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
tautologíacontradiccióncontingencia

¿Es (c ∨ a) ∧ (¬c ∧ ¬a) una tautología, una contradicción o una contingencia? Haz clic en tu respuesta.

(c ∨ a) ∧ (¬c ∧ ¬a)
  1. 1tautología
  2. 2contradicción
  3. 3contingencia
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil

¿Cuántas de las 16 filas de la tabla de verdad hacen verdadera ¬((¬b → c) ∧ b) → (d ∨ a)? Llama a ese número N.

¬((¬b → c) ∧ b) → (d ∨ a)
N =
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
UFG2

En un grupo de 60 estudiantes, 29 hablan francés (F), 32 hablan alemán (G) y 2 hablan ambos. ¿Cuántos no están en ninguno de los dos conjuntos?

|U| = 60|F| = 29|G| = 32|F ∩ G| = 2
|(F ∪ G)′| =
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil

Una relación de equivalencia R en {1, …, 6} tiene las clases {3, 4, 6}, {5}, {1, 2}. ¿Cuántos pares ordenados contiene R? Llama al número |R|.

{3, 4, 6}{5}{1, 2}
|R| =
5.Teoría de grafosMedia

¿Cuántos circuitos de Hamilton distintos, H, tiene el grafo completo K6? Los circuitos que solo difieren en el vértice inicial o en el sentido cuentan como el mismo.

K6
H =
6.Teoría de grafosDifícil
38674181ABCDE

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

|V| = 5|E| = 7
W =
7.Teoría de números y aritmética modularMedia

Halla el inverso de 36 módulo 79: el número x con 0 < x < 79 y 36·x ≡ 1 (mod 79).

a = 36n = 79
36−1 mod 79 =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
mc = me​ mod n31m = cd​ mod n?(n, e) = (301, 19)d

Una clave RSA usa p = 7, q = 43 y e = 19. Descifra el texto cifrado c = 31: halla el mensaje m.

p = 7q = 43e = 19c = 31
m =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: contradicción

Equivalencia lógica: dos fórmulas son equivalentes (≡) cuando tienen el mismo valor en todas las filas de la tabla de verdad. Una tautología vale 1 en todas las filas, una contradicción vale 0 en todas las filas, y una contingencia no es ninguna de las dos. Leyes útiles: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b y ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (contrarrecíproca); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; y las leyes distributivas, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Tabla de verdad fila por fila

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

Clasifica

(c ∨ a) ∧ (¬c ∧ ¬a): 0, 0, 0, 0
0 en todas las filas: una contradicción.

Respuesta

contradicción
2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: N = 14

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.

Columnas

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

Divide según a

a = 1: 8
a = 0: 6
N = 8 + 6 = 14

Respuesta

N = 14
3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |(F ∪ G)′| = 1

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: 2
F − G: 29 − 2 = 27
G − F: 32 − 2 = 30
(F ∪ G)′: 60 − (27 + 30 + 2) = 1

Respuesta

|(F ∪ G)′| = 1

Respuesta

|(F ∪ G)′| = 1
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |R| = 14

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.

Pares por clase

|R| = 3² + 1² + 2² = 14

Respuesta

|R| = 14
5.Teoría de grafos

Respuesta: H = 60

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 = (6 − 1)!/2 = 120/2 = 60

Respuesta

H = 60
6.Teoría de grafos

Respuesta: W = 15

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

BE (1): tomar
AB (3): tomar
CE (4): tomar
BC (6): descartar, cierra un ciclo
BD (7): tomar

Peso total

W = 1 + 3 + 4 + 7 = 15

Respuesta

W = 15
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: 36−1 mod 79 = 11

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).

Algoritmo de Euclides extendido

Cada resto r se escribe como r ≡ t·36 (mod 79).

r = 79, t = 0
r = 36, q = 2, t = 1
r = 7, q = 5, t = −2
r = 1, q = 7, t = 11

Inversa

1 ≡ 11·36 (mod 79)
x = 11
comprobación: 36·11 = 396 = 5·79 + 1

Respuesta

36−1 mod 79 = 11
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: m = 38

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 privado

n = 301, φ(n) = 252
d = 19−1 mod 252 = 199

Descifra por cuadrado repetido

199 = 128 + 64 + 4 + 2 + 1
311 ≡ 31 (mod 301)
312 ≡ 58 (mod 301)
314 ≡ 53 (mod 301)
318 ≡ 100 (mod 301)
3116 ≡ 67 (mod 301)
3132 ≡ 275 (mod 301)
3164 ≡ 74 (mod 301)
31128 ≡ 58 (mod 301)
31199 ≡ 31·58·53·74·58 ≡ 38 (mod 301)

Mensaje

m = 38
comprobación: 3819 mod 301 = 31

Respuesta

m = 38

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