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
c ∨ ¬a¬c ∨ aa → c¬c ∧ a

Welke formule is logisch equivalent met c → a? Klik erop.

c → a
  1. 1c ∨ ¬a
  2. 2¬c ∨ a
  3. 3a → c
  4. 4¬c ∧ a
2.Propositielogica & bewijzenMoeilijk
¬rr¬r ∧ qq

De premissen r → q; ¬q zijn gegeven. Welke conclusie volgt eruit? Klik erop.

r → q¬q
  1. 1¬r
  2. 2r
  3. 3¬r ∧ q
  4. 4q
3.Verzamelingen, relaties & functiesGemiddeld
UFGS

In een groep van 72 studenten spreken er 37 Frans (F), 37 Duits (G) en 30 Spaans (S). 19 spreken Frans en Duits, 14 Frans en Spaans, 13 Duits en Spaans, en 6 spreken alle drie. Hoeveel zitten alleen in F?

|U| = 72
|F − (G ∪ S)| =
4.Verzamelingen, relaties & functiesMoeilijk

Hoeveel reflexieve relaties zijn er op een verzameling met 3 elementen? Noem het aantal N.

|X| = 3
N =
5.GrafentheorieGemiddeld

Hoeveel verschillende Hamiltoncircuits H heeft de volledige graaf K7? Circuits die alleen verschillen in het beginpunt of de richting tellen als hetzelfde.

K7
H =
6.GrafentheorieMoeilijk
ABCDE

Hoeveel gesloten wandelingen van lengte 2 beginnen en eindigen bij D? Een wandeling mag hoekpunten en kanten herhalen. Noem het aantal N.

M = adjacentiematrixL = 2
N =
7.Getaltheorie & modulair rekenenGemiddeld

Los 36x ≡ 43 (mod 59) op. Geef de oplossing x met 0 < x < 59.

36x ≡ 43 (mod 59)
x =
8.Getaltheorie & modulair rekenenMoeilijk

Gebruik herhaald kwadrateren om 62115 mod 85 te vinden.

a = 62k = 115n = 85
62115 mod 85 =

3Oplossingen

1.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: ¬c ∨ a

Logische equivalentie: twee formules zijn equivalent (≡) als ze in elke rij van de waarheidstabel dezelfde waarde hebben. Een tautologie is in elke rij 1, een contradictie in elke rij 0, en een contingentie is geen van beide. Nuttige wetten: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b en ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (contrapositie); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; en de distributieve wetten, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

De wet

a → b is alleen 0 als a = 1 en b = 0, dus het is hetzelfde als ¬a ∨ b.
c → a ≡ ¬c ∨ a

Controleer met de waarheidstabel

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

Antwoord

¬c ∨ a

De kolommen na de streep zijn de opties in de getoonde volgorde.

2.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: ¬r

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.

Rijen met alle premissen waar

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

Conclusie

¬r (modus tollens)

Antwoord

¬r
3.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: |F − (G ∪ S)| = 10

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: 19 − 6 = 13
F ∩ S alleen: 14 − 6 = 8
G ∩ S alleen: 13 − 6 = 7

Losse verzamelingen

F alleen: 37 − 13 − 8 − 6 = 10
G alleen: 37 − 13 − 7 − 6 = 11
S alleen: 30 − 8 − 7 − 6 = 9

Antwoord

|F − (G ∪ S)| = 10

Antwoord

|F − (G ∪ S)| = 10
4.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: N = 64

Relaties: een relatie R op een verzameling X is een verzameling geordende paren (x, y). R is reflexief als (x, x) ∈ R voor elke x in X; symmetrisch als (x, y) ∈ R altijd samengaat met (y, x) ∈ R; antisymmetrisch als (x, y) en (y, x) alleen beide in R zitten als x = y; en transitief als (x, y) en (y, z) in R (x, z) ∈ R afdwingen. Een equivalentierelatie is reflexief, symmetrisch en transitief, en verdeelt X in disjuncte klassen.

Tel de vrije keuzes

N = 23² − 3 = 64

Antwoord

N = 64
5.Grafentheorie

Antwoord: H = 360

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.

Tellen

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

Antwoord

H = 360
6.Grafentheorie

Antwoord: N = 2

Graden: de graad van een hoekpunt is het aantal kanten dat erin samenkomt. Elke kant heeft twee uiteinden, dus de graden tellen op tot twee keer het aantal kanten: Σ deg(v) = 2|E| (het handenschudlemma). Het aantal hoekpunten met oneven graad is daarom even. Kn heeft n(n − 1)/2 kanten, een k-reguliere graaf op n hoekpunten heeft nk/2, en een boom op n hoekpunten heeft n − 1 kanten.

Adjacentiematrix

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

Gemeenschappelijke buren

(M²)DD = 0·0 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 1·1 = 2

Antwoord

N = 2
7.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: x = 52

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).

Inverse van 36

r = 59, t = 0
r = 36, q = 1, t = 1
r = 23, q = 1, t = −1
r = 13, q = 1, t = 2
r = 10, q = 1, t = −3
r = 3, q = 3, t = 5
r = 1, q = 3, t = −18
36−1 ≡ 41 (mod 59)

Oplossen

x ≡ 41·43 = 1763 ≡ 52 (mod 59)
controle: 36·52 = 1872 ≡ 43 (mod 59)

Antwoord

x = 52
8.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: 62115 mod 85 = 73

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.

Binaire exponent

115 = 11100112 = 64 + 32 + 16 + 2 + 1

Herhaald kwadrateren

621 ≡ 62 (mod 85)
622 ≡ 19 (mod 85)
624 ≡ 21 (mod 85)
628 ≡ 16 (mod 85)
6216 ≡ 1 (mod 85)
6232 ≡ 1 (mod 85)
6264 ≡ 1 (mod 85)

Vermenigvuldig de benodigde machten

62115 ≡ 62·19·1·1·1 ≡ 73 (mod 85)

Antwoord

62115 mod 85 = 73

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics