Matematyka dyskretna: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Rachunek zdań i dowody

Wiersze tablicy prawdy
2ⁿ
Implikacja
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Zaprzeczenie implikacji
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Równoważność
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
Prawa de Morgana
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Prawa rozdzielności
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Zaprzeczanie kwantyfikatorów
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Metoda

  1. Policz różne zmienne: tablica prawdy ma 2ⁿ wierszy, a zaczyna się od samych jedynek.
  2. Każdej podformule daj osobną kolumnę i wypełniaj kolumny od wewnątrz na zewnątrz.
  3. Stosuj regułę każdego spójnika: → jest 0 tylko dla 1 → 0, ↔ jest 1, gdy obie strony się zgadzają.
  4. Przy równoważnościach porównaj końcowe kolumny wiersz po wierszu; przy wnioskowaniu patrz tylko na wiersze, w których każda przesłanka jest równa 1.
  5. Aby zaprzeczyć zdaniu z kwantyfikatorem, przesuń ¬ do środka, zamień ∀ i ∃ oraz zaprzecz formule wewnętrznej.

Zbiory, relacje i funkcje

Dwa zbiory
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Trzy zbiory
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Różnica i dopełnienie
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Zbiór potęgowy i iloczyn kartezjański
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Podzbiory k-elementowe
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funkcje A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relacje na n elementach
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Złożenie
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Metoda

  1. Narysuj diagram Venna i rozstrzygnij obszar po obszarze, co należy do wyrażenia na zbiorach.
  2. W zadaniach na zliczanie wypełniaj obszary od środka na zewnątrz: najpierw wszystkie zbiory, potem pary, potem pojedyncze zbiory, na końcu zewnętrze.
  3. Użyj zasady włączeń i wyłączeń do sprawdzenia: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Dla relacji sprawdź każdą własność na każdej parze i podaj jeden kontrprzykład, gdy zawodzi.
  5. Dla funkcji policz strzałki wchodzące do każdego elementu B: co najwyżej jedna oznacza różnowartościowość, co najmniej jedna – surjekcję.

Teoria grafów

Lemat o uściskach dłoni
Σ deg(v) = 2|E|
Grafy pełne
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Graf regularny
|E| = n·k/2
Drzewo i las
|E| = n − 1, |E| = n − c
Liście drzewa
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
cykl: wszystkie stopnie parzyste; ścieżka: dokładnie 2 stopnie nieparzyste
Cykle Hamiltona w Kn
(n − 1)!/2
Aktualizacja w algorytmie Dijkstry
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Marsze o długości L
(Mᴸ)ij

Metoda

  1. Zapisz stopień każdego wierzchołka; suma stopni jest równa dwukrotności liczby krawędzi.
  2. W zadaniach o grafach eulerowskich sprawdź, czy graf jest spójny, i policz wierzchołki o nieparzystym stopniu.
  3. Dla drzew użyj n − 1 krawędzi i lematu o uściskach dłoni.
  4. W algorytmie Dijkstry prowadź tabelę tymczasowych odległości i w każdej rundzie zatwierdzaj niezatwierdzony wierzchołek o najmniejszej odległości.
  5. Dla minimalnego drzewa rozpinającego posortuj krawędzie według wagi i pomijaj każdą krawędź zamykającą cykl (Kruskal) albo rozbudowuj jedno drzewo od wierzchołka startowego (Prim).

Teoria liczb i arytmetyka modularna

Dzielenie z resztą
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euklides
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Najmniejsza wspólna wielokrotność
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Odwrotność
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Kongruencja liniowa
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Funkcja φ Eulera
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

Metoda

  1. Najpierw zredukuj każdą liczbę modulo n; reszty leżą między 0 a n − 1.
  2. Aby znaleźć NWD, dziel wielokrotnie algorytmem Euklidesa; ostatnia niezerowa reszta jest NWD.
  3. Aby znaleźć element odwrotny, uruchom rozszerzony algorytm i zachowaj współczynnik przy a; dodaj n, jeśli jest ujemny.
  4. Rozwiąż a·x ≡ b, mnożąc przez a⁻¹; dwie kongruencje połącz, zapisując x = r₁ + m₁k.
  5. Przy potęgach zapisz wykładnik binarnie i wielokrotnie podnoś do kwadratu; w RSA d = e⁻¹ mod φ(n), gdzie φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Zadania do ćwiczenia

1.Rachunek zdań i dowodyŚredni
¬p → ¬¬q¬q → p¬¬q → ¬pp ∧ ¬¬q

Chcesz udowodnić p → ¬q przez kontrapozycję. Którą implikację udowadniasz zamiast niej? Kliknij ją.

p → ¬q
  1. 1¬p → ¬¬q
  2. 2¬q → p
  3. 3¬¬q → ¬p
  4. 4p ∧ ¬¬q
2.Rachunek zdań i dowodyTrudny
b ∨ ac ∨ ac ∧ a¬c

Dane są przesłanki b ∨ c; ¬b ∨ a. Jaki wniosek z nich wynika? Kliknij go.

b ∨ c¬b ∨ a
  1. 1b ∨ a
  2. 2c ∨ a
  3. 3c ∧ a
  4. 4¬c
3.Zbiory, relacje i funkcjeŚredni
UABC12345678

Dokładnie jeden obszar diagramu Venna jest zbiorem (C′ ∪ A) ∩ (B ∩ A′). Kliknij jego numer.

(C′ ∪ A) ∩ (B ∩ A′)
  1. 1obszar 1
  2. 2obszar 2
  3. 3obszar 3
  4. 4obszar 4
  5. 5obszar 5
  6. 6obszar 6
  7. 7obszar 7
  8. 8obszar 8
4.Zbiory, relacje i funkcjeTrudny
x12345f(x)41434g(x)53254

Funkcje f i g na {1, 2, 3, 4, 5} są dane tabelami. Znajdź (f ∘ f)(4).

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

Drzewo ma 3× wierzchołek stopnia 3, a wszystkie jego pozostałe wierzchołki są liśćmi (stopień 1). Ile liści L ma to drzewo?

3 × deg 3
L =
6.Teoria grafówTrudny
32936241015ABCDEFG

Algorytm Dijkstry rusza z A. Kliknij wierzchołek zatwierdzony (uczyniony stałym) w rundzie 5; sam A to runda 1.

start: Arunda 5
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G
7.Teoria liczb i arytmetyka modularnaŚredni

Znajdź element odwrotny do 3 modulo 23: liczbę x, dla której 0 < x < 23 oraz 3·x ≡ 1 (mod 23).

a = 3n = 23
3−1 mod 23 =
8.Teoria liczb i arytmetyka modularnaTrudny
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (799, 5)d = ?

Klucz RSA używa liczb pierwszych p = 17 i q = 47 oraz wykładnika publicznego e = 5. Znajdź wykładnik prywatny d (0 < d < φ(n)).

p = 17q = 47e = 5
d =

3Roztwory

1.Rachunek zdań i dowody

Odpowiedź: ¬¬q → ¬p

Równoważność logiczna: dwie formuły są równoważne (≡), gdy mają tę samą wartość w każdym wierszu tablicy prawdy. Tautologia jest równa 1 w każdym wierszu, kontradykcja 0 w każdym wierszu, a formuła kontyngentna nie jest ani jednym, ani drugim. Przydatne prawa: prawa de Morgana, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b oraz ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (kontrapozycja); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; oraz prawa rozdzielności, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Części implikacji

a = p, b = ¬q

Kontrapozycja

¬b → ¬a = ¬¬q → ¬p

Odpowiedź

¬¬q → ¬p

Kontrapozycja jest równoważna zdaniu wyjściowemu, więc jej udowodnienie dowodzi zdania.

2.Rachunek zdań i dowody

Odpowiedź: c ∨ a

Kwantyfikatory i wnioskowania: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) oraz ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Przesuń negację do środka, zamień każdy kwantyfikator, który mija, i zaneguj formułę wewnętrzną prawami rachunku zdań, takimi jak ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Wnioskowanie jest poprawne, gdy wniosek jest równy 1 w każdym wierszu, w którym wszystkie przesłanki są równe 1. Pojedynczy wiersz z prawdziwymi przesłankami i fałszywym wnioskiem jest kontrprzykładem i pokazuje, że wnioskowanie jest niepoprawne.

Wiersze z wszystkimi prawdziwymi przesłankami

a = 1, b = 1, c = 1: b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, c ∧ a = 1, ¬c = 0
a = 1, b = 1, c = 0: b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, c ∧ a = 0, ¬c = 1
a = 1, b = 0, c = 1: b ∨ a = 1, c ∨ a = 1, c ∧ a = 1, ¬c = 0
a = 0, b = 0, c = 1: b ∨ a = 0, c ∨ a = 1, c ∧ a = 0, ¬c = 0

Wniosek

c ∨ a (rozdzielczość)

Odpowiedź

c ∨ a
3.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: obszar 8

Zbiory i diagramy Venna: A ∪ B zawiera elementy należące do A lub B (lub obu), A ∩ B elementy należące do obu, A − B elementy A, które nie należą do B, a dopełnienie A′ wszystko w U, co nie należy do A. Na diagramie Venna każde wyrażenie na zbiorach jest sumą obszarów, więc zliczaj je obszar po obszarze. Włączenia i wyłączenia: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B| oraz |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Wewnątrz lub na zewnątrz każdego zbioru

