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

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

¬((p ↔ ¬r) ∧ (q ∨ p)) ↔ (r → q)
N =
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
¬bb ∨ ac ∨ ab ∧ a

Se dan las premisas c ∨ b; ¬c ∨ a. ¿Qué conclusión se sigue de ellas? Haz clic en ella.

c ∨ b¬c ∨ a
  1. 1¬b
  2. 2b ∨ a
  3. 3c ∨ a
  4. 4b ∧ a
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
UFGS

En un grupo de 48 estudiantes, 29 hablan francés (F), 23 hablan alemán (G) y 22 hablan español (S). 15 hablan francés y alemán, 14 francés y español, 11 alemán y español, y 6 hablan los tres. ¿Cuántos no están en ninguno de los tres conjuntos?

|U| = 48
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil
x12345f(x)43122g(x)53214

Las funciones f y g en {1, 2, 3, 4, 5} vienen dadas por sus tablas. Halla (f ∘ g)(5).

f: 1 ↦ 4, 2 ↦ 3, 3 ↦ 1, 4 ↦ 2, 5 ↦ 2g: 1 ↦ 5, 2 ↦ 3, 3 ↦ 2, 4 ↦ 1, 5 ↦ 4
(f ∘ g)(5) =
5.Teoría de grafosMedia

¿Cuántos circuitos de Hamilton distintos, H, tiene el grafo completo K7? Los circuitos que solo difieren en el vértice inicial o en el sentido cuentan como el mismo.

K7
H =
6.Teoría de grafosDifícil
12157159966ABCDEFG

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 28x ≡ 18 (mod 41). Da la solución x con 0 < x < 41.

28x ≡ 18 (mod 41)
x =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
159c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (329, 13)d

Cifra el mensaje m = 159 con la clave pública RSA (n, e) = (329, 13). Halla el texto cifrado c.

n = 329e = 13m = 159
c =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: N = 3

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

Cuenta las filas con valor 1

¬((p ↔ ¬r) ∧ (q ∨ p)) ↔ (r → q): 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1
N = 3

Respuesta

N = 3
2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: b ∨ a

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.

Filas con todas las premisas verdaderas

a = 1, b = 1, c = 1: ¬b = 0, b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, b ∧ a = 1
a = 1, b = 1, c = 0: ¬b = 0, b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, b ∧ a = 1
a = 1, b = 0, c = 1: ¬b = 1, b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, b ∧ a = 0
a = 0, b = 1, c = 0: ¬b = 0, b ∨ a = 1, c ∨ a = 0, b ∧ a = 0

Conclusión

b ∨ a (resolución)

Respuesta

b ∨ a
3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |(F ∪ G ∪ S)′| = 8

Conjuntos y diagramas de Venn: A ∪ B contiene los elementos que están en A o en B (o en ambos), A ∩ B los elementos que están en ambos, A − B los elementos de A que no están en B, y el complemento A′ todo lo de U que no está en A. En un diagrama de Venn toda expresión de conjuntos es una unión de regiones, así que cuéntala región por región. Inclusión–exclusión: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|, y |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Centro y pares

F ∩ G ∩ S: 6
F ∩ G solo: 15 − 6 = 9
F ∩ S solo: 14 − 6 = 8
G ∩ S solo: 11 − 6 = 5

Conjuntos sueltos

F solo: 29 − 9 − 8 − 6 = 6
G solo: 23 − 9 − 5 − 6 = 3
S solo: 22 − 8 − 5 − 6 = 3

Respuesta

|F ∪ G ∪ S| = 40
|(F ∪ G ∪ S)′| = 48 − 40 = 8

Respuesta

|(F ∪ G ∪ S)′| = 8
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: (f ∘ g)(5) = 2

Funciones y recuento: una función f: A → B da a cada elemento de A exactamente una imagen en B. f es inyectiva (uno a uno) cuando elementos distintos tienen imágenes distintas, sobreyectiva cuando todo elemento de B es una imagen, y biyectiva cuando se cumplen ambas. Con |A| = m y |B| = n hay nᵐ funciones, n!/(n − m)! inyectivas (m ≤ n) y, por inclusión–exclusión, Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ sobreyectivas. |𝒫(A)| = 2ᵐ y |A × B| = m·n.

Función interior

g(5) = 4

Función exterior

f(4) = 2
(f ∘ g)(5) = 2

Respuesta

(f ∘ g)(5) = 2
5.Teoría de grafos

Respuesta: H = 360

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.

Contar

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

Respuesta

H = 360
6.Teoría de grafos

Respuesta: d(F) = 22

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: 12, C: 15
B (12): D: 13
D (13): E: 22, F: 22, G: 19
C (15): E: 20
G (19)
E (20)
F (22)

Camino más corto

A → B → D → F
d(F) = 22

Respuesta

d(F) = 22
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: x = 27

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 28

r = 41, t = 0
r = 28, q = 1, t = 1
r = 13, q = 2, t = −1
r = 2, q = 6, t = 3
r = 1, q = 2, t = −19
28−1 ≡ 22 (mod 41)

Resuelve

x ≡ 22·18 = 396 ≡ 27 (mod 41)
comprobación: 28·27 = 756 ≡ 18 (mod 41)

Respuesta

x = 27
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: c = 96

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

13 = 8 + 4 + 1
1591 ≡ 159 (mod 329)
1592 ≡ 277 (mod 329)
1594 ≡ 72 (mod 329)
1598 ≡ 249 (mod 329)
15913 ≡ 159·72·249 ≡ 96 (mod 329)

Texto cifrado

c = 96

Respuesta

c = 96

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