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
¬c ∨ ¬a¬c ∧ ¬a¬c ∧ a¬c ∨ a

¿Qué fórmula es lógicamente equivalente a ¬(c ∧ a)? Haz clic en ella.

¬(c ∧ a)
  1. 1¬c ∨ ¬a
  2. 2¬c ∧ ¬a
  3. 3¬c ∧ a
  4. 4¬c ∨ a
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
pqrp → qr → qp → r111110101100011010001000

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

p → qr → q∴ p → r
  1. 1p = 1, q = 1, r = 1
  2. 2p = 1, q = 1, r = 0
  3. 3p = 1, q = 0, r = 1
  4. 4p = 1, q = 0, r = 0
  5. 5p = 0, q = 1, r = 1
  6. 6p = 0, q = 1, r = 0
  7. 7p = 0, q = 0, r = 1
  8. 8p = 0, q = 0, r = 0
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, 2), (1, 4), (2, 2), (2, 4), (3, 1), (3, 2), (3, 4), (4, 2), (4, 4)}
  1. 1reflexiva
  2. 2simétrica
  3. 3antisimétrica
  4. 4transitiva
4.Conjuntos, relaciones y funcionesDifícil
AB123abinyectiva, no sobreyectivasobreyectiva, no inyectivabiyectivaninguna de las dos

El diagrama de flechas muestra una función f: A → B con A = {1, 2, 3} y B = {a, b}. Haz clic en la descripción que corresponde a f.

f = {(1, a), (2, a), (3, b)}
  1. 1inyectiva, no sobreyectiva
  2. 2sobreyectiva, no inyectiva
  3. 3biyectiva
  4. 4ninguna de las dos
5.Teoría de grafosMedia

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

3 × deg 42 × deg 53 × deg 2
L =
6.Teoría de grafosDifícil
12716611318ABCDE

El algoritmo de Kruskal construye un árbol generador mínimo. Haz clic en la arista que añade como arista número 4; las aristas descartadas no cuentan.

k = 4
  1. 1arista AB
  2. 2arista AC
  3. 3arista BC
  4. 4arista BD
  5. 5arista CE
  6. 6arista DE
  7. 7arista BE
7.Teoría de números y aritmética modularMedia

Resuelve 38x ≡ 35 (mod 59). Da la solución x con 0 < x < 59.

38x ≡ 35 (mod 59)
x =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (2021, 5)d = ?

Una clave RSA usa los primos p = 43 y q = 47 y el exponente público e = 5. Halla el exponente privado d (0 < d < φ(n)).

p = 43q = 47e = 5
d =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: ¬c ∨ ¬a

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

De Morgan: ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b. El ∧ se convierte en ∨ y se niegan ambas partes.
¬(c ∧ a) ≡ ¬c ∨ ¬a

Comprueba con la tabla de verdad

a = 1, c = 1: 0 | 0 0 0 1
a = 1, c = 0: 1 | 1 0 1 1
a = 0, c = 1: 1 | 1 0 0 0
a = 0, c = 0: 1 | 1 1 0 1

Respuesta

¬c ∨ ¬a

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

2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: p = 1, q = 1, r = 0

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

Contraejemplo

p = 1, q = 1, r = 0

Respuesta

p = 1, q = 1, r = 0

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: transitiva

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

falla: (1, 1) ∉ R

simétrica

falla: (1, 2) ∈ R, (2, 1) ∉ R

antisimétrica

falla: (2, 4), (4, 2) ∈ R

transitiva

se cumple

Respuesta

transitiva
4.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: sobreyectiva, no inyectiva

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.

¿Inyectiva?

f(1) = f(2) = a → no inyectiva

¿Sobreyectiva?

todo elemento de B recibe alguna flecha → sobreyectiva

Respuesta

sobreyectiva, no inyectiva

Respuesta

sobreyectiva, no inyectiva
5.Teoría de grafos

Respuesta: L = 14

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 + 28 = 2(L + 8) − 2
L = 14

Respuesta

L = 14

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

6.Teoría de grafos

Respuesta: arista AB

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

1. CE (1)
2. BD (6)
3. AC (7)
4. AB (12)

arista número 4

AB

Respuesta

arista AB
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: x = 18

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 38

r = 59, t = 0
r = 38, q = 1, t = 1
r = 21, q = 1, t = −1
r = 17, q = 1, t = 2
r = 4, q = 4, t = −3
r = 1, q = 4, t = 14
38−1 ≡ 14 (mod 59)

Resuelve

x ≡ 14·35 = 490 ≡ 18 (mod 59)
comprobación: 38·18 = 684 ≡ 35 (mod 59)

Respuesta

x = 18
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: d = 773

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.

Módulo y función φ

n = 43·47 = 2021
φ(n) = 42·46 = 1932

Algoritmo de Euclides extendido

r = 1932, t = 0
r = 5, q = 386, t = 1
r = 2, q = 2, t = −386
r = 1, q = 2, t = 773

Exponente privado

d = 773
comprobación: 5·773 = 3865 = 2·1932 + 1

Respuesta

d = 773

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