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
¬(p ∨ r) → ¬q(p ∨ r) → qq ∧ ¬(p ∨ r)¬q → ¬(p ∨ r)

Quieres demostrar q → (p ∨ r) por contrarrecíproca. ¿Qué implicación demuestras en su lugar? Haz clic en ella.

q → (p ∨ r)
  1. 1¬(p ∨ r) → ¬q
  2. 2(p ∨ r) → q
  3. 3q ∧ ¬(p ∨ r)
  4. 4¬q → ¬(p ∨ r)
2.Lógica proposicional y demostracionesDifícil
∀x ∀y ¬R(x, y)∃x ∃y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)

¿Qué enunciado es equivalente a ¬∃x ∀y R(x, y), con la negación desplazada hasta el interior? Haz clic en él.

¬∃x ∀y R(x, y)
  1. 1∀x ∀y ¬R(x, y)
  2. 2∃x ∃y ¬R(x, y)
  3. 3∀x ∃y ¬R(x, y)
  4. 4∃x ∀y ¬R(x, y)
3.Conjuntos, relaciones y funcionesMedia
UMPC

De 50 estudiantes de primer curso, 31 aprobaron Matemáticas (M), 17 aprobaron Física (P) y 15 aprobaron Química (C). 12 aprobaron M y P, 12 aprobaron M y C, 6 aprobaron P y C, y 5 aprobaron las tres. ¿Cuántos no están en ninguno de los tres conjuntos?

|U| = 50
|(M ∪ P ∪ C)′| =
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, b), (3, b)}
  1. 1inyectiva, no sobreyectiva
  2. 2sobreyectiva, no inyectiva
  3. 3biyectiva
  4. 4ninguna de las dos
5.Teoría de grafosMedia

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

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

¿Cuántos recorridos de longitud 2 van de D a C? Un recorrido puede repetir vértices y aristas. Llama al número N.

M = matriz de adyacenciaL = 2
N =
7.Teoría de números y aritmética modularMedia

Halla el menor entero positivo x con x ≡ 3 (mod 5) y x ≡ 6 (mod 11).

x ≡ 3 (mod 5)x ≡ 6 (mod 11)
x =
8.Teoría de números y aritmética modularDifícil
40c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (301, 17)d

Cifra el mensaje m = 40 con la clave pública RSA (n, e) = (301, 17). Halla el texto cifrado c.

n = 301e = 17m = 40
c =

3Disoluciones

1.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: ¬(p ∨ r) → ¬q

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).

Partes de la implicación

a = q, b = p ∨ r

Contrarrecíproca

¬b → ¬a = ¬(p ∨ r) → ¬q

Respuesta

¬(p ∨ r) → ¬q

La contrarrecíproca es equivalente al enunciado original, así que demostrarla demuestra el enunciado.

2.Lógica proposicional y demostraciones

Respuesta: ∀x ∃y ¬R(x, y)

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.

Desplaza la negación hacia dentro

¬∃x ∀y R(x, y) ≡ ∀x ∃y ¬R(x, y)

Respuesta

∀x ∃y ¬R(x, y)

Las otras opciones dejan un cuantificador sin cambiar, cambian el orden de los cuantificadores o niegan mal la fórmula interior.

3.Conjuntos, relaciones y funciones

Respuesta: |(M ∪ P ∪ C)′| = 12

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

M ∩ P ∩ C: 5
M ∩ P solo: 12 − 5 = 7
M ∩ C solo: 12 − 5 = 7
P ∩ C solo: 6 − 5 = 1

Conjuntos sueltos

M solo: 31 − 7 − 7 − 5 = 12
P solo: 17 − 7 − 1 − 5 = 4
C solo: 15 − 7 − 1 − 5 = 2

Respuesta

|M ∪ P ∪ C| = 38
|(M ∪ P ∪ C)′| = 50 − 38 = 12

Respuesta

|(M ∪ P ∪ C)′| = 12
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(2) = f(3) = b → 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: N = 2

Grados: el grado de un vértice es el número de aristas que inciden en él. Cada arista tiene dos extremos, así que los grados suman el doble del número de aristas: Σ gr(v) = 2|E| (el lema del apretón de manos). Por tanto, el número de vértices de grado impar es par. Kn tiene n(n − 1)/2 aristas, un grafo k-regular de n vértices tiene nk/2, y un árbol de n vértices tiene n − 1 aristas.

Matriz de adyacencia

A: 0 1 1 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 1 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

Vecinos comunes

(M²)DC = 0·1 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 1·1 + 1·0 = 2

Respuesta

N = 2
7.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: x = 28

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 = 3 + 5k

Segunda congruencia

3 + 5k ≡ 6 (mod 11) → 5k ≡ 3 (mod 11)
k ≡ 9·3 ≡ 5 (mod 11)

Resultado

x = 3 + 5·5 = 28
x = 28
comprobación: 28 mod 5 = 3, 28 mod 11 = 6

Respuesta

x = 28
8.Teoría de números y aritmética modular

Respuesta: c = 17

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

17 = 16 + 1
401 ≡ 40 (mod 301)
402 ≡ 95 (mod 301)
404 ≡ 296 (mod 301)
408 ≡ 25 (mod 301)
4016 ≡ 23 (mod 301)
4017 ≡ 40·23 ≡ 17 (mod 301)

Texto cifrado

c = 17

Respuesta

c = 17

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