Diskrečioji matematika: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 8 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniai Atgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Teiginių logika ir įrodymai

Teisingumo lentelės eilutės: 2ⁿ
Implikacija: p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Implikacijos neigimas: ¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Ekvivalencija: p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgano dėsniai: ¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Distributyvumo dėsniai: p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Kvantorių neigimas: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens: p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Metodas

Suskaičiuokite skirtingus kintamuosius: teisingumo lentelėje yra 2ⁿ eilučių, o pirmoji eilutė – visi kintamieji lygūs 1.
Kiekvienai posakio daliai skirkite savo stulpelį ir užpildykite stulpelius iš vidaus į išorę.
Taikykite kiekvienos jungties taisyklę: → yra 0 tik tada, kai 1 → 0, o ↔ yra 1, kai abi pusės sutampa.
Tikrindami ekvivalentumą, palyginkite galutinius stulpelius eilutė po eilutės; tikrindami argumentą, žiūrėkite tik į eilutes, kuriose visos prielaidos lygios 1.
Norėdami paneigti kvantorių turintį teiginį, perkelkite ¬ į vidų, sukeiskite ∀ ir ∃ vietomis ir paneikite vidinę formulę.

Aibės, sąryšiai ir funkcijos

Dvi aibės: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Trys aibės: |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Skirtumas ir papildinys: A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Pošaibių aibė ir Dekarto sandauga: |𝒫(A)| = 2^|A|, |A × B| = |A|·|B|
k elementų pošaibiai: C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funkcijos A → B: nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Sąryšiai n elementų aibėje: 2^n²; reflexive 2^{n² − n}; symmetric 2^n(n+1)/2
Kompozicija: (g ∘ f)(x) = g(f(x))

Metodas

Nubraižykite Veno diagramą ir sritis po srities nuspręskite, kas priklauso aibės išraiškai.
Skaičiavimo uždaviniuose sritis pildykite nuo centro į išorę: visos aibės, tada poros, tada pavienės aibės, tada išorė.
Patikrai naudokite įtraukos ir pašalinimo principą: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Tikrindami sąryšį, patikrinkite kiekvieną savybę visoms poroms, o jai nepasitvirtinus, pateikite vieną kontrapavyzdį.
Tikrindami funkciją, suskaičiuokite rodykles, patenkančias į kiekvieną aibės B elementą: ne daugiau kaip viena reiškia injekciją, bent viena – siurjekciją.

Grafų teorija

Rankų paspaudimo lema: Σ deg(v) = 2|E|
Pilnieji grafai: |E(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,n)| = m·n
Reguliarusis grafas: |E| = n·k/2
Medis ir miškas: |E| = n − 1, |E| = n − c
Medžio lapai: L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Oileris: ciklas: visų viršūnių laipsniai lyginiai; kelias: lygiai 2 nelyginio laipsnio viršūnės
Hamiltono ciklai grafe K_n: (n − 1)!/2
Dijkstros atnaujinimas: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
L ilgio maršrutai: (Mᴸ)_ij

Metodas

Užrašykite kiekvienos viršūnės laipsnį; laipsnių suma lygi dvigubam briaunų skaičiui.
Oilerio uždaviniuose patikrinkite, ar grafas jungus, ir suskaičiuokite nelyginio laipsnio viršūnes.
Medžiams naudokite n − 1 briaunų ir rankų paspaudimo lemą.
Dijkstros algoritme laikykite preliminarių atstumų lentelę ir kiekviename etape užfiksuokite mažiausio atstumo dar neužfiksuotą viršūnę.
Minimaliam karkasiniam medžiui surikiuokite briaunas pagal svorį ir praleiskite kiekvieną briauną, uždarančią ciklą (Kruskalis), arba auginkite vieną medį iš pradinės viršūnės (Primas).

Skaičių teorija ir modulinė aritmetika

Dalyba su liekana: a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euklidas: gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Mažiausias bendrasis kartotinis: lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Atvirkštinė: a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Tiesinė kongruencija: a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Oilerio funkcija: φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Ferma: 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

Metodas

Pirmiausia visus skaičius suredukuokite moduliu n; liekanos yra nuo 0 iki n − 1.
Didžiausiam bendrajam dalikliui kartokite dalybą Euklido algoritmu; paskutinė nenulinė liekana yra DBD.
Atvirkštiniam skaičiui taikykite išplėstinį algoritmą ir pasilikite a koeficientą; jei jis neigiamas, pridėkite n.
Sprendžiant a·x ≡ b, dauginkite iš a⁻¹; dvi kongruencijas sujunkite rašydami x = r₁ + m₁k.
Laipsniams užrašykite rodiklį dvejetainiu pavidalu ir kelkite kvadratu pakartotinai; RSA atveju d = e⁻¹ mod φ(n), kur φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Uždaviniai

1.Teiginių logika ir įrodymaiVidutinis

Kuri formulė yra logiškai ekvivalenti q ∧ (r ∨ p)? Spustelėkite ją.

q ∧ (r ∨ p)

1(q ∧ r) ∨ p
2(q ∧ r) ∨ (q ∧ p)
3q ∨ (r ∧ p)
4(q ∨ r) ∧ (q ∨ p)

2.Teiginių logika ir įrodymaiSunkus

Duotos prielaidos q ∨ r; ¬q ∨ p. Kokia išvada iš jų išplaukia? Spustelėkite ją.

q ∨ r¬q ∨ p

1r ∨ p
2q ∨ p
3¬r
4r ∧ p

3.Aibės, sąryšiai ir funkcijosVidutinis

Iš 45 pirmakursių 23 išlaikė matematiką (M), 19 išlaikė fiziką (P) ir 23 išlaikė chemiją (C). 9 išlaikė M ir P, 16 išlaikė M ir C, 7 išlaikė P ir C, o 5 išlaikė visus tris. Kiek jų yra lygiai vienoje iš trijų aibių? Pažymėkite skaičių n.

|U| = 45

n =

4.Aibės, sąryšiai ir funkcijosSunkus

Kiek yra bijekcijų f: A → B, kai |A| = |B| = 6? Pažymėkite skaičių N.

|A| = 6|B| = 6

N =

5.Grafų teorijaVidutinis

Medis turi 4 viršūnių, kurių laipsnis 3, 4 viršūnių, kurių laipsnis 5, o visos kitos jo viršūnės yra lapai (laipsnis 1). Kiek lapų L jis turi?

4 × deg 34 × deg 5

L =

6.Grafų teorijaSunkus

Kiek yra 3 ilgio maršrutų iš C į F? Maršrutas gali kartoti viršūnes ir briaunas. Pažymėkite skaičių N.

M = gretimumo matricaL = 3

N =

7.Skaičių teorija ir modulinė aritmetikaVidutinis

Raskite 24 atvirkštinį moduliu 29: skaičių x, kur 0 < x < 29 ir 24·x ≡ 1 (mod 29).

a = 24n = 29

24⁻¹ mod 29 =

8.Skaičių teorija ir modulinė aritmetikaSunkus

RSA raktas naudoja p = 13, q = 17 ir e = 17. Iššifruokite šifrogramą c = 24: raskite pranešimą m.

p = 13q = 17e = 17c = 24

m =

3Tirpalai

1.Teiginių logika ir įrodymai

Atsakymas: (q ∧ r) ∨ (q ∧ p)

Loginis ekvivalentumas: dvi formulės yra ekvivalenčios (≡), kai kiekvienoje teisingumo lentelės eilutėje turi tą pačią reikšmę. Tautologija yra 1 kiekvienoje eilutėje, prieštara – 0 kiekvienoje eilutėje, o kontingencija nėra nei viena, nei kita. Naudingi dėsniai: De Morgano, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b ir ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (kontrapozicija); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; ir distributyvumo dėsniai, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Dėsnis

∧ yra distributyvi ∨ atžvilgiu: a ∧ (b ∨ c) ≡ (a ∧ b) ∨ (a ∧ c).

q ∧ (r ∨ p) ≡ (q ∧ r) ∨ (q ∧ p)

Patikrinkite teisingumo lentele

p = 1, q = 1, r = 1: 1 | 1 1 1 1

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

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

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

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

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

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

p = 0, q = 0, r = 0: 0 | 0 0 0 0

Atsakymas

(q ∧ r) ∨ (q ∧ p)

Stulpeliai po brūkšniu yra variantai pateikta tvarka.

2.Teiginių logika ir įrodymai

Atsakymas: r ∨ p

Kvantoriai ir argumentai: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) ir ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Perkelkite neigimą į vidų, sukeiskite kiekvieną kvantorių, pro kurį jis praeina, o vidinę formulę paneikite teiginių logikos dėsniais, pavyzdžiui, ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Argumentas yra teisingas (galiojantis), kai išvada lygi 1 kiekvienoje eilutėje, kurioje visos prielaidos lygios 1. Viena eilutė su teisingomis prielaidomis ir klaidinga išvada yra kontrapavyzdys ir rodo, kad argumentas negalioja.

Eilutės, kuriose visos prielaidos teisingos

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

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

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

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

Išvada

r ∨ p (skiriamoji geba)

Atsakymas

r ∨ p

3.Aibės, sąryšiai ir funkcijos

Atsakymas: n = 16

Aibės ir Veno diagramos: A ∪ B turi elementus, esančius A arba B (ar abiejose), A ∩ B – elementus abiejose, A − B – A elementus, kurių nėra B, o papildinys A′ – viską U, kas nėra A. Veno diagramoje kiekviena aibės išraiška yra sričių sąjunga, todėl ją skaičiuokite sritis po srities. Įtraukos ir pašalinimo principas: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B| ir |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Centras ir poros

M ∩ P ∩ C: 5

M ∩ P tik: 9 − 5 = 4

M ∩ C tik: 16 − 5 = 11

P ∩ C tik: 7 − 5 = 2

Pavienės aibės

M tik: 23 − 4 − 11 − 5 = 3

P tik: 19 − 4 − 2 − 5 = 8

C tik: 23 − 11 − 2 − 5 = 5

Atsakymas

3 + 8 + 5 = 16

Atsakymas

n = 16

4.Aibės, sąryšiai ir funkcijos

Atsakymas: N = 720

Funkcijos ir skaičiavimas: funkcija f: A → B kiekvienam A elementui priskiria lygiai vieną vaizdą B. f yra injektyvi (abipus vienareikšmė), kai skirtingi elementai turi skirtingus vaizdus, siurjektyvi (į visą aibę), kai kiekvienas B elementas yra vaizdas, ir bijektyvi, kai galioja abu. Kai |A| = m ir |B| = n, yra nᵐ funkcijų, n!/(n − m)! injektyvių (m ≤ n), o pagal įtraukos ir pašalinimo principą Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ siurjektyvių. |𝒫(A)| = 2ᵐ ir |A × B| = m·n.

Suskaičiuokite

N = 6!/(6 − 6)! = 720

Atsakymas

N = 720

5.Grafų teorija

Atsakymas: L = 18

Oileris, Hamiltonas ir medžiai: jungus grafas turi Oilerio ciklą (kiekviena briauna vieną kartą, grįžtama į pradžią), kai kiekvienos viršūnės laipsnis lyginis, ir Oilerio kelią, kuris nėra ciklas, kai lygiai dvi viršūnės turi nelyginį laipsnį; tada kelias eina iš vienos nelyginės viršūnės į kitą. Hamiltono ciklas aplanko kiekvieną viršūnę vieną kartą; K_n jų turi (n − 1)!/2. Medis su n viršūnių turi n − 1 briauną, o jungus grafas su m briaunų turi karkasinį medį, pašalinus m − n + 1 briaunų.

Rankų paspaudimo lema medžiui

L + 32 = 2(L + 8) − 2

L = 18

Atsakymas

L = 18

Trumpesnis kelias: L = 2 + Σ (d − 2) pagal viršūnes, kurių laipsnis d ≥ 3.

6.Grafų teorija

Atsakymas: N = 2

Laipsniai: viršūnės laipsnis yra joje susitinkančių briaunų skaičius. Kiekviena briauna turi du galus, todėl laipsnių suma lygi dvigubam briaunų skaičiui: Σ deg(v) = 2|E| (rankų paspaudimo lema). Todėl nelyginio laipsnio viršūnių skaičius lyginis. K_n turi n(n − 1)/2 briaunų, k-reguliarusis grafas su n viršūnių – nk/2, o medis su n viršūnių – n − 1 briauną.

Gretimumo matrica

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 0 1

E: 0 1 1 0 0 1

F: 0 0 0 1 1 0

Dar vienas žingsnis

(M³)_CF = 1·0 + 2·0 + 3·0 + 1·1 + 1·1 + 1·0 = 2

Atsakymas

N = 2

7.Skaičių teorija ir modulinė aritmetika

Atsakymas: 24⁻¹ mod 29 = 23

Atvirkštiniai skaičiai ir kongruencijos: a turi atvirkštinį moduliu n lygiai tada, kai gcd(a, n) = 1. Išplėstinis Euklido algoritmas užrašo 1 = s·n + t·a, ir tada a⁻¹ ≡ t (mod n). Kongruencija a·x ≡ b (mod n), kai gcd(a, n) = 1, turi sprendinį x ≡ a⁻¹·b. Dvi kongruencijos x ≡ r₁ (mod m₁) ir x ≡ r₂ (mod m₂) su tarpusavyje pirminiais moduliais turi vieną sprendinį moduliu m₁·m₂ (Kinų liekanų teorema). Oilerio φ(n) skaičiuoja skaičius nuo 1 iki n, tarpusavyje pirminius su n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Išplėstinis Euklido algoritmas

Kiekviena liekana r užrašoma kaip r ≡ t·24 (mod 29).

r = 29, t = 0

r = 24, q = 1, t = 1

r = 5, q = 4, t = −1

r = 4, q = 1, t = 5

r = 1, q = 4, t = −6

Atvirkštinė

1 ≡ −6·24 (mod 29)

x = 23

patikra: 24·23 = 552 = 19·29 + 1

Atsakymas

24⁻¹ mod 29 = 23

8.Skaičių teorija ir modulinė aritmetika

Atsakymas: m = 7

Moduliniai laipsniai ir RSA: aᵏ mod n skaičiuokite kartotiniu kėlimu kvadratu: užrašykite k dvejetainiu pavidalu, keliate kvadratu, po kiekvieno žingsnio redukuokite ir sudauginkite laipsnius, kurių bitas lygus 1. Ferma: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) pirminiam p, nedalijančiam a, todėl rodiklį galima redukuoti moduliu p − 1. RSA: pasirinkite pirminius p ir q, n = p·q ir φ(n) = (p − 1)(q − 1); viešasis rodiklis e tarpusavyje pirminis su φ(n), o privatusis rodiklis yra d = e⁻¹ mod φ(n). Šifruokite c = mᵉ mod n ir dešifruokite m = cᵈ mod n.

Privatusis rodiklis

n = 221, φ(n) = 192

d = 17⁻¹ mod 192 = 113

Iššifruokite kartotiniu kėlimu kvadratu

113 = 64 + 32 + 16 + 1

24¹ ≡ 24 (mod 221)

24² ≡ 134 (mod 221)

24⁴ ≡ 55 (mod 221)

24⁸ ≡ 152 (mod 221)

24¹⁶ ≡ 120 (mod 221)

24³² ≡ 35 (mod 221)

24⁶⁴ ≡ 120 (mod 221)

24¹¹³ ≡ 24·120·35·120 ≡ 7 (mod 221)

Žinutė

m = 7

patikra: 7¹⁷ mod 221 = 24

Atsakymas

m = 7

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics