Mathématiques discrètes : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 8 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Logique propositionnelle et preuves

Lignes d’une table de vérité
2ⁿ
Implication
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Implication niée
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Équivalence
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Lois de distributivité
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Quantificateurs niés
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Méthode

  1. Comptez les variables distinctes : la table de vérité a 2ⁿ lignes, la première avec toutes les variables à 1.
  2. Donnez à chaque sous-formule sa propre colonne et remplissez les colonnes de l’intérieur vers l’extérieur.
  3. Appliquez la règle de chaque connecteur : → n’est 0 que pour 1 → 0, ↔ vaut 1 quand les deux côtés sont égaux.
  4. Pour des équivalences, comparez les colonnes finales ligne par ligne ; pour un raisonnement, regardez seulement les lignes où toutes les prémisses valent 1.
  5. Pour nier un énoncé quantifié, faites passer ¬ vers l’intérieur, échangez ∀ et ∃, et niez la formule intérieure.

Ensembles, relations et fonctions

Deux ensembles
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Trois ensembles
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Différence et complémentaire
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Ensemble des parties et produit
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Sous-ensembles de taille k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Fonctions A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relations sur n éléments
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Composition
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Méthode

  1. Dessinez un diagramme de Venn et décidez région par région ce qui appartient à l’expression ensembliste.
  2. Pour les problèmes de dénombrement, remplissez les régions du centre vers l’extérieur : tous les ensembles, puis les paires, puis les ensembles seuls, puis l’extérieur.
  3. Utilisez le principe d’inclusion-exclusion comme vérification : |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Pour une relation, testez chaque propriété sur chaque paire et donnez un contre-exemple quand elle échoue.
  5. Pour une fonction, comptez les flèches qui arrivent à chaque élément de B : au plus une signifie injective, au moins une surjective.

Théorie des graphes

Lemme des poignées de main
Σ deg(v) = 2|E|
Graphes complets
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Graphe régulier
|E| = n·k/2
Arbre et forêt
|E| = n − 1, |E| = n − c
Feuilles d’un arbre
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
circuit : tous les degrés pairs ; chemin : exactement 2 degrés impairs
Circuits hamiltoniens dans Kn
(n − 1)!/2
Mise à jour de Dijkstra
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Marches de longueur L
(Mᴸ)ij

Méthode

  1. Notez le degré de chaque sommet ; la somme des degrés vaut deux fois le nombre d’arêtes.
  2. Pour les questions d’Euler, vérifiez que le graphe est connexe et comptez les sommets de degré impair.
  3. Pour les arbres, utilisez n − 1 arêtes et le lemme des poignées de main.
  4. Pour Dijkstra, tenez un tableau des distances provisoires et fixez à chaque tour le sommet non fixé de plus petite distance.
  5. Pour un arbre couvrant minimal, triez les arêtes par poids et sautez toute arête qui ferme un cycle (Kruskal), ou faites croître un arbre à partir d’un sommet de départ (Prim).

Théorie des nombres et arithmétique modulaire

Division avec reste
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclide
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Plus petit commun multiple
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inverse
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Congruence linéaire
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Indicatrice d’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

Méthode

  1. Réduisez d’abord chaque nombre modulo n ; les restes sont compris entre 0 et n − 1.
  2. Pour un pgcd, divisez plusieurs fois avec l’algorithme d’Euclide ; le dernier reste non nul est le pgcd.
  3. Pour un inverse, appliquez l’algorithme étendu et gardez le coefficient de a ; ajoutez n s’il est négatif.
  4. Résolvez a·x ≡ b en multipliant par a⁻¹ ; combinez deux congruences en écrivant x = r₁ + m₁k.
  5. Pour les puissances, écrivez l’exposant en binaire et élevez au carré à répétition ; en RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) avec φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Exercices

1.Logique propositionnelle et preuvesMoyen
tautologiecontradictioncontingence

((b → c) ∧ ¬c) → ¬b est-elle une tautologie, une contradiction ou une contingence ? Cliquez sur votre réponse.

((b → c) ∧ ¬c) → ¬b
  1. 1tautologie
  2. 2contradiction
  3. 3contingence
2.Logique propositionnelle et preuvesDifficile
∃x ∀y ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)∃x ∃y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)

Quel énoncé est équivalent à ¬∃x ∀y R(x, y), la négation étant passée complètement à l’intérieur ? Cliquez dessus.

¬∃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.Ensembles, relations et fonctionsMoyen
UFG3

Dans un groupe de 41 étudiants, 18 parlent français (F), 12 parlent allemand (G) et 3 parlent les deux. Combien sont dans exactement un des deux ensembles ?

|U| = 41|F| = 18|G| = 12|F ∩ G| = 3
|(F − G) ∪ (G − F)| =
4.Ensembles, relations et fonctionsDifficile
AB123abcinjective, non surjectivesurjective, non injectivebijectiveni l’une ni l’autre

Le diagramme sagittal montre une fonction f: A → B avec A = {1, 2, 3} et B = {a, b, c}. Cliquez sur la description qui convient à f.

f = {(1, c), (2, b), (3, a)}
  1. 1injective, non surjective
  2. 2surjective, non injective
  3. 3bijective
  4. 4ni l’une ni l’autre
5.Théorie des graphesMoyen

Un graphe connexe a 8 sommets et 13 arêtes. Combien d’arêtes k faut-il retirer pour obtenir un arbre couvrant ?

|V| = 8|E| = 13
k =
6.Théorie des graphesDifficile
1231111058149ABCDEFG

Trouvez le poids total W d’un arbre couvrant minimal du graphe pondéré.

|V| = 7|E| = 9
W =
7.Théorie des nombres et arithmétique modulaireMoyen

Trouvez l’inverse de 21 modulo 41 : le nombre x avec 0 < x < 41 et 21·x ≡ 1 (mod 41).

a = 21n = 41
21−1 mod 41 =
8.Théorie des nombres et arithmétique modulaireDifficile
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (205, 3)d = ?

Une clé RSA utilise les nombres premiers p = 5 et q = 41 et l’exposant public e = 3. Trouvez l’exposant privé d (0 < d < φ(n)).

p = 5q = 41e = 3
d =

3Solutions

1.Logique propositionnelle et preuves

Réponse: tautologie

Équivalence logique : deux formules sont équivalentes (≡) quand elles ont la même valeur dans chaque ligne de la table de vérité. Une tautologie vaut 1 dans toutes les lignes, une contradiction 0 dans toutes les lignes, et une contingence n’est ni l’une ni l’autre. Lois utiles : De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b et ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b ; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (contraposée) ; ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b ; et les lois de distributivité, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Table de vérité ligne par ligne

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

Classer

((b → c) ∧ ¬c) → ¬b: 1, 1, 1, 1
1 dans toutes les lignes : une tautologie.

Réponse

tautologie
2.Logique propositionnelle et preuves

Réponse: ∀x ∃y ¬R(x, y)

Quantificateurs et raisonnements : ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) et ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Faites passer une négation vers l’intérieur, échangez chaque quantificateur qu’elle traverse, et niez la formule intérieure avec les lois propositionnelles, comme ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Un raisonnement est valide quand la conclusion vaut 1 dans toutes les lignes où toutes les prémisses valent 1. Une seule ligne avec des prémisses vraies et une conclusion fausse est un contre-exemple et montre que le raisonnement est invalide.

Faire passer la négation vers l’intérieur

¬∃x ∀y R(x, y) ≡ ∀x ∃y ¬R(x, y)

Réponse

∀x ∃y ¬R(x, y)

Les autres options laissent un quantificateur inchangé, changent l’ordre des quantificateurs, ou nient mal la formule intérieure.

3.Ensembles, relations et fonctions

Réponse: |(F − G) ∪ (G − F)| = 24

Ensembles et diagrammes de Venn : A ∪ B contient les éléments de A ou de B (ou des deux), A ∩ B les éléments des deux, A − B les éléments de A qui ne sont pas dans B, et le complémentaire A′ tout ce qui est dans U sans être dans A. Dans un diagramme de Venn, toute expression ensembliste est une réunion de régions, donc dénombre-la région par région. Inclusion-exclusion : |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|, et |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Régions

F ∩ G: 3
F − G: 18 − 3 = 15
G − F: 12 − 3 = 9
(F ∪ G)′: 41 − (15 + 9 + 3) = 14

Réponse

|(F − G) ∪ (G − F)| = 24

Réponse

|(F − G) ∪ (G − F)| = 24
4.Ensembles, relations et fonctions

Réponse: bijective

Fonctions et dénombrement : une fonction f: A → B donne à chaque élément de A exactement une image dans B. f est injective quand des éléments différents ont des images différentes, surjective quand tout élément de B est une image, et bijective quand les deux sont vraies. Avec |A| = m et |B| = n il y a nᵐ fonctions, n!/(n − m)! fonctions injectives (m ≤ n), et par inclusion-exclusion Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ fonctions surjectives. |𝒫(A)| = 2ᵐ et |A × B| = m·n.

Injective ?

chaque élément de B est atteint au plus une fois → injective

Surjective ?

chaque élément de B est atteint → surjective

Réponse

bijective

Réponse

bijective
5.Théorie des graphes

Réponse: k = 6

Euler, Hamilton et arbres : un graphe connexe a un circuit eulérien (chaque arête une fois, retour au départ) quand tous les sommets ont un degré pair, et un chemin eulérien qui n’est pas un circuit quand exactement deux sommets ont un degré impair ; le chemin va alors d’un sommet impair à l’autre. Un circuit hamiltonien visite chaque sommet une fois ; Kn en a (n − 1)!/2. Un arbre à n sommets a n − 1 arêtes, et un graphe connexe à m arêtes conserve un arbre couvrant après suppression de m − n + 1 arêtes.

Arêtes d’un arbre couvrant

8 − 1 = 7

Arêtes à retirer

k = 13 − 7 = 6

Réponse

k = 6
6.Théorie des graphes

Réponse: W = 39

Plus courts chemins et arbres couvrants : l’algorithme de Dijkstra fixe un sommet par tour : le sommet non fixé de plus petite distance provisoire. Sa distance est alors définitive, et chaque voisin v reçoit d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). L’algorithme de Kruskal construit un arbre couvrant minimal en prenant les arêtes de la plus légère à la plus lourde et en sautant toute arête qui fermerait un cycle ; l’algorithme de Prim fait croître un arbre à partir d’un sommet de départ en ajoutant toujours l’arête la plus légère qui en sort. Un arbre couvrant à n sommets a n − 1 arêtes.

Algorithme de Kruskal

CE (1): prise
BC (3): prise
DF (5): prise
GB (8): prise
GE (9): sautée, ferme un cycle
DE (10): prise
BD (11): sautée, ferme un cycle
AC (12): prise

Poids total

W = 1 + 3 + 5 + 8 + 10 + 12 = 39

Réponse

W = 39
7.Théorie des nombres et arithmétique modulaire

Réponse: 21−1 mod 41 = 2

Inverses et congruences : a a un inverse modulo n exactement quand pgcd(a, n) = 1. L’algorithme d’Euclide étendu écrit 1 = s·n + t·a, et alors a⁻¹ ≡ t (mod n). Une congruence a·x ≡ b (mod n) avec pgcd(a, n) = 1 a pour solution x ≡ a⁻¹·b. Deux congruences x ≡ r₁ (mod m₁) et x ≡ r₂ (mod m₂) à modules premiers entre eux ont une solution modulo m₁·m₂ (théorème des restes chinois). L’indicatrice d’Euler φ(n) compte les nombres de 1 à n premiers avec n : φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Algorithme d’Euclide étendu

Chaque reste r s’écrit r ≡ t·21 (mod 41).

r = 41, t = 0
r = 21, q = 1, t = 1
r = 20, q = 1, t = −1
r = 1, q = 20, t = 2

Inverse

1 ≡ 2·21 (mod 41)
x = 2
vérification: 21·2 = 42 = 1·41 + 1

Réponse

21−1 mod 41 = 2
8.Théorie des nombres et arithmétique modulaire

Réponse: d = 107

Puissances modulaires et RSA : calculez aᵏ mod n par carrés répétés : écrivez k en binaire, élevez au carré, réduisez après chaque étape et multipliez les puissances dont le bit vaut 1. Fermat : aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) pour un nombre premier p ne divisant pas a, donc l’exposant peut être réduit modulo p − 1. RSA : choisissez des nombres premiers p et q, n = p·q et φ(n) = (p − 1)(q − 1) ; l’exposant public e est premier avec φ(n), et l’exposant privé est d = e⁻¹ mod φ(n). Chiffre avec c = mᵉ mod n et déchiffrez avec m = cᵈ mod n.

Module et indicatrice

n = 5·41 = 205
φ(n) = 4·40 = 160

Algorithme d’Euclide étendu

r = 160, t = 0
r = 3, q = 53, t = 1
r = 1, q = 3, t = −53

Exposant privé

d = 107
vérification: 3·107 = 321 = 2·160 + 1

Réponse

d = 107

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