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
¬b → ¬cb → c¬c → ¬b¬b ∧ ¬c

Quale formula è logicamente equivalente a c → b? Clicca su di essa.

c → b
  1. 1¬b → ¬c
  2. 2b → c
  3. 3¬c → ¬b
  4. 4¬b ∧ ¬c
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile
¬q ∧ r¬qrq

Sono date le premesse q → r; ¬r. Quale conclusione ne segue? Clicca su di essa.

q → r¬r
  1. 1¬q ∧ r
  2. 2¬q
  3. 3r
  4. 4q
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
UMPC

Su 65 studenti del primo anno, 37 hanno superato Matematica (M), 32 hanno superato Fisica (P) e 38 hanno superato Chimica (C). 14 hanno superato M e P, 19 hanno superato M e C, 16 hanno superato P e C, e 5 le hanno superate tutte e tre. Quanti stanno in esattamente due dei tre insiemi? Chiama il numero n.

|U| = 65
n =
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile

Quante relazioni antisimmetriche ci sono su un insieme con 3 elementi? Chiama il numero N.

|X| = 3
N =
5.Teoria dei grafiMedia

Un grafo connesso ha 12 vertici e 21 lati. Quanti lati k vanno tolti per ottenere un albero di copertura?

|V| = 12|E| = 21
k =
6.Teoria dei grafiDifficile
1912471121891ABCDEFG

L’algoritmo di Prim costruisce un albero di copertura minimo a partire dal vertice B. Clicca il lato che aggiunge come lato numero 6.

partenza: Bk = 6
  1. 1lato AC
  2. 2lato BC
  3. 3lato BD
  4. 4lato CE
  5. 5lato DE
  6. 6lato DF
  7. 7lato GC
  8. 8lato GD
  9. 9lato GE
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulareMedia

Trova l’inverso di 35 modulo 76: il numero x con 0 < x < 76 e 35·x ≡ 1 (mod 76).

a = 35n = 76
35−1 mod 76 =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile
mc = me​ mod n5m = cd​ mod n?(n, e) = (703, 11)d

Una chiave RSA usa p = 19, q = 37 ed e = 11. Decifra il testo cifrato c = 5: trova il messaggio m.

p = 19q = 37e = 11c = 5
m =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ¬b → ¬c

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

Un’implicazione è equivalente alla sua contronominale ¬b → ¬a, non alla sua inversa b → a né alla sua contraria ¬a → ¬b.
c → b ≡ ¬b → ¬c

Verifica con la tabella di verità

b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 0
b = 1, c = 0: 1 | 1 0 0 0
b = 0, c = 1: 0 | 0 1 1 0
b = 0, c = 0: 1 | 1 1 1 1

Risposta

¬b → ¬c

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

2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ¬q

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.

Righe con tutte le premesse vere

q = 0, r = 0: ¬q ∧ r = 0, ¬q = 1, r = 0, q = 0

Conclusione

¬q (modus tollens)

Risposta

¬q
3.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: n = 34

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

M ∩ P ∩ C: 5
M ∩ P solo: 14 − 5 = 9
M ∩ C solo: 19 − 5 = 14
P ∩ C solo: 16 − 5 = 11

Insiemi singoli

M solo: 37 − 9 − 14 − 5 = 9
P solo: 32 − 9 − 11 − 5 = 7
C solo: 38 − 14 − 11 − 5 = 8

Risposta

9 + 14 + 11 = 34

Risposta

n = 34
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: N = 216

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 = 23·33 = 216

Risposta

N = 216
5.Teoria dei grafi

Risposta: k = 10

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

12 − 1 = 11

Lati da togliere

k = 21 − 11 = 10

Risposta

k = 10
6.Teoria dei grafi

Risposta: lato AC

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 Prim

1. BD (4)
2. DF (2)
3. GD (9)
4. GE (1)
5. CE (7)
6. AC (19)

lato numero 6

AC

Risposta

lato AC
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 35−1 mod 76 = 63

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·35 (mod 76).

r = 76, t = 0
r = 35, q = 2, t = 1
r = 6, q = 5, t = −2
r = 5, q = 1, t = 11
r = 1, q = 5, t = −13

Inversa

1 ≡ −13·35 (mod 76)
x = 63
verifica: 35·63 = 2205 = 29·76 + 1

Risposta

35−1 mod 76 = 63
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: m = 427

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 = 703, φ(n) = 648
d = 11−1 mod 648 = 59

Decifra con il quadrato ripetuto

59 = 32 + 16 + 8 + 2 + 1
51 ≡ 5 (mod 703)
52 ≡ 25 (mod 703)
54 ≡ 625 (mod 703)
58 ≡ 460 (mod 703)
516 ≡ 700 (mod 703)
532 ≡ 9 (mod 703)
559 ≡ 5·25·460·700·9 ≡ 427 (mod 703)

Messaggio

m = 427
verifica: 42711 mod 703 = 5

Risposta

m = 427

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