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

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

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

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

¬∃x P(x)
  1. 1∃x ¬P(x)
  2. 2∀x P(x)
  3. 3∃x P(x)
  4. 4∀x ¬P(x)
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
123riflessivasimmetricaantisimmetricatransitiva

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

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

Quante funzioni f: A → B ci sono se |A| = 5 e |B| = 2? Chiama il numero N.

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

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

4 × deg 5
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
13616712108414ABCDEFG

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 30 modulo 83: il numero x con 0 < x < 83 e 30·x ≡ 1 (mod 83).

a = 30n = 83
30−1 mod 83 =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile
mc = me​ mod n341m = cd​ mod n?(n, e) = (1081, 17)d

Una chiave RSA usa p = 23, q = 47 ed e = 17. Decifra il testo cifrato c = 341: trova il messaggio m.

p = 23q = 47e = 17c = 341
m =

3Soluzioni

1.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.

Tabella di verità riga per riga

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

Conta le righe con valore 1

(b → a) → (¬c ∧ (¬a ↔ b)): 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0
N = 3

Risposta

N = 3
2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ∀x ¬P(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 P(x) ≡ ∀x ¬P(x)

Risposta

∀x ¬P(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: simmetrica

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

vale

antisimmetrica

non vale: (1, 3), (3, 1) ∈ R

transitiva

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

Risposta

simmetrica
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: N = 32

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 = 25 = 32

Risposta

N = 32
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 + 20 = 2(L + 4) − 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) = 21

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: 13, C: 6
C (6): E: 12, G: 14
E (12): F: 24
B (13): D: 14
D (14): F: 21
G (14)
F (21)

Cammino minimo

A → B → D → F
d(F) = 21

Risposta

d(F) = 21
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 30−1 mod 83 = 36

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·30 (mod 83).

r = 83, t = 0
r = 30, q = 2, t = 1
r = 23, q = 1, t = −2
r = 7, q = 3, t = 3
r = 2, q = 3, t = −11
r = 1, q = 2, t = 36

Inversa

1 ≡ 36·30 (mod 83)
x = 36
verifica: 30·36 = 1080 = 13·83 + 1

Risposta

30−1 mod 83 = 36
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: m = 444

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 privato

n = 1081, φ(n) = 1012
d = 17−1 mod 1012 = 893

Decifra con il quadrato ripetuto

893 = 512 + 256 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 1
3411 ≡ 341 (mod 1081)
3412 ≡ 614 (mod 1081)
3414 ≡ 808 (mod 1081)
3418 ≡ 1021 (mod 1081)
34116 ≡ 357 (mod 1081)
34132 ≡ 972 (mod 1081)
34164 ≡ 1071 (mod 1081)
341128 ≡ 100 (mod 1081)
341256 ≡ 271 (mod 1081)
341512 ≡ 1014 (mod 1081)
341893 ≡ 341·808·1021·357·972·1071·271·1014 ≡ 444 (mod 1081)

Messaggio

m = 444
verifica: 44417 mod 1081 = 341

Risposta

m = 444

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