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 ∧ r) → qp ∨ (r → q)(p → q) ∧ (r → q)(p → q) ∨ (r → q)

Quale formula è logicamente equivalente a (p ∨ r) → q? Clicca su di essa.

(p ∨ r) → q
  1. 1(p ∧ r) → q
  2. 2p ∨ (r → q)
  3. 3(p → q) ∧ (r → q)
  4. 4(p → q) ∨ (r → q)
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile
∃x ∃y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬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∀x ∃y ¬R(x, y)
  3. 3∃x ∀y ¬R(x, y)
  4. 4∀x ∀y ¬R(x, y)
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
UABC12345678

Esattamente una regione del diagramma di Venn è l’insieme (C ∪ B) − (A ∪ B). Clicca il suo numero.

(C ∪ B) − (A ∪ B)
  1. 1regione 1
  2. 2regione 2
  3. 3regione 3
  4. 4regione 4
  5. 5regione 5
  6. 6regione 6
  7. 7regione 7
  8. 8regione 8
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile

Quante funzioni iniettive (uno a uno) f: A → B ci sono se |A| = 2 e |B| = 6? Chiama il numero N.

|A| = 2|B| = 6
N =
5.Teoria dei grafiMedia

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

3 × deg 33 × deg 42 × deg 52 × deg 2
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
612159101011616ABCDEFG

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 l’inverso di 4 modulo 11: il numero x con 0 < x < 11 e 4·x ≡ 1 (mod 11).

a = 4n = 11
4−1 mod 11 =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile

Usa il quadrato ripetuto per trovare 39110 mod 58.

a = 39k = 110n = 58
39110 mod 58 =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: (p → q) ∧ (r → 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

(a ∨ b) → c richiede c ogni volta che vale a oppure b: (a → c) ∧ (b → c).
(p ∨ r) → q ≡ (p → q) ∧ (r → q)

Verifica con la tabella di verità

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

Risposta

(p → q) ∧ (r → q)

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

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: regione 4

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|.

Dentro o fuori da ciascun insieme

A′ ∩ B′ ∩ C

La regione

regione 4

Risposta

regione 4
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: N = 30

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.

Conta

N = 6!/(6 − 2)! = 30

Risposta

N = 30
5.Teoria dei grafi

Risposta: L = 17

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 + 35 = 2(L + 10) − 2
L = 17

Risposta

L = 17

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

6.Teoria dei grafi

Risposta: d(F) = 25

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: 6, C: 12
B (6): D: 15
C (12): E: 22, G: 18
D (15): F: 25, G: 16
G (16)
E (22)
F (25)

Cammino minimo

A → B → D → F
d(F) = 25

Risposta

d(F) = 25
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 4−1 mod 11 = 3

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).

Algoritmo di Euclide esteso

Ogni resto r si scrive r ≡ t·4 (mod 11).

r = 11, t = 0
r = 4, q = 2, t = 1
r = 3, q = 1, t = −2
r = 1, q = 3, t = 3

Inversa

1 ≡ 3·4 (mod 11)
x = 3
verifica: 4·3 = 12 = 1·11 + 1

Risposta

4−1 mod 11 = 3
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 39110 mod 58 = 9

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

110 = 11011102 = 64 + 32 + 8 + 4 + 2

Quadrato ripetuto

391 ≡ 39 (mod 58)
392 ≡ 13 (mod 58)
394 ≡ 53 (mod 58)
398 ≡ 25 (mod 58)
3916 ≡ 45 (mod 58)
3932 ≡ 53 (mod 58)
3964 ≡ 25 (mod 58)

Moltiplica le potenze necessarie

39110 ≡ 13·53·25·53·25 ≡ 9 (mod 58)

Risposta

39110 mod 58 = 9

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