiplicando por a⁻¹; combina dos congruencias escribiendo x = r₁ + m₁k.
  5. Para las potencias, escribe el exponente en binario y eleva al cuadrado repetidamente; en RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) con φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Problemas de práctica

1.Lógica proposicional y demostracionesMedia
pqrq → pr ∨ (q → p)(p ∧ (¬q ∧ r)) ↔ (r ∨ (q → p))111?110?101?100?011?010?001?000?

¿En cuántas de las 8 filas de su tabla de verdad es verdadera (p ∧ (¬q ∧ r)) ↔ (r ∨ (q → p))? Llama a ese número N.

(p ∧ (¬q ∧ r)) ↔ (r ∨ (q → p))
N =
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
∀x ∃y ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)∃x ∃y ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)

¿Qué enunciado es equivalente a ¬∃x ∀y R(x, y), con la negación desplazada hasta el interior? Haz clic en él.

¬∃x ∀y R(x, y)
  1. 1∀x ∃y ¬R(x, y)
  2. 2∃x ∀y ¬R(x, y)
  3. 3∃x ∃y ¬R(x, y)
  4. 4∀x ∀y ¬R(x, y)
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
1234reflexivasimétricaantisimétricatransitiva

La relación R en {1, 2, 3, 4} se dibuja como un grafo dirigido (un lazo significa (x, x) ∈ R). Se cumple exactamente una de las cuatro propiedades. Haz clic en ella.

R = {(1, 1), (1, 3), (2, 2), (2, 3), (3, 2), (3, 3), (4, 3), (4, 4)}
  1. 1reflexiva
  2. 2simétrica
  3. 3antisimétrica
  4. 4transitiva
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil

¿Cuántas relaciones distintas hay en un conjunto de 4 elementos? Llama al número N.

|X| = 4
N =
5.Teoría de grafosMedia

Un árbol tiene 3 vértices de grado 3, 4 vértices de grado 4, 4 vértices de grado 5, 4 vértices de grado 2, y todos sus demás vértices son hojas (grado 1). ¿Cuántas hojas, L, tiene?

3 × deg 34 × deg 44 × deg 54 × deg 2
L =
6.Teoría de grafosDifícil
513123152115ABCDEF

Usa el algoritmo de Dijkstra para hallar la longitud d(F) del camino más corto de A a F en el grafo ponderado.

inicio: Afin: F
d(F) =
7.Teoría de números y aritmética modularMedia

Resuelve 14x ≡ 2 (mod 23). Da la solución x con 0 < x < 23.

14x ≡ 2 (mod 23)
x =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
158c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (217, 11)d

Cifra el mensaje m = 158 con la clave pública RSA (n, e) = (217, 11). Halla el texto cifrado c.

n = 217e = 11m = 158
c =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: N = 2

Tablas de verdad: una fórmula con n variables distintas tiene 2ⁿ filas, una por cada combinación de valores de verdad (1 = verdadero, 0 = falso). Trabaja de dentro hacia fuera y dale a cada subfórmula su propia columna. ¬a invierte el valor; a ∧ b vale 1 solo cuando ambos son 1; a ∨ b vale 0 solo cuando ambos son 0; a → b vale 0 solo cuando a = 1 y b = 0; a ↔ b vale 1 cuando ambos lados son iguales.

Tabla de verdad fila por fila

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

Cuenta las filas con valor 1

(p ∧ (¬q ∧ r)) ↔ (r ∨ (q → p)): 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0
N = 2

Respuesta

N = 2
2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: ∀x ∃y ¬R(x, y)

Cuantificadores y argumentos: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) y ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Desplaza la negación hacia dentro, intercambia cada cuantificador que atraviesa y niega la fórmula interior con las leyes proposicionales, como ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Un argumento es válido cuando la conclusión vale 1 en todas las filas en las que todas las premisas valen 1. Una sola fila con premisas verdaderas y conclusión falsa es un contraejemplo y demuestra que el argumento no es válido.

Desplaza la negación hacia dentro

¬∃x ∀y R(x, y) ≡ ∀x ∃y ¬R(x, y)

Respuesta

∀x ∃y ¬R(x, y)

Las otras opciones dejan un cuantificador sin cambiar, cambian el orden de los cuantificadores o niegan mal la fórmula interior.

3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: reflexiva

Relaciones: una relación R en un conjunto X es un conjunto de pares ordenados (x, y). R es reflexiva cuando (x, x) ∈ R para todo x de X; simétrica cuando (x, y) ∈ R siempre va acompañado de (y, x) ∈ R; antisimétrica cuando (x, y) y (y, x) están ambos en R solo si x = y; y transitiva cuando (x, y) y (y, z) en R obligan a que (x, z) ∈ R. Una relación de equivalencia es reflexiva, simétrica y transitiva, y divide X en clases disjuntas.

reflexiva

se cumple

simétrica

falla: (1, 3) ∈ R, (3, 1) ∉ R

antisimétrica

falla: (2, 3), (3, 2) ∈ R

transitiva

falla: (1, 3), (3, 2) ∈ R, (1, 2) ∉ R

Respuesta

reflexiva
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: N = 65536

Relaciones: una relación R en un conjunto X es un conjunto de pares ordenados (x, y). R es reflexiva cuando (x, x) ∈ R para todo x de X; simétrica cuando (x, y) ∈ R siempre va acompañado de (y, x) ∈ R; antisimétrica cuando (x, y) y (y, x) están ambos en R solo si x = y; y transitiva cuando (x, y) y (y, z) en R obligan a que (x, z) ∈ R. Una relación de equivalencia es reflexiva, simétrica y transitiva, y divide X en clases disjuntas.

Cuenta las opciones libres

N = 216 = 65536

Respuesta

N = 65536
5.Teoría de grafos

Respuesta: L = 25

Euler, Hamilton y árboles: un grafo conexo tiene un circuito euleriano (cada arista una vez, volviendo al inicio) cuando todos los vértices tienen grado par, y un camino euleriano que no es un circuito cuando exactamente dos vértices tienen grado impar; entonces el camino va de un vértice impar al otro. Un circuito hamiltoniano visita cada vértice una vez; Kn tiene (n − 1)!/2 de ellos. Un árbol de n vértices tiene n − 1 aristas, y un grafo conexo con m aristas conserva un árbol generador tras quitarle m − n + 1 aristas.

Lema del apretón de manos para un árbol

L + 53 = 2(L + 15) − 2
L = 25

Respuesta

L = 25

Atajo: L = 2 + Σ (d − 2) sobre los vértices de grado d ≥ 3.

6.Teoría de grafos

Respuesta: d(F) = 21

Caminos mínimos y árboles generadores: el algoritmo de Dijkstra fija un vértice por ronda: el vértice no fijado con la menor distancia provisional. Su distancia es entonces definitiva, y cada vecino v recibe d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). El algoritmo de Kruskal construye un árbol generador mínimo tomando las aristas de la más ligera a la más pesada y descartando toda arista que cierre un ciclo; el algoritmo de Prim hace crecer un único árbol desde un vértice inicial añadiendo siempre la arista más ligera que sale de él. Un árbol generador de n vértices tiene n − 1 aristas.

Dijkstra ronda a ronda

Cada línea: el vértice fijado, su distancia definitiva y los vecinos cuya distancia mejora.

A (0): B: 5, C: 13
B (5): D: 8, E: 10
D (8)
E (10): F: 21
C (13)
F (21)

Camino más corto

A → B → E → F
d(F) = 21

Respuesta

d(F) = 21
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: x = 10

Inversos y congruencias: a tiene inverso módulo n exactamente cuando mcd(a, n) = 1. El algoritmo de Euclides extendido escribe 1 = s·n + t·a, y entonces a⁻¹ ≡ t (mod n). Una congruencia a·x ≡ b (mod n) con mcd(a, n) = 1 tiene la solución x ≡ a⁻¹·b. Dos congruencias x ≡ r₁ (mod m₁) y x ≡ r₂ (mod m₂) con módulos coprimos tienen una solución módulo m₁·m₂ (teorema chino del resto). La φ(n) de Euler cuenta los números de 1 a n que son coprimos con n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Inverso de 14

r = 23, t = 0
r = 14, q = 1, t = 1
r = 9, q = 1, t = −1
r = 5, q = 1, t = 2
r = 4, q = 1, t = −3
r = 1, q = 4, t = 5
14−1 ≡ 5 (mod 23)

Resuelve

x ≡ 5·2 = 10 ≡ 10 (mod 23)
comprobación: 14·10 = 140 ≡ 2 (mod 23)

Respuesta

x = 10
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: c = 44

Potencias modulares y RSA: calcula aᵏ mod n por cuadrado repetido: escribe k en binario, eleva al cuadrado, reduce después de cada paso y multiplica las potencias cuyo bit es 1. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) para un primo p que no divide a a, así que el exponente se puede reducir módulo p − 1. RSA: elige los primos p y q, n = p·q y φ(n) = (p − 1)(q − 1); el exponente público e es coprimo con φ(n), y el exponente privado es d = e⁻¹ mod φ(n). Cifra con c = mᵉ mod n y descifra con m = cᵈ mod n.

Cuadrado repetido

11 = 8 + 2 + 1
1581 ≡ 158 (mod 217)
1582 ≡ 9 (mod 217)
1584 ≡ 81 (mod 217)
1588 ≡ 51 (mod 217)
15811 ≡ 158·9·51 ≡ 44 (mod 217)

Texto cifrado

c = 44

Respuesta

c = 44

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