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
¬p ∧ q¬p ∧ ¬q¬p ∨ q¬p ∨ ¬q

Quale formula è logicamente equivalente a ¬(p ∧ q)? Clicca su di essa.

¬(p ∧ q)
  1. 1¬p ∧ q
  2. 2¬p ∧ ¬q
  3. 3¬p ∨ q
  4. 4¬p ∨ ¬q
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile

Quante delle 16 righe della tabella di verità rendono vera ¬((r → p) → (s ∧ ¬q)) ∧ (p ∧ r)? Chiama questo numero N.

¬((r → p) → (s ∧ ¬q)) ∧ (p ∧ r)
N =
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
ULTW

Un sondaggio su 64 persone rileva che 24 possiedono un portatile (L), 36 un tablet (T) e 28 uno smartwatch (W). 12 possiedono L e T, 13 possiedono L e W, 12 possiedono T e W, e 2 possiedono tutti e tre. Quanti stanno in nessuno dei tre insiemi?

|U| = 64
|(L ∪ T ∪ W)′| =
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile
x12345f(x)15351g(x)32311

Le funzioni f e g su {1, 2, 3, 4, 5} sono date dalle loro tabelle. Trova (g ∘ f)(1).

f: 1 ↦ 1, 2 ↦ 5, 3 ↦ 3, 4 ↦ 5, 5 ↦ 1g: 1 ↦ 3, 2 ↦ 2, 3 ↦ 3, 4 ↦ 1, 5 ↦ 1
(g ∘ f)(1) =
5.Teoria dei grafiMedia

Un grafo connesso ha 7 vertici e 17 lati. Quanti lati k vanno tolti per ottenere un albero di copertura?

|V| = 7|E| = 17
k =
6.Teoria dei grafiDifficile
8491631019ABCDEFG

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

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

Trova il più piccolo intero positivo x con x ≡ 1 (mod 4) e x ≡ 8 (mod 13).

x ≡ 1 (mod 4)x ≡ 8 (mod 13)
x =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile
453c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (493, 19)d

Cifra il messaggio m = 453 con la chiave pubblica RSA (n, e) = (493, 19). Trova il testo cifrato c.

n = 493e = 19m = 453
c =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ¬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).

La legge

De Morgan: ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b. L’∧ diventa ∨ e le due parti vengono negate.
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q

Verifica con la tabella di verità

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

Risposta

¬p ∨ ¬q

Le colonne dopo la barra sono le opzioni nell’ordine mostrato.

2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: N = 3

Tabelle di verità: una formula con n variabili distinte ha 2ⁿ righe, una per ogni combinazione di valori di verità (1 = vero, 0 = falso). Procedi dall’interno verso l’esterno e dai a ogni sottoformula una colonna propria. ¬a inverte il valore; a ∧ b vale 1 solo quando entrambi valgono 1; a ∨ b vale 0 solo quando entrambi valgono 0; a → b vale 0 solo quando a = 1 e b = 0; a ↔ b vale 1 quando i due lati sono uguali.

Colonne

r → p; ¬q; s ∧ ¬q; (r → p) → (s ∧ ¬q); ¬((r → p) → (s ∧ ¬q)); p ∧ r; ¬((r → p) → (s ∧ ¬q)) ∧ (p ∧ r)

Dividi secondo p

p = 1: 3
p = 0: 0
N = 3 + 0 = 3

Risposta

N = 3
3.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: |(L ∪ T ∪ W)′| = 11

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: 2
L ∩ T solo: 12 − 2 = 10
L ∩ W solo: 13 − 2 = 11
T ∩ W solo: 12 − 2 = 10

Insiemi singoli

L solo: 24 − 10 − 11 − 2 = 1
T solo: 36 − 10 − 10 − 2 = 14
W solo: 28 − 11 − 10 − 2 = 5

Risposta

|L ∪ T ∪ W| = 53
|(L ∪ T ∪ W)′| = 64 − 53 = 11

Risposta

|(L ∪ T ∪ W)′| = 11
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: (g ∘ f)(1) = 3

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.

Funzione interna

f(1) = 1

Funzione esterna

g(1) = 3
(g ∘ f)(1) = 3

Risposta

(g ∘ f)(1) = 3
5.Teoria dei grafi

Risposta: k = 11

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

7 − 1 = 6

Lati da togliere

k = 17 − 6 = 11

Risposta

k = 11
6.Teoria dei grafi

Risposta: d(F) = 14

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: 8, C: 4
C (4): E: 5
E (5): D: 11, F: 15
B (8): G: 9
G (9)
D (11): F: 14
F (14)

Cammino minimo

A → C → E → D → F
d(F) = 14

Risposta

d(F) = 14
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: x = 21

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 = 1 + 4k

Seconda congruenza

1 + 4k ≡ 8 (mod 13) → 4k ≡ 7 (mod 13)
k ≡ 10·7 ≡ 5 (mod 13)

Risultato

x = 1 + 4·5 = 21
x = 21
verifica: 21 mod 4 = 1, 21 mod 13 = 8

Risposta

x = 21
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: c = 362

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.

Quadrato ripetuto

19 = 16 + 2 + 1
4531 ≡ 453 (mod 493)
4532 ≡ 121 (mod 493)
4534 ≡ 344 (mod 493)
4538 ≡ 16 (mod 493)
45316 ≡ 256 (mod 493)
45319 ≡ 453·121·256 ≡ 362 (mod 493)

Testo cifrato

c = 362

Risposta

c = 362

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