Discrete wiskunde: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Propositielogica & bewijzen

Rijen van een waarheidstabel
2ⁿ
Implicatie
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Ontkende implicatie
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Bi-implicatie
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Distributieve wetten
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Ontkende kwantoren
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Methode

  1. Tel de verschillende variabelen: de waarheidstabel heeft 2ⁿ rijen, beginnend met alle variabelen op 1.
  2. Geef elke deelformule een eigen kolom en vul de kolommen van binnen naar buiten in.
  3. Pas de regel van elk voegwoord toe: → is alleen 0 bij 1 → 0, ↔ is 1 als beide kanten gelijk zijn.
  4. Vergelijk bij equivalenties de laatste kolommen rij voor rij; kijk bij een redenering alleen naar de rijen waarin alle premissen 1 zijn.
  5. Om een bewering met kwantor te ontkennen, schuif je ¬ naar binnen, verwissel je ∀ en ∃ en ontken je de binnenste formule.

Verzamelingen, relaties & functies

Twee verzamelingen
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Drie verzamelingen
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Verschil en complement
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Machtsverzameling en product
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Deelverzamelingen van grootte k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Functies A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relaties op n elementen
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Samenstelling
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Methode

  1. Teken een venndiagram en bepaal gebied voor gebied wat bij de verzamelingsuitdrukking hoort.
  2. Vul bij telproblemen de gebieden van binnen naar buiten in: eerst alle verzamelingen, dan de paren, dan de losse verzamelingen en tot slot de buitenkant.
  3. Gebruik inclusie–exclusie als controle: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Test bij een relatie elke eigenschap op elk paar en geef één tegenvoorbeeld als ze niet geldt.
  5. Tel bij een functie de pijlen die aankomen bij elk element van B: hoogstens één betekent injectief, minstens één surjectief.

Grafentheorie

Handenschudlemma
Σ deg(v) = 2|E|
Volledige grafen
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Reguliere graaf
|E| = n·k/2
Boom en bos
|E| = n − 1, |E| = n − c
Bladeren van een boom
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
circuit: alle graden even; pad: precies 2 oneven graden
Hamiltoncircuits in Kn
(n − 1)!/2
Dijkstra-update
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Wandelingen van lengte L
(Mᴸ)ij

Methode

  1. Schrijf de graad van elk hoekpunt op; de graden zijn samen twee keer het aantal kanten.
  2. Controleer bij Eulervragen of de graaf samenhangend is en tel de hoekpunten met oneven graad.
  3. Gebruik bij bomen n − 1 kanten en het handenschudlemma.
  4. Houd bij Dijkstra een tabel met voorlopige afstanden bij en leg elke ronde het onafgehandelde hoekpunt met de kleinste afstand vast.
  5. Sorteer voor een minimaal opspannende boom de kanten op gewicht en sla elke kant over die een cykel sluit (Kruskal), of laat één boom groeien vanuit een beginpunt (Prim).

Getaltheorie & modulair rekenen

Deling met rest
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclides
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Kleinste gemene veelvoud
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inverse
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Lineaire congruentie
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Eulers φ-functie
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

Methode

  1. Reduceer eerst elk getal modulo n; resten liggen tussen 0 en n − 1.
  2. Deel voor een ggd herhaaldelijk met het algoritme van Euclides; de laatste rest ongelijk aan nul is de ggd.
  3. Laat voor een inverse het uitgebreide algoritme lopen en houd de coëfficiënt van a; tel n erbij op als die negatief is.
  4. Los a·x ≡ b op door met a⁻¹ te vermenigvuldigen; combineer twee congruenties door x = r₁ + m₁k te schrijven.
  5. Schrijf bij machten de exponent binair en kwadrateer herhaaldelijk; in RSA is d = e⁻¹ mod φ(n) met φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Oefenopgaven

1.Propositielogica & bewijzenGemiddeld
pqr¬((p ↔ ¬q) ∧ r)(¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r))111?110?101?100?011?010?001?000?

In hoeveel van de 8 rijen van zijn waarheidstabel is ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) waar? Noem dit aantal N.

¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r))
N =
2.Propositielogica & bewijzenMoeilijk
pqp → q¬p¬q11100100

De redenering met premissen p → q; ¬p en conclusie ¬q is ongeldig. Klik op de rij van de waarheidstabel die een tegenvoorbeeld is.

p → q¬p∴ ¬q
  1. 1p = 1, q = 1
  2. 2p = 1, q = 0
  3. 3p = 0, q = 1
  4. 4p = 0, q = 0
3.Verzamelingen, relaties & functiesGemiddeld
UFGS

In een groep van 59 studenten spreken er 31 Frans (F), 30 Duits (G) en 24 Spaans (S). 9 spreken Frans en Duits, 14 Frans en Spaans, 14 Duits en Spaans, en 6 spreken alle drie. Hoeveel zitten in precies één van de drie verzamelingen? Noem het aantal n.

|U| = 59
n =
4.Verzamelingen, relaties & functiesMoeilijk
x12345f(x)13552g(x)12355

De functies f en g op {1, 2, 3, 4, 5} zijn gegeven door hun tabellen. Bepaal (f ∘ g)(4).

f: 1 ↦ 1, 2 ↦ 3, 3 ↦ 5, 4 ↦ 5, 5 ↦ 2g: 1 ↦ 1, 2 ↦ 2, 3 ↦ 3, 4 ↦ 5, 5 ↦ 5
(f ∘ g)(4) =
5.GrafentheorieGemiddeld

Een boom heeft 2 hoekpunten van graad 4, 3 hoekpunten van graad 2, en al zijn andere hoekpunten zijn bladeren (graad 1). Hoeveel bladeren L heeft hij?

2 × deg 43 × deg 2
L =
6.GrafentheorieMoeilijk
64523201177169ABCDEFG

Het algoritme van Prim bouwt een minimaal opspannende boom vanaf hoekpunt F. Klik op de kant die het toevoegt als kant nummer 6.

start: Fk = 6
  1. 1kant AB
  2. 2kant AC
  3. 3kant BC
  4. 4kant BD
  5. 5kant CE
  6. 6kant DE
  7. 7kant DF
  8. 8kant GB
  9. 9kant GC
  10. 10kant GD
  11. 11kant GE
7.Getaltheorie & modulair rekenenGemiddeld

Vind het kleinste positieve gehele getal x met x ≡ 3 (mod 5) en x ≡ 7 (mod 12).

x ≡ 3 (mod 5)x ≡ 7 (mod 12)
x =
8.Getaltheorie & modulair rekenenMoeilijk
444c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (731, 11)d

Versleutel het bericht m = 444 met de publieke RSA-sleutel (n, e) = (731, 11). Bepaal de cijfertekst c.

n = 731e = 11m = 444
c =

3Oplossingen

1.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: N = 1

Waarheidstabellen: een formule met n verschillende variabelen heeft 2ⁿ rijen, één voor elke combinatie van waarheidswaarden (1 = waar, 0 = onwaar). Werk van binnen naar buiten en geef elke deelformule een eigen kolom. ¬a draait de waarde om; a ∧ b is alleen 1 als beide 1 zijn; a ∨ b is alleen 0 als beide 0 zijn; a → b is alleen 0 als a = 1 en b = 0; a ↔ b is 1 als beide kanten gelijk zijn.

Waarheidstabel rij voor rij

p = 1, q = 1, r = 1: ¬r = 0, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 0, p ↔ ¬q = 0, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 1, q = 1, r = 0: ¬r = 1, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 0, p ↔ ¬q = 0, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 1, q = 0, r = 1: ¬r = 0, ¬r ∨ q = 0, ¬q = 1, p ↔ ¬q = 1, (p ↔ ¬q) ∧ r = 1, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 0, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 1, q = 0, r = 0: ¬r = 1, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 1, p ↔ ¬q = 1, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 0, q = 1, r = 1: ¬r = 0, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 0, p ↔ ¬q = 1, (p ↔ ¬q) ∧ r = 1, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 0, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 0, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 1
p = 0, q = 1, r = 0: ¬r = 1, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 0, p ↔ ¬q = 1, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 0, q = 0, r = 1: ¬r = 0, ¬r ∨ q = 0, ¬q = 1, p ↔ ¬q = 0, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0
p = 0, q = 0, r = 0: ¬r = 1, ¬r ∨ q = 1, ¬q = 1, p ↔ ¬q = 0, (p ↔ ¬q) ∧ r = 0, ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, (¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r) = 1, ¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)) = 0

Tel de rijen met waarde 1

¬((¬r ∨ q) → ¬((p ↔ ¬q) ∧ r)): 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 0
N = 1

Antwoord

N = 1
2.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: p = 0, q = 1

Kwantoren en redeneringen: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) en ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Schuif een ontkenning naar binnen, verwissel elke kwantor die ze passeert en ontken de binnenste formule met de propositiewetten, zoals ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Een redenering is geldig als de conclusie 1 is in elke rij waarin alle premissen 1 zijn. Eén rij met ware premissen en een onware conclusie is een tegenvoorbeeld en toont aan dat de redenering ongeldig is.

Premissen en conclusie rij voor rij

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

Tegenvoorbeeld

p = 0, q = 1

Antwoord

p = 0, q = 1

Een redenering van deze vorm lijkt op een geldige regel, maar één rij is genoeg om te laten zien dat dat niet zo is.

3.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: n = 29

Verzamelingen en venndiagrammen: A ∪ B bevat de elementen in A of B (of beide), A ∩ B de elementen in beide, A − B de elementen van A die niet in B zitten, en het complement A′ alles in U dat niet in A zit. In een venndiagram is elke verzamelingsuitdrukking een vereniging van gebieden, dus tel gebied voor gebied. Inclusie–exclusie: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|, en |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Midden en paren

F ∩ G ∩ S: 6
F ∩ G alleen: 9 − 6 = 3
F ∩ S alleen: 14 − 6 = 8
G ∩ S alleen: 14 − 6 = 8

Losse verzamelingen

F alleen: 31 − 3 − 8 − 6 = 14
G alleen: 30 − 3 − 8 − 6 = 13
S alleen: 24 − 8 − 8 − 6 = 2

Antwoord

14 + 13 + 2 = 29

Antwoord

n = 29
4.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: (f ∘ g)(4) = 2

Functies en tellen: een functie f: A → B geeft elk element van A precies één beeld in B. f is injectief (één-op-één) als verschillende elementen verschillende beelden hebben, surjectief (op) als elk element van B een beeld is, en bijectief als beide gelden. Met |A| = m en |B| = n zijn er nᵐ functies, n!/(n − m)! injectieve (m ≤ n), en met inclusie–exclusie Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ surjectieve. |𝒫(A)| = 2ᵐ en |A × B| = m·n.

Binnenste functie

g(4) = 5

Buitenste functie

f(5) = 2
(f ∘ g)(4) = 2

Antwoord

(f ∘ g)(4) = 2
5.Grafentheorie

Antwoord: L = 6

Euler, Hamilton en bomen: een samenhangende graaf heeft een Eulercircuit (elke kant één keer, terug naar het begin) als elk hoekpunt even graad heeft, en een Eulerpad dat geen circuit is als precies twee hoekpunten oneven graad hebben; het pad loopt dan van het ene oneven hoekpunt naar het andere. Een Hamiltoncircuit bezoekt elk hoekpunt één keer; Kn heeft er (n − 1)!/2. Een boom op n hoekpunten heeft n − 1 kanten, en een samenhangende graaf met m kanten houdt een opspannende boom over na het verwijderen van m − n + 1 kanten.

Handenschudlemma voor een boom

L + 14 = 2(L + 5) − 2
L = 6

Antwoord

L = 6

Snelle methode: L = 2 + Σ (d − 2) over de hoekpunten met graad d ≥ 3.

6.Grafentheorie

Antwoord: kant GC

Kortste paden en opspannende bomen: het algoritme van Dijkstra legt per ronde één hoekpunt vast: het onafgehandelde hoekpunt met de kleinste voorlopige afstand. Zijn afstand is dan definitief, en elke buur v krijgt d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Het algoritme van Kruskal bouwt een minimaal opspannende boom door de kanten van licht naar zwaar te nemen en elke kant over te slaan die een cykel zou sluiten; het algoritme van Prim laat één boom groeien vanuit een beginpunt door steeds de lichtste kant toe te voegen die eruit vertrekt. Een opspannende boom van n hoekpunten heeft n − 1 kanten.

Het algoritme van Prim

1. DF (1)
2. BD (2)
3. BC (5)
4. CE (3)
5. AC (4)
6. GC (7)

kantnummer 6

GC

Antwoord

kant GC
7.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: x = 43

Inversen en congruenties: a heeft een inverse modulo n precies als ggd(a, n) = 1. Het uitgebreide algoritme van Euclides schrijft 1 = s·n + t·a, en dan is a⁻¹ ≡ t (mod n). Een congruentie a·x ≡ b (mod n) met ggd(a, n) = 1 heeft de oplossing x ≡ a⁻¹·b. Twee congruenties x ≡ r₁ (mod m₁) en x ≡ r₂ (mod m₂) met onderling ondeelbare moduli hebben één oplossing modulo m₁·m₂ (Chinese reststelling). Eulers φ(n) telt de getallen van 1 tot n die onderling ondeelbaar zijn met n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Eerste congruentie

x = 3 + 5k

Tweede congruentie

3 + 5k ≡ 7 (mod 12) → 5k ≡ 4 (mod 12)
k ≡ 5·4 ≡ 8 (mod 12)

Resultaat

x = 3 + 5·8 = 43
x = 43
controle: 43 mod 5 = 3, 43 mod 12 = 7

Antwoord

x = 43
8.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: c = 569

Modulaire machten en RSA: bereken aᵏ mod n door herhaald kwadrateren: schrijf k binair, kwadrateer, reduceer na elke stap en vermenigvuldig de machten waarvan de bit 1 is. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) voor een priemgetal p dat a niet deelt, dus de exponent kan modulo p − 1 gereduceerd worden. RSA: kies priemgetallen p en q, n = p·q en φ(n) = (p − 1)(q − 1); de publieke exponent e is onderling ondeelbaar met φ(n), en de privé-exponent is d = e⁻¹ mod φ(n). Versleutel met c = mᵉ mod n en ontsleutel met m = cᵈ mod n.

Herhaald kwadrateren

11 = 8 + 2 + 1
4441 ≡ 444 (mod 731)
4442 ≡ 497 (mod 731)
4444 ≡ 662 (mod 731)
4448 ≡ 375 (mod 731)
44411 ≡ 444·497·375 ≡ 569 (mod 731)

Cijfertekst

c = 569

Antwoord

c = 569

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics