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
tautologiecontradictiecontingentie

Is ((q ∨ p) ∧ ¬q) → p een tautologie, een contradictie of een contingentie? Klik op je antwoord.

((q ∨ p) ∧ ¬q) → p
  1. 1tautologie
  2. 2contradictie
  3. 3contingentie
2.Propositielogica & bewijzenMoeilijk
pqp → qqp11100100

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

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

Van 51 eerstejaarsstudenten slaagden er 36 voor Wiskunde (M), 20 voor Natuurkunde (P) en 21 voor Scheikunde (C). 15 slaagden voor M en P, 16 voor M en C, 7 voor P en C, en 6 voor alle drie. Hoeveel zitten in precies één van de drie verzamelingen? Noem het aantal n.

|U| = 51
n =
4.Verzamelingen, relaties & functiesMoeilijk
x12345f(x)41232g(x)35111

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

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

Hoeveel verschillende Hamiltoncircuits H heeft de volledige graaf K6? Circuits die alleen verschillen in het beginpunt of de richting tellen als hetzelfde.

K6
H =
6.GrafentheorieMoeilijk
1113115131349ABCDEF

Het algoritme van Dijkstra start bij A. Klik op het hoekpunt dat in ronde 5 wordt vastgelegd (definitief gemaakt); A zelf is ronde 1.

start: Aronde 5
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
7.Getaltheorie & modulair rekenenGemiddeld

Bepaal Eulers φ φ(351), het aantal gehele getallen van 1 tot 351 die onderling ondeelbaar zijn met 351.

n = 351 = 33·13
φ(351) =
8.Getaltheorie & modulair rekenenMoeilijk

67 is een priemgetal. Gebruik de kleine stelling van Fermat om 262639 mod 67 te vinden.

p = 67k = 2639
262639 mod 67 =

3Oplossingen

1.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: tautologie

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).

Waarheidstabel rij voor rij

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

Classificeer

((q ∨ p) ∧ ¬q) → p: 1, 1, 1, 1
1 in elke rij: een tautologie.

Antwoord

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

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 = 19

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

M ∩ P ∩ C: 6
M ∩ P alleen: 15 − 6 = 9
M ∩ C alleen: 16 − 6 = 10
P ∩ C alleen: 7 − 6 = 1

Losse verzamelingen

M alleen: 36 − 9 − 10 − 6 = 11
P alleen: 20 − 9 − 1 − 6 = 4
C alleen: 21 − 10 − 1 − 6 = 4

Antwoord

11 + 4 + 4 = 19

Antwoord

n = 19
4.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: (f ∘ f)(5) = 1

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

f(5) = 2

Buitenste functie

f(2) = 1
(f ∘ f)(5) = 1

Antwoord

(f ∘ f)(5) = 1
5.Grafentheorie

Antwoord: H = 60

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 = (6 − 1)!/2 = 120/2 = 60

Antwoord

H = 60
6.Grafentheorie

Antwoord: F

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.

Dijkstra ronde voor ronde

1. A (0): B: 11, C: 13
2. B (11): C: 12, D: 26, E: 20
3. C (12)
4. E (20): F: 24
5. F (24)
6. D (26)

ronde 5

F

Antwoord

F
7.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: φ(351) = 216

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).

Priemfactoren

351 = 33·13

φ-waarde

φ(351) = φ(27)·φ(13) = 18·12 = 216

Antwoord

φ(351) = 216
8.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: 262639 mod 67 = 49

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.

Reduceer de exponent

2639 mod 66 = 65
262639 ≡ 2665 (mod 67)

Kleine macht

2665 mod 67 = 49

Antwoord

262639 mod 67 = 49

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics