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
abc(a → ¬b) ∧ c(b ↔ (a → c)) ∨ ((a → ¬b) ∧ c)¬((b ↔ (a → c)) ∨ ((a → ¬b) ∧ c))111?110?101?100?011?010?001?000?

In quante delle 8 righe della sua tabella di verità ¬((b ↔ (a → c)) ∨ ((a → ¬b) ∧ c)) è vera? Chiama questo numero N.

¬((b ↔ (a → c)) ∨ ((a → ¬b) ∧ c))
N =
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile
∃x ∀y ¬R(x, y)∃y ∀x ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)

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

¬∀x ∃y R(x, y)
  1. 1∃x ∀y ¬R(x, y)
  2. 2∃y ∀x ¬R(x, y)
  3. 3∀x ∀y ¬R(x, y)
  4. 4∀x ∃y ¬R(x, y)
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
UMP12

Su 67 studenti del primo anno, 26 hanno superato Matematica (M), 41 hanno superato Fisica (P) e 12 le hanno superate entrambe. Quanti stanno in almeno uno dei due insiemi?

|U| = 67|M| = 26|P| = 41|M ∩ P| = 12
|M ∪ P| =
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile
AB123abcdiniettiva, non suriettivasuriettiva, non iniettivabiiettivanessuna delle due

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

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

Un albero ha 3 vertici di grado 4, 2 vertici di grado 5, 3 vertici di grado 2, e tutti gli altri suoi vertici sono foglie (grado 1). Quante foglie L ha?

3 × deg 42 × deg 53 × deg 2
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
111761574214ABCDEFG

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 la funzione φ di Eulero φ(91), il numero di interi da 1 a 91 coprimi con 91.

n = 91 = 7·13
φ(91) =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile

Usa il quadrato ripetuto per trovare 1961 mod 63.

a = 19k = 61n = 63
1961 mod 63 =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: N = 2

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.

Tabella di verità riga per riga

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

Conta le righe con valore 1

¬((b ↔ (a → c)) ∨ ((a → ¬b) ∧ c)): 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1
N = 2

Risposta

N = 2
2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ∃x ∀y ¬R(x, y)

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 ∃y R(x, y) ≡ ∃x ∀y ¬R(x, y)

Risposta

∃x ∀y ¬R(x, y)

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: |M ∪ P| = 55

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|.

Regioni

M ∩ P: 12
M − P: 26 − 12 = 14
P − M: 41 − 12 = 29
(M ∪ P)′: 67 − (14 + 29 + 12) = 12

Risposta

|M ∪ P| = 55

Risposta

|M ∪ P| = 55
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: L = 14

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.

Lemma delle strette di mano per un albero

L + 28 = 2(L + 8) − 2
L = 14

Risposta

L = 14

Scorciatoia: L = 2 + Σ (d − 2) sui vertici di grado d ≥ 3.

6.Teoria dei grafi

Risposta: d(F) = 13

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: 1, C: 11
B (1): C: 8, D: 7, G: 3
G (3): E: 17
D (7): E: 12, F: 14
C (8): E: 9
E (9): F: 13
F (13)

Cammino minimo

A → B → C → E → F
d(F) = 13

Risposta

d(F) = 13
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: φ(91) = 72

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).

Fattori primi

91 = 7·13

Funzione φ

φ(91) = φ(7)·φ(13) = 6·12 = 72

Risposta

φ(91) = 72
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 1961 mod 63 = 19

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

61 = 1111012 = 32 + 16 + 8 + 4 + 1

Quadrato ripetuto

191 ≡ 19 (mod 63)
192 ≡ 46 (mod 63)
194 ≡ 37 (mod 63)
198 ≡ 46 (mod 63)
1916 ≡ 37 (mod 63)
1932 ≡ 46 (mod 63)

Moltiplica le potenze necessarie

1961 ≡ 19·37·46·37·46 ≡ 19 (mod 63)

Risposta

1961 mod 63 = 19

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