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
r ↔ ¬pr ∧ ¬p¬r ∨ ¬p¬r ↔ ¬p

¿Qué fórmula es lógicamente equivalente a ¬(r ↔ p)? Haz clic en ella.

¬(r ↔ p)
  1. 1r ↔ ¬p
  2. 2r ∧ ¬p
  3. 3¬r ∨ ¬p
  4. 4¬r ↔ ¬p
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
pqp ∧ q¬q

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

p ∨ q¬p
  1. 1p
  2. 2q
  3. 3p ∧ q
  4. 4¬q
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
ULTW

Una encuesta a 86 personas revela que 46 tienen un portátil (L), 38 una tableta (T) y 43 un reloj inteligente (W). 19 tienen L y T, 19 tienen L y W, 18 tienen T y W, y 5 tienen los tres. ¿Cuántos están solo en L?

|U| = 86
|L − (T ∪ W)| =
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil

¿Cuántas funciones sobreyectivas f: A → B hay si |A| = 5 y |B| = 3? Llama al número N.

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

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

3 × deg 54 × deg 2
L =
6.Teoría de grafosDifícil
14411151010812ABCDEF

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

Halla el inverso de 15 módulo 17: el número x con 0 < x < 17 y 15·x ≡ 1 (mod 17).

a = 15n = 17
15−1 mod 17 =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
mc = me​ mod n231m = cd​ mod n?(n, e) = (611, 13)d

Una clave RSA usa p = 13, q = 47 y e = 13. Descifra el texto cifrado c = 231: halla el mensaje m.

p = 13q = 47e = 13c = 231
m =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: r ↔ ¬p

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).

La ley

¬(a ↔ b) vale 1 exactamente cuando a y b difieren, que es a ↔ ¬b.
¬(r ↔ p) ≡ r ↔ ¬p

Comprueba con la tabla de verdad

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

Respuesta

r ↔ ¬p

Las columnas después de la barra son las opciones, en el orden mostrado.

2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: q

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

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

Conclusión

q (silogismo disyuntivo)

Respuesta

q
3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |L − (T ∪ W)| = 13

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

L ∩ T ∩ W: 5
L ∩ T solo: 19 − 5 = 14
L ∩ W solo: 19 − 5 = 14
T ∩ W solo: 18 − 5 = 13

Conjuntos sueltos

L solo: 46 − 14 − 14 − 5 = 13
T solo: 38 − 14 − 13 − 5 = 6
W solo: 43 − 14 − 13 − 5 = 11

Respuesta

|L − (T ∪ W)| = 13

Respuesta

|L − (T ∪ W)| = 13
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: N = 150

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 = C(3, 0)·35 − C(3, 1)·25 + C(3, 2)·15 = 150

Respuesta

N = 150
5.Teoría de grafos

Respuesta: L = 11

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 + 23 = 2(L + 7) − 2
L = 11

Respuesta

L = 11

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

6.Teoría de grafos

Respuesta: d(F) = 27

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: 14, C: 4
C (4): E: 19
B (14)
E (19): D: 29, F: 27
F (27)
D (29)

Camino más corto

A → C → E → F
d(F) = 27

Respuesta

d(F) = 27
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: 15−1 mod 17 = 8

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·15 (mod 17).

r = 17, t = 0
r = 15, q = 1, t = 1
r = 2, q = 7, t = −1
r = 1, q = 2, t = 8

Inversa

1 ≡ 8·15 (mod 17)
x = 8
comprobación: 15·8 = 120 = 7·17 + 1

Respuesta

15−1 mod 17 = 8
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: m = 569

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 = 611, φ(n) = 552
d = 13−1 mod 552 = 85

Descifra por cuadrado repetido

85 = 64 + 16 + 4 + 1
2311 ≡ 231 (mod 611)
2312 ≡ 204 (mod 611)
2314 ≡ 68 (mod 611)
2318 ≡ 347 (mod 611)
23116 ≡ 42 (mod 611)
23132 ≡ 542 (mod 611)
23164 ≡ 484 (mod 611)
23185 ≡ 231·68·42·484 ≡ 569 (mod 611)

Mensaje

m = 569
comprobación: 56913 mod 611 = 231

Respuesta

m = 569

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