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
pqrp ∨ ¬qr ∧ (p ∨ ¬q)((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q))111?110?101?100?011?010?001?000?

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

((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q))
N =
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
1234riflessivasimmetricaantisimmetricatransitiva

La relazione R su {1, 2, 3, 4} è disegnata come grafo orientato (un cappio significa (x, x) ∈ R). Vale esattamente una delle quattro proprietà. Cliccala.

R = {(1, 4), (2, 2), (2, 4), (4, 3), (4, 4)}
  1. 1riflessiva
  2. 2simmetrica
  3. 3antisimmetrica
  4. 4transitiva
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile

Quante relazioni antisimmetriche ci sono su un insieme con 2 elementi? Chiama il numero N.

|X| = 2
N =
5.Teoria dei grafiMedia

Quanti cicli hamiltoniani diversi H ha il grafo completo K5? I cicli che differiscono solo per il vertice iniziale o per il verso contano come lo stesso.

K5
H =
6.Teoria dei grafiDifficile
211391136ABCDE

Trova il peso totale W di un albero di copertura minimo del grafo pesato.

|V| = 5|E| = 7
W =
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulareMedia

Risolvi 38x ≡ 14 (mod 41). Dai la soluzione x con 0 < x < 41.

38x ≡ 14 (mod 41)
x =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile
229c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (287, 19)d

Cifra il messaggio m = 229 con la chiave pubblica RSA (n, e) = (287, 19). Trova il testo cifrato c.

n = 287e = 19m = 229
c =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: N = 6

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

p = 1, q = 1, r = 1: r ↔ p = 1, (r ↔ p) ↔ q = 1, ¬q = 0, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 1, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1
p = 1, q = 1, r = 0: r ↔ p = 0, (r ↔ p) ↔ q = 0, ¬q = 0, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 0, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1
p = 1, q = 0, r = 1: r ↔ p = 1, (r ↔ p) ↔ q = 0, ¬q = 1, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 1, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1
p = 1, q = 0, r = 0: r ↔ p = 0, (r ↔ p) ↔ q = 1, ¬q = 1, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 0, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 0
p = 0, q = 1, r = 1: r ↔ p = 0, (r ↔ p) ↔ q = 0, ¬q = 0, p ∨ ¬q = 0, r ∧ (p ∨ ¬q) = 0, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1
p = 0, q = 1, r = 0: r ↔ p = 1, (r ↔ p) ↔ q = 1, ¬q = 0, p ∨ ¬q = 0, r ∧ (p ∨ ¬q) = 0, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 0
p = 0, q = 0, r = 1: r ↔ p = 0, (r ↔ p) ↔ q = 1, ¬q = 1, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 1, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1
p = 0, q = 0, r = 0: r ↔ p = 1, (r ↔ p) ↔ q = 0, ¬q = 1, p ∨ ¬q = 1, r ∧ (p ∨ ¬q) = 0, ((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)) = 1

Conta le righe con valore 1

((r ↔ p) ↔ q) → (r ∧ (p ∨ ¬q)): 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1
N = 6

Risposta

N = 6
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: antisimmetrica

Relazioni: una relazione R su un insieme X è un insieme di coppie ordinate (x, y). R è riflessiva quando (x, x) ∈ R per ogni x in X; simmetrica quando (x, y) ∈ R comporta sempre (y, x) ∈ R; antisimmetrica quando (x, y) e (y, x) sono entrambe in R solo se x = y; e transitiva quando (x, y) e (y, z) in R implicano (x, z) ∈ R. Una relazione di equivalenza è riflessiva, simmetrica e transitiva, e divide X in classi disgiunte.

riflessiva

non vale: (1, 1) ∉ R

simmetrica

non vale: (1, 4) ∈ R, (4, 1) ∉ R

antisimmetrica

vale

transitiva

non vale: (1, 4), (4, 3) ∈ R, (1, 3) ∉ R

Risposta

antisimmetrica
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: N = 12

Relazioni: una relazione R su un insieme X è un insieme di coppie ordinate (x, y). R è riflessiva quando (x, x) ∈ R per ogni x in X; simmetrica quando (x, y) ∈ R comporta sempre (y, x) ∈ R; antisimmetrica quando (x, y) e (y, x) sono entrambe in R solo se x = y; e transitiva quando (x, y) e (y, z) in R implicano (x, z) ∈ R. Una relazione di equivalenza è riflessiva, simmetrica e transitiva, e divide X in classi disgiunte.

Conta le scelte libere

N = 22·31 = 12

Risposta

N = 12
5.Teoria dei grafi

Risposta: H = 12

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.

Conta

H = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

Risposta

H = 12
6.Teoria dei grafi

Risposta: W = 15

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.

Algoritmo di Kruskal

CE (1): prendi
AB (2): prendi
BC (3): prendi
BE (6): salta, chiude un ciclo
BD (9): prendi

Peso totale

W = 1 + 2 + 3 + 9 = 15

Risposta

W = 15
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: x = 9

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).

Inverso di 38

r = 41, t = 0
r = 38, q = 1, t = 1
r = 3, q = 12, t = −1
r = 2, q = 1, t = 13
r = 1, q = 2, t = −14
38−1 ≡ 27 (mod 41)

Risolvi

x ≡ 27·14 = 378 ≡ 9 (mod 41)
verifica: 38·9 = 342 ≡ 14 (mod 41)

Risposta

x = 9
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: c = 152

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
2291 ≡ 229 (mod 287)
2292 ≡ 207 (mod 287)
2294 ≡ 86 (mod 287)
2298 ≡ 221 (mod 287)
22916 ≡ 51 (mod 287)
22919 ≡ 229·207·51 ≡ 152 (mod 287)

Testo cifrato

c = 152

Risposta

c = 152

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