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¬q ∧ rp ↔ (¬q ∧ r)(q ∧ p) → (p ↔ (¬q ∧ r))111?110?101?100?011?010?001?000?

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

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

In hoeveel van de 16 rijen van de waarheidstabel is ((q ∨ p) ∨ (r → ¬p)) ↔ (q ∨ ¬s) waar? Noem dit aantal N.

((q ∨ p) ∨ (r → ¬p)) ↔ (q ∨ ¬s)
N =
3.Verzamelingen, relaties & functiesGemiddeld
UMPC

Van 58 eerstejaarsstudenten slaagden er 22 voor Wiskunde (M), 17 voor Natuurkunde (P) en 33 voor Scheikunde (C). 4 slaagden voor M en P, 9 voor M en C, 12 voor P en C, en 2 voor alle drie. Hoeveel zitten in geen van de drie verzamelingen?

|U| = 58
|(M ∪ P ∪ C)′| =
4.Verzamelingen, relaties & functiesMoeilijk

Hoeveel relaties op een verzameling met 4 elementen zijn zowel reflexief als symmetrisch? Noem het aantal N.

|X| = 4
N =
5.GrafentheorieGemiddeld

Een samenhangende graaf heeft 18 hoekpunten en 18 kanten. Hoeveel kanten k moeten worden verwijderd om een opspannende boom over te houden?

|V| = 18|E| = 18
k =
6.GrafentheorieMoeilijk
20151013412371ABCDEFG

Het algoritme van Kruskal bouwt een minimaal opspannende boom. Klik op de kant die het toevoegt als kant nummer 2; overgeslagen kanten tellen niet mee.

k = 2
  1. 1kant AC
  2. 2kant BC
  3. 3kant BD
  4. 4kant CE
  5. 5kant DF
  6. 6kant EF
  7. 7kant GB
  8. 8kant GD
  9. 9kant GE
7.Getaltheorie & modulair rekenenGemiddeld

Bepaal Eulers φ φ(77), het aantal gehele getallen van 1 tot 77 die onderling ondeelbaar zijn met 77.

n = 77 = 7·11
φ(77) =
8.Getaltheorie & modulair rekenenMoeilijk

59 is een priemgetal. Gebruik de kleine stelling van Fermat om 2165615 mod 59 te vinden.

p = 59k = 65615
2165615 mod 59 =

3Oplossingen

1.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: N = 6

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

Tel de rijen met waarde 1

(q ∧ p) → (p ↔ (¬q ∧ r)): 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1
N = 6

Antwoord

N = 6
2.Propositielogica & bewijzen

Antwoord: N = 12

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.

Kolommen

q ∨ p; ¬p; r → ¬p; (q ∨ p) ∨ (r → ¬p); ¬s; q ∨ ¬s; ((q ∨ p) ∨ (r → ¬p)) ↔ (q ∨ ¬s)

Splits op p

p = 1: 6
p = 0: 6
N = 6 + 6 = 12

Antwoord

N = 12
3.Verzamelingen, relaties & functies

Antwoord: |(M ∪ P ∪ C)′| = 9

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: 2
M ∩ P alleen: 4 − 2 = 2
M ∩ C alleen: 9 − 2 = 7
P ∩ C alleen: 12 − 2 = 10

Losse verzamelingen

M alleen: 22 − 2 − 7 − 2 = 11
P alleen: 17 − 2 − 10 − 2 = 3
C alleen: 33 − 7 − 10 − 2 = 14

Antwoord

|M ∪ P ∪ C| = 49
|(M ∪ P ∪ C)′| = 58 − 49 = 9

Antwoord

|(M ∪ P ∪ C)′| = 9
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 = 26 = 64

Antwoord

N = 64
5.Grafentheorie

Antwoord: k = 1

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.

Kanten van een opspannende boom

18 − 1 = 17

Te verwijderen kanten

k = 18 − 17 = 1

Antwoord

k = 1
6.Grafentheorie

Antwoord: kant GB

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 Kruskal

1. GE (1)
2. GB (3)
3. DF (4)
4. GD (7)
5. CE (13)
6. AC (20)

kantnummer 2

GB

Antwoord

kant GB
7.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: φ(77) = 60

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

77 = 7·11

φ-waarde

φ(77) = φ(7)·φ(11) = 6·10 = 60

Antwoord

φ(77) = 60
8.Getaltheorie & modulair rekenen

Antwoord: 2165615 mod 59 = 48

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

65615 mod 58 = 17
2165615 ≡ 2117 (mod 59)

Kleine macht

2117 mod 59 = 48

Antwoord

2165615 mod 59 = 48

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics