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

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

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

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

¬∀x (P(x) → Q(x))
  1. 1∃x (P(x) ∧ ¬Q(x))
  2. 2∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))
  3. 3∃x (¬P(x) ∧ Q(x))
  4. 4∀x (P(x) → ¬Q(x))
3.Insiemi, relazioni e funzioniMedia
UABC6614111611

Ogni numero nel diagramma di Venn è il numero di elementi di quella regione. Trova |A − C|.

|U| = 46
|A − C| =
4.Insiemi, relazioni e funzioniDifficile

Su X = {1, 2, …, 14} la relazione x ~ y vale quando x ≡ y (mod 4). Quanti elementi ci sono nella classe di equivalenza [4]?

X = {1, …, 14}x ~ y ⟺ 4 | (x − y)
|[4]| =
5.Teoria dei grafiMedia

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

2 × deg 34 × deg 42 × deg 53 × deg 2
L =
6.Teoria dei grafiDifficile
61541311151311ABCDEF

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

Risolvi 67x ≡ 60 (mod 80). Dai la soluzione x con 0 < x < 80.

67x ≡ 60 (mod 80)
x =
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulareDifficile

Quante soluzioni N ha 18x ≡ 28 (mod 64) in {0, 1, …, 63}?

18x ≡ 28 (mod 64)
N =

3Soluzioni

1.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: N = 5

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

Conta le righe con valore 1

((c ↔ ¬b) ∨ b) ∧ (a ∨ c): 1, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0
N = 5

Risposta

N = 5
2.Logica proposizionale e dimostrazioni

Risposta: ∃x (P(x) ∧ ¬Q(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) → Q(x)) ≡ ∃x (P(x) ∧ ¬Q(x))

Risposta

∃x (P(x) ∧ ¬Q(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: |A − C| = 17

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 dell’espressione

A ∩ B′ ∩ C′: 6
A ∩ B ∩ C′: 11

Somma

|A − C| = 6 + 11 = 17

Risposta

|A − C| = 17
4.Insiemi, relazioni e funzioni

Risposta: |[4]| = 3

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.

La classe

[4] = {4, 8, 12}
|[4]| = 3

Risposta

|[4]| = 3
5.Teoria dei grafi

Risposta: L = 18

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 + 38 = 2(L + 11) − 2
L = 18

Risposta

L = 18

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

6.Teoria dei grafi

Risposta: d(F) = 24

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: 15
B (6): C: 10, D: 19, E: 17
C (10): E: 11
E (11): D: 12, F: 24
D (12)
F (24)

Cammino minimo

A → B → C → E → F
d(F) = 24

Risposta

d(F) = 24
7.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: x = 20

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).

Inverso di 67

r = 80, t = 0
r = 67, q = 1, t = 1
r = 13, q = 5, t = −1
r = 2, q = 6, t = 6
r = 1, q = 2, t = −37
67−1 ≡ 43 (mod 80)

Risolvi

x ≡ 43·60 = 2580 ≡ 20 (mod 80)
verifica: 67·20 = 1340 ≡ 60 (mod 80)

Risposta

x = 20
8.Teoria dei numeri e aritmetica modulare

Risposta: N = 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).

Dividi per il MCD

gcd(18, 64) = 2
9x ≡ 14 (mod 32)

Risolvi la congruenza ridotta

9−1 ≡ 25 (mod 32) → x ≡ 30 (mod 32)

Soluzioni modulo 64

x ∈ {30, 62}
N = 2

Risposta

N = 2

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