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
abca → ca ∨ (a → c)(c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c))111?110?101?100?011?010?001?000?

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

(c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c))
N =
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
prp → rrp11100100

El argumento con premisas p → r; r y conclusión p no es válido. Haz clic en la fila de la tabla de verdad que es un contraejemplo.

p → rr∴ p
  1. 1p = 1, r = 1
  2. 2p = 1, r = 0
  3. 3p = 0, r = 1
  4. 4p = 0, r = 0
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
UFG11

En un grupo de 75 estudiantes, 38 hablan francés (F), 41 hablan alemán (G) y 11 hablan ambos. ¿Cuántos están en al menos uno de los dos conjuntos?

|U| = 75|F| = 38|G| = 41|F ∩ G| = 11
|F ∪ G| =
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil

¿Cuántas funciones f: A → B hay si |A| = 3 y |B| = 2? Llama al número N.

|A| = 3|B| = 2
N =
5.Teoría de grafosMedia

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

3 × deg 33 × deg 42 × deg 5
L =
6.Teoría de grafosDifícil
13203512174ABCDEF

Halla el peso total W de un árbol generador mínimo del grafo ponderado.

|V| = 6|E| = 8
W =
7.Teoría de números y aritmética modularMedia

Halla el menor entero positivo x con x ≡ 1 (mod 4) y x ≡ 7 (mod 9).

x ≡ 1 (mod 4)x ≡ 7 (mod 9)
x =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil

Usa el cuadrado repetido para hallar 5851 mod 73.

a = 58k = 51n = 73
5851 mod 73 =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: N = 4

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

a = 1, b = 1, c = 1: ¬b = 0, c ↔ ¬b = 0, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 0
a = 1, b = 1, c = 0: ¬b = 0, c ↔ ¬b = 1, a → c = 0, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 1
a = 1, b = 0, c = 1: ¬b = 1, c ↔ ¬b = 1, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 1
a = 1, b = 0, c = 0: ¬b = 1, c ↔ ¬b = 0, a → c = 0, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 0
a = 0, b = 1, c = 1: ¬b = 0, c ↔ ¬b = 0, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 0
a = 0, b = 1, c = 0: ¬b = 0, c ↔ ¬b = 1, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 1
a = 0, b = 0, c = 1: ¬b = 1, c ↔ ¬b = 1, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 1
a = 0, b = 0, c = 0: ¬b = 1, c ↔ ¬b = 0, a → c = 1, a ∨ (a → c) = 1, (c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)) = 0

Cuenta las filas con valor 1

(c ↔ ¬b) ∧ (a ∨ (a → c)): 0, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0
N = 4

Respuesta

N = 4
2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: p = 0, r = 1

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.

Premisas y conclusión fila por fila

p = 1, r = 1: 1 1 | 1
p = 1, r = 0: 0 0 | 1
p = 0, r = 1: 1 1 | 0
p = 0, r = 0: 1 0 | 0

Contraejemplo

p = 0, r = 1

Respuesta

p = 0, r = 1

Un argumento con esta forma parece una regla válida, pero una sola fila basta para demostrar que no lo es.

3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |F ∪ G| = 68

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|.

Regiones

F ∩ G: 11
F − G: 38 − 11 = 27
G − F: 41 − 11 = 30
(F ∪ G)′: 75 − (27 + 30 + 11) = 7

Respuesta

|F ∪ G| = 68

Respuesta

|F ∪ G| = 68
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: N = 8

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.

Contar

N = 23 = 8

Respuesta

N = 8
5.Teoría de grafos

Respuesta: L = 17

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 + 31 = 2(L + 8) − 2
L = 17

Respuesta

L = 17

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

6.Teoría de grafos

Respuesta: W = 28

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.

Algoritmo de Kruskal

DE (1): tomar
BC (3): tomar
BE (4): tomar
BD (5): descartar, cierra un ciclo
DF (7): tomar
CE (12): descartar, cierra un ciclo
AB (13): tomar

Peso total

W = 1 + 3 + 4 + 7 + 13 = 28

Respuesta

W = 28
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: x = 25

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).

Primera congruencia

x = 1 + 4k

Segunda congruencia

1 + 4k ≡ 7 (mod 9) → 4k ≡ 6 (mod 9)
k ≡ 7·6 ≡ 6 (mod 9)

Resultado

x = 1 + 4·6 = 25
x = 25
comprobación: 25 mod 4 = 1, 25 mod 9 = 7

Respuesta

x = 25
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: 5851 mod 73 = 7

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.

Exponente en binario

51 = 1100112 = 32 + 16 + 2 + 1

Cuadrado repetido

581 ≡ 58 (mod 73)
582 ≡ 6 (mod 73)
584 ≡ 36 (mod 73)
588 ≡ 55 (mod 73)
5816 ≡ 32 (mod 73)
5832 ≡ 2 (mod 73)

Multiplica las potencias necesarias

5851 ≡ 58·6·32·2 ≡ 7 (mod 73)

Respuesta

5851 mod 73 = 7

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