Matematica discreta: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 8 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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 → a) ∨ (c → a)b ∨ (c → a)(b → a) ∧ (c → a)(b ∧ c) → a

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

(b ∨ c) → a
  1. 1(b → a) ∨ (c → a)
  2. 2b ∨ (c → a)
  3. 3(b → a) ∧ (c → a)
  4. 4(b ∧ c) → a
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
UMP13

Su 49 studenti del primo anno, 22 hanno superato Matematica (M), 37 hanno superato Fisica (P) e 13 le hanno superate entrambe. Quanti stanno in nessuno dei due insiemi?

|U| = 49|M| = 22|P| = 37|M ∩ P| = 13
|(M ∪ P)′| =
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

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

3 × deg 34 × deg 42 × deg 5
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
ABCDEF

Quanti cammini di lunghezza 2 vanno da C a F? Un cammino può ripetere vertici e lati. Chiama il numero N.

M = matrice di adiacenzaL = 2
N =
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulareMedia

Trova l’inverso di 7 modulo 13: il numero x con 0 < x < 13 e 7·x ≡ 1 (mod 13).

a = 7n = 13
7−1 mod 13 =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (1073, 17)d = ?

Una chiave RSA usa i primi p = 29 e q = 37 e l’esponente pubblico e = 17. Trova l’esponente privato d (0 < d < φ(n)).

p = 29q = 37e = 17
d =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: (b → a) ∧ (c → a)

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).
(b ∨ c) → a ≡ (b → a) ∧ (c → a)

Verifica con la tabella di verità

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

Risposta

(b → a) ∧ (c → a)

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

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: |(M ∪ P)′| = 3

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: 13
M − P: 22 − 13 = 9
P − M: 37 − 13 = 24
(M ∪ P)′: 49 − (9 + 24 + 13) = 3

Risposta

|(M ∪ P)′| = 3

Risposta

|(M ∪ P)′| = 3
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: L = 19

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 + 9) − 2
L = 19

Risposta

L = 19

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

6.Teoria dei grafi

Risposta: N = 1

Gradi: il grado di un vertice è il numero di lati che vi arrivano. Ogni lato ha due estremi, quindi i gradi sommano al doppio del numero di lati: Σ deg(v) = 2|E| (il lemma delle strette di mano). Il numero di vertici di grado dispari è quindi pari. Kn ha n(n − 1)/2 lati, un grafo k-regolare con n vertici ne ha nk/2, e un albero con n vertici ha n − 1 lati.

Matrice di adiacenza

A: 0 1 1 0 0 0
B: 1 0 1 1 1 0
C: 1 1 0 0 1 0
D: 0 1 0 0 1 1
E: 0 1 1 1 0 1
F: 0 0 0 1 1 0

Vicini comuni

(M²)CF = 1·0 + 1·0 + 0·0 + 0·1 + 1·1 + 0·0 = 1

Risposta

N = 1
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 7−1 mod 13 = 2

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·7 (mod 13).

r = 13, t = 0
r = 7, q = 1, t = 1
r = 6, q = 1, t = −1
r = 1, q = 6, t = 2

Inversa

1 ≡ 2·7 (mod 13)
x = 2
verifica: 7·2 = 14 = 1·13 + 1

Risposta

7−1 mod 13 = 2
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: d = 593

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.

Modulo e funzione φ

n = 29·37 = 1073
φ(n) = 28·36 = 1008

Algoritmo di Euclide esteso

r = 1008, t = 0
r = 17, q = 59, t = 1
r = 5, q = 3, t = −59
r = 2, q = 2, t = 178
r = 1, q = 2, t = −415

Esponente privato

d = 593
verifica: 17·593 = 10081 = 10·1008 + 1

Risposta

d = 593

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics