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
(r → p) ∨ (p → r)r ∧ p(r → p) ∧ (¬p → ¬r)(r → p) ∧ (p → r)

Quale formula è logicamente equivalente a r ↔ p? Clicca su di essa.

r ↔ p
  1. 1(r → p) ∨ (p → r)
  2. 2r ∧ p
  3. 3(r → p) ∧ (¬p → ¬r)
  4. 4(r → p) ∧ (p → r)
2.Logica proposizionale e dimostrazioniDifficile
¬aacc ∧ b

Sono date le premesse c ∨ b; c → a; b → a. Quale conclusione ne segue? Clicca su di essa.

c ∨ bc → ab → a
  1. 1¬a
  2. 2a
  3. 3c
  4. 4c ∧ b
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, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (3, 1), (3, 3), (3, 4), (4, 3)}
  1. 1riflessiva
  2. 2simmetrica
  3. 3antisimmetrica
  4. 4transitiva
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile
AB1234abcdeiniettiva, non suriettivasuriettiva, non iniettivabiiettivanessuna delle due

Il diagramma a frecce mostra una funzione f: A → B con A = {1, 2, 3, 4} e B = {a, b, c, d, e}. Clicca la descrizione che si adatta a f.

f = {(1, b), (2, e), (3, d), (4, a)}
  1. 1iniettiva, non suriettiva
  2. 2suriettiva, non iniettiva
  3. 3biiettiva
  4. 4nessuna delle due
5.Teoria dei grafiMedia

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

3 × deg 5
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
189132158101125ABCDEFG

L’algoritmo di Kruskal costruisce un albero di copertura minimo. Clicca il lato che aggiunge come lato numero 6; i lati saltati non contano.

k = 6
  1. 1lato AB
  2. 2lato AC
  3. 3lato BC
  4. 4lato BD
  5. 5lato CE
  6. 6lato DE
  7. 7lato DF
  8. 8lato EF
  9. 9lato GC
  10. 10lato GD
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulareMedia

Trova l’inverso di 5 modulo 69: il numero x con 0 < x < 69 e 5·x ≡ 1 (mod 69).

a = 5n = 69
5−1 mod 69 =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile

Usa il quadrato ripetuto per trovare 34193 mod 53.

a = 34k = 193n = 53
34193 mod 53 =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: (r → p) ∧ (p → r)

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 significa che l’implicazione vale in entrambe le direzioni: (a → b) ∧ (b → a).
r ↔ p ≡ (r → p) ∧ (p → r)

Verifica con la tabella di verità

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

Risposta

(r → p) ∧ (p → r)

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

2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: a

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

a = 1, b = 1, c = 1: ¬a = 0, a = 1, c = 1, c ∧ b = 1
a = 1, b = 1, c = 0: ¬a = 0, a = 1, c = 0, c ∧ b = 0
a = 1, b = 0, c = 1: ¬a = 0, a = 1, c = 1, c ∧ b = 0

Conclusione

a (dimostrazione per casi)

Risposta

a
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: (2, 2) ∉ R

simmetrica

vale

antisimmetrica

non vale: (1, 2), (2, 1) ∈ R

transitiva

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

Risposta

simmetrica
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: iniettiva, non suriettiva

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.

Iniettiva?

ogni elemento di B è colpito al più una volta → iniettiva

Suriettiva?

c non riceve alcuna freccia → non suriettiva

Risposta

iniettiva, non suriettiva

Risposta

iniettiva, non suriettiva
5.Teoria dei grafi

Risposta: L = 11

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 + 15 = 2(L + 3) − 2
L = 11

Risposta

L = 11

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

6.Teoria dei grafi

Risposta: lato GC

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

1. EF (1)
2. BD (2)
3. GD (5)
4. DE (8)
5. AC (9)
6. GC (12)

lato numero 6

GC

Risposta

lato GC
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 5−1 mod 69 = 14

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·5 (mod 69).

r = 69, t = 0
r = 5, q = 13, t = 1
r = 4, q = 1, t = −13
r = 1, q = 4, t = 14

Inversa

1 ≡ 14·5 (mod 69)
x = 14
verifica: 5·14 = 70 = 1·69 + 1

Risposta

5−1 mod 69 = 14
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: 34193 mod 53 = 50

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

193 = 110000012 = 128 + 64 + 1

Quadrato ripetuto

341 ≡ 34 (mod 53)
342 ≡ 43 (mod 53)
344 ≡ 47 (mod 53)
348 ≡ 36 (mod 53)
3416 ≡ 24 (mod 53)
3432 ≡ 46 (mod 53)
3464 ≡ 49 (mod 53)
34128 ≡ 16 (mod 53)

Moltiplica le potenze necessarie

34193 ≡ 34·49·16 ≡ 50 (mod 53)

Risposta

34193 mod 53 = 50

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