Matematica discreta: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Logica proposizionale e dimostrazioni

Righe di una tabella di verità
2ⁿ
Implicazione
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Implicazione negata
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Doppia implicazione
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Leggi distributive
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Quantificatori negati
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Metodo

  1. Conta le variabili distinte: la tabella di verità ha 2ⁿ righe, e la prima ha tutti i valori a 1.
  2. Assegna a ogni sottoformula una colonna propria e compila le colonne dall’interno verso l’esterno.
  3. Applica la regola di ogni connettivo: → vale 0 solo per 1 → 0, ↔ vale 1 quando i due lati coincidono.
  4. Per le equivalenze, confronta riga per riga le colonne finali; per un argomento, guarda solo le righe in cui ogni premessa vale 1.
  5. Per negare un enunciato quantificato, sposta ¬ verso l’interno, scambia ∀ e ∃ e nega la formula interna.

Insiemi, relazioni e funzioni

Due insiemi
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Tre insiemi
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Differenza e complementare
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Insieme delle parti e prodotto cartesiano
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Sottoinsiemi di k elementi
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funzioni A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relazioni su n elementi
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Composizione
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Metodo

  1. Disegna un diagramma di Venn e decidi regione per regione che cosa appartiene all’espressione insiemistica.
  2. Nei problemi di conteggio, riempi le regioni dal centro verso l’esterno: prima tutti gli insiemi, poi le coppie, poi i singoli insiemi, infine l’esterno.
  3. Usa il principio di inclusione-esclusione come verifica: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Per una relazione, verifica ogni proprietà su ogni coppia e fornisci un controesempio quando non vale.
  5. Per una funzione, conta le frecce che arrivano a ciascun elemento di B: al più una significa iniettiva, almeno una suriettiva.

Teoria dei grafi

Lemma delle strette di mano
Σ deg(v) = 2|E|
Grafi completi
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Grafo regolare
|E| = n·k/2
Albero e foresta
|E| = n − 1, |E| = n − c
Foglie di un albero
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Eulero
circuito: tutti i gradi pari; cammino: esattamente 2 gradi dispari
Cicli hamiltoniani in Kn
(n − 1)!/2
Aggiornamento di Dijkstra
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Cammini di lunghezza L
(Mᴸ)ij

Metodo

  1. Scrivi il grado di ogni vertice; la somma dei gradi è il doppio del numero di lati.
  2. Nelle domande su Eulero, verifica che il grafo sia connesso e conta i vertici di grado dispari.
  3. Per gli alberi, usa n − 1 lati e il lemma delle strette di mano.
  4. Per Dijkstra, tieni una tabella delle distanze provvisorie e a ogni passo fissa il vertice non ancora fissato con la distanza minima.
  5. Per un albero di copertura minimo, ordina i lati per peso e salta ogni lato che chiude un ciclo (Kruskal), oppure fai crescere un solo albero a partire da un vertice iniziale (Prim).

Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Divisione con resto
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclide
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Minimo comune multiplo
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inversa
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Congruenza lineare
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Funzione φ di Eulero
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

Metodo

  1. Riduci prima ogni numero modulo n; i resti sono compresi tra 0 e n − 1.
  2. Per un MCD, dividi ripetutamente con l’algoritmo di Euclide; l’ultimo resto diverso da zero è il MCD.
  3. Per un inverso, esegui l’algoritmo esteso e tieni il coefficiente di a; aggiungi n se è negativo.
  4. Risolvi a·x ≡ b moltiplicando per a⁻¹; combina due congruenze scrivendo x = r₁ + m₁k.
  5. Per le potenze, scrivi l’esponente in binario ed eleva al quadrato ripetutamente; in RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) con φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Esercizi

1.Logica proposizionale e dimostrazioniMedia
(r ∧ p) ∧ ¬¬q¬(r ∧ p) ∧ ¬¬q¬(r ∧ p) ∧ ¬q¬(r ∧ p) → ¬¬q

Vuoi dimostrare (r ∧ p) → ¬q per assurdo. Quale enunciato assumi all’inizio? Clicca su di esso.

(r ∧ p) → ¬q
  1. 1(r ∧ p) ∧ ¬¬q
  2. 2¬(r ∧ p) ∧ ¬¬q
  3. 3¬(r ∧ p) ∧ ¬q
  4. 4¬(r ∧ p) → ¬¬q
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile
∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))

Quale enunciato è equivalente a ¬∀x (A(x) ∨ B(x)), con la negazione spostata fino in fondo all’interno? Clicca su di esso.

¬∀x (A(x) ∨ B(x))
  1. 1∀x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
  2. 2∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))
  3. 3∀x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
  4. 4∃x (¬A(x) ∨ ¬B(x))
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
ULTW

Un sondaggio su 57 persone rileva che 33 possiedono un portatile (L), 24 un tablet (T) e 35 uno smartwatch (W). 12 possiedono L e T, 16 possiedono L e W, 13 possiedono T e W, e 5 possiedono tutti e tre. Quanti stanno solo in L?

|U| = 57
|L − (T ∪ W)| =
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile
AB1234abcdiniettiva, non suriettivasuriettiva, non iniettivabiiettivanessuna delle due

Il diagramma a frecce mostra una funzione f: A → B con A = {1, 2, 3, 4} e B = {a, b, c, d}. Clicca la descrizione che si adatta a f.

f = {(1, c), (2, c), (3, c), (4, b)}
  1. 1iniettiva, non suriettiva
  2. 2suriettiva, non iniettiva
  3. 3biiettiva
  4. 4nessuna delle due
5.Teoria dei grafiMedia

Un grafo connesso ha 16 vertici e 20 lati. Quanti lati k vanno tolti per ottenere un albero di copertura?

|V| = 16|E| = 20
k =
6.Teoria dei grafiDifficile
12101454684ABCDEF

Usa l’algoritmo di Dijkstra per trovare la lunghezza d(D) del cammino minimo da A a D nel grafo pesato.

partenza: Aarrivo: D
d(D) =
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulareMedia

Trova il più piccolo intero positivo x con x ≡ 5 (mod 8) e x ≡ 1 (mod 13).

x ≡ 5 (mod 8)x ≡ 1 (mod 13)
x =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile

Usa il quadrato ripetuto per trovare 1482 mod 19.

a = 14k = 82n = 19
1482 mod 19 =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: (r ∧ p) ∧ ¬¬q

Equivalenza logica: due formule sono equivalenti (≡) quando hanno lo stesso valore in ogni riga della tabella di verità. Una tautologia vale 1 in ogni riga, una contraddizione vale 0 in ogni riga, e una contingenza non è né l’una né l’altra. Leggi utili: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b e ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (contronominale); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; e le leggi distributive, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Parti dell’implicazione

a = r ∧ p, b = ¬q

Negazione dell’implicazione

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = (r ∧ p) ∧ ¬¬q

Risposta

(r ∧ p) ∧ ¬¬q

Se l’ipotesi porta a una contraddizione, l’implicazione deve essere vera.

2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

Quantificatori e argomenti: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) e ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Sposta una negazione verso l’interno, scambia ogni quantificatore che attraversa e nega la formula interna con le leggi proposizionali, come ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Un argomento è valido quando la conclusione vale 1 in ogni riga in cui tutte le premesse valgono 1. Una sola riga con premesse vere e conclusione falsa è un controesempio e mostra che l’argomento non è valido.

Sposta la negazione verso l’interno

¬∀x (A(x) ∨ B(x)) ≡ ∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

Risposta

∃x (¬A(x) ∧ ¬B(x))

Le altre opzioni lasciano invariato un quantificatore, cambiano l’ordine dei quantificatori oppure negano in modo errato la formula interna.

3.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: |L − (T ∪ W)| = 10

Insiemi e diagrammi di Venn: A ∪ B contiene gli elementi in A o in B (o in entrambi), A ∩ B gli elementi in entrambi, A − B gli elementi di A che non sono in B, e il complementare A′ tutto ciò che è in U e non in A. In un diagramma di Venn ogni espressione insiemistica è un’unione di regioni, quindi contala regione per regione. Inclusione-esclusione: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|, e |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Centro e coppie

L ∩ T ∩ W: 5
L ∩ T solo: 12 − 5 = 7
L ∩ W solo: 16 − 5 = 11
T ∩ W solo: 13 − 5 = 8

Insiemi singoli

L solo: 33 − 7 − 11 − 5 = 10
T solo: 24 − 7 − 8 − 5 = 4
W solo: 35 − 11 − 8 − 5 = 11

Risposta

|L − (T ∪ W)| = 10

Risposta

|L − (T ∪ W)| = 10
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: nessuna delle due

Funzioni e conteggio: una funzione f: A → B assegna a ogni elemento di A esattamente un’immagine in B. f è iniettiva (uno a uno) quando elementi diversi hanno immagini diverse, suriettiva (su) quando ogni elemento di B è un’immagine, e biiettiva quando valgono entrambe. Con |A| = m e |B| = n ci sono nᵐ funzioni, n!/(n − m)! iniettive (m ≤ n), e per inclusione-esclusione Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ suriettive. |𝒫(A)| = 2ᵐ e |A × B| = m·n.

Iniettiva?

f(1) = f(2) = c → non iniettiva

Suriettiva?

a, d non ricevono alcuna freccia → non suriettiva

Risposta

nessuna delle due

Risposta

nessuna delle due
5.Teoria dei grafi

Risposta: k = 5

Eulero, Hamilton e alberi: un grafo connesso ha un circuito euleriano (ogni lato una volta, di nuovo al punto di partenza) quando ogni vertice ha grado pari, e un cammino euleriano che non è un circuito quando esattamente due vertici hanno grado dispari; il cammino va allora da un vertice dispari all’altro. Un ciclo hamiltoniano visita ogni vertice una volta; Kn ne ha (n − 1)!/2. Un albero con n vertici ha n − 1 lati, e un grafo connesso con m lati mantiene un albero di copertura dopo aver tolto m − n + 1 lati.

Lati di un albero di copertura

16 − 1 = 15

Lati da togliere

k = 20 − 15 = 5

Risposta

k = 5
6.Teoria dei grafi

Risposta: d(D) = 17

Cammini minimi e alberi di copertura: l’algoritmo di Dijkstra fissa un vertice per passo: il vertice non fissato con la distanza provvisoria minima. La sua distanza è allora definitiva, e ogni vertice adiacente v riceve d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). L’algoritmo di Kruskal costruisce un albero di copertura minimo prendendo i lati dal più leggero al più pesante e saltando ogni lato che chiuderebbe un ciclo; l’algoritmo di Prim fa crescere un solo albero da un vertice iniziale aggiungendo sempre il lato più leggero che ne esce. Un albero di copertura di n vertici ha n − 1 lati.

Dijkstra passo per passo

Ogni riga: il vertice fissato, la sua distanza definitiva e i vertici adiacenti la cui distanza migliora.

A (0): B: 12, C: 10
C (10): E: 14
B (12): D: 17
E (14): F: 22
D (17)
F (22)

Cammino minimo

A → B → D
d(D) = 17

Risposta

d(D) = 17
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: x = 53

Inversi e congruenze: a ha un inverso modulo n esattamente quando MCD(a, n) = 1. L’algoritmo di Euclide esteso scrive 1 = s·n + t·a, e allora a⁻¹ ≡ t (mod n). Una congruenza a·x ≡ b (mod n) con MCD(a, n) = 1 ha la soluzione x ≡ a⁻¹·b. Due congruenze x ≡ r₁ (mod m₁) e x ≡ r₂ (mod m₂) con moduli coprimi hanno una soluzione modulo m₁·m₂ (teorema cinese del resto). La φ di Eulero φ(n) conta i numeri da 1 a n coprimi con n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Prima congruenza

x = 5 + 8k

Seconda congruenza

5 + 8k ≡ 1 (mod 13) → 8k ≡ 9 (mod 13)
k ≡ 5·9 ≡ 6 (mod 13)

Risultato

x = 5 + 8·6 = 53
x = 53
verifica: 53 mod 8 = 5, 53 mod 13 = 1

Risposta

x = 53
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 1482 mod 19 = 5

Potenze modulari e RSA: calcola aᵏ mod n con il quadrato ripetuto: scrivi k in binario, eleva al quadrato, riduci a ogni passaggio e moltiplica le potenze il cui bit è 1. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) per un primo p che non divide a, quindi l’esponente si può ridurre modulo p − 1. RSA: scegli i primi p e q, n = p·q e φ(n) = (p − 1)(q − 1); l’esponente pubblico e è coprimo con φ(n), e l’esponente privato è d = e⁻¹ mod φ(n). Cifra con c = mᵉ mod n e decifra con m = cᵈ mod n.

Esponente binario

82 = 10100102 = 64 + 16 + 2

Quadrato ripetuto

141 ≡ 14 (mod 19)
142 ≡ 6 (mod 19)
144 ≡ 17 (mod 19)
148 ≡ 4 (mod 19)
1416 ≡ 16 (mod 19)
1432 ≡ 9 (mod 19)
1464 ≡ 5 (mod 19)

Moltiplica le potenze necessarie

1482 ≡ 6·16·5 ≡ 5 (mod 19)

Risposta

1482 mod 19 = 5

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