A′ ∩ B ∩ C′

Obszar

obszar 8

Odpowiedź

obszar 8
4.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: (f ∘ f)(4) = 4

Funkcje i zliczanie: funkcja f: A → B przypisuje każdemu elementowi A dokładnie jeden obraz w B. f jest różnowartościowa (injekcja), gdy różne elementy mają różne obrazy, „na” (surjekcja), gdy każdy element B jest obrazem, i wzajemnie jednoznaczna (bijekcja), gdy zachodzą oba warunki. Dla |A| = m i |B| = n jest nᵐ funkcji, n!/(n − m)! różnowartościowych (m ≤ n) oraz, z zasady włączeń i wyłączeń, Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ funkcji „na”. |𝒫(A)| = 2ᵐ i |A × B| = m·n.

Funkcja wewnętrzna

f(4) = 3

Funkcja zewnętrzna

f(3) = 4
(f ∘ f)(4) = 4

Odpowiedź

(f ∘ f)(4) = 4
5.Teoria grafów

Odpowiedź: L = 5

Euler, Hamilton i drzewa: graf spójny ma cykl Eulera (każda krawędź raz, powrót do startu), gdy każdy wierzchołek ma stopień parzysty, oraz ścieżkę Eulera, która nie jest cyklem, gdy dokładnie dwa wierzchołki mają stopień nieparzysty; ścieżka biegnie wtedy od jednego wierzchołka nieparzystego do drugiego. Cykl Hamiltona odwiedza każdy wierzchołek raz; Kn ma ich (n − 1)!/2. Drzewo o n wierzchołkach ma n − 1 krawędzi, a graf spójny o m krawędziach zachowuje drzewo rozpinające po usunięciu m − n + 1 krawędzi.

Lemat o uściskach dłoni dla drzewa

L + 9 = 2(L + 3) − 2
L = 5

Odpowiedź

L = 5

Skrót: L = 2 + Σ (d − 2) po wierzchołkach o stopniu d ≥ 3.

6.Teoria grafów

Odpowiedź: E

Najkrótsze ścieżki i drzewa rozpinające: algorytm Dijkstry zatwierdza jeden wierzchołek na rundę: niezatwierdzony wierzchołek o najmniejszej tymczasowej odległości. Jego odległość jest wtedy ostateczna, a każdy sąsiad v dostaje d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Algorytm Kruskala buduje minimalne drzewo rozpinające, biorąc krawędzie od lekkich do ciężkich i pomijając każdą, która zamknęłaby cykl; algorytm Prima rozbudowuje jedno drzewo od wierzchołka startowego, zawsze dodając najlżejszą krawędź wychodzącą z niego. Drzewo rozpinające o n wierzchołkach ma n − 1 krawędzi.

Algorytm Dijkstry runda po rundzie

1. A (0): B: 3
2. B (3): C: 5, D: 12, G: 7
3. C (5): E: 8
4. G (7)
5. E (8): F: 10
6. F (10)
7. D (12)

runda 5

E

Odpowiedź

E
7.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: 3−1 mod 23 = 8

Elementy odwrotne i kongruencje: a ma element odwrotny modulo n dokładnie wtedy, gdy NWD(a, n) = 1. Rozszerzony algorytm Euklidesa zapisuje 1 = s·n + t·a, a wtedy a⁻¹ ≡ t (mod n). Kongruencja a·x ≡ b (mod n) przy NWD(a, n) = 1 ma rozwiązanie x ≡ a⁻¹·b. Dwie kongruencje x ≡ r₁ (mod m₁) i x ≡ r₂ (mod m₂) o względnie pierwszych modułach mają jedno rozwiązanie modulo m₁·m₂ (chińskie twierdzenie o resztach). Funkcja φ(n) Eulera zlicza liczby od 1 do n względnie pierwsze z n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Rozszerzony algorytm Euklidesa

Każdą resztę r zapisujemy jako r ≡ t·3 (mod 23).

r = 23, t = 0
r = 3, q = 7, t = 1
r = 2, q = 1, t = −7
r = 1, q = 2, t = 8

Odwrotność

1 ≡ 8·3 (mod 23)
x = 8
sprawdzenie: 3·8 = 24 = 1·23 + 1

Odpowiedź

3−1 mod 23 = 8
8.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: d = 589

Potęgi modularne i RSA: oblicz aᵏ mod n przez wielokrotne podnoszenie do kwadratu: zapisz k binarnie, podnoś do kwadratu, redukuj po każdym kroku i mnóż potęgi, których bit jest równy 1. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) dla liczby pierwszej p niedzielącej a, więc wykładnik można redukować modulo p − 1. RSA: wybierz liczby pierwsze p i q, n = p·q i φ(n) = (p − 1)(q − 1); wykładnik publiczny e jest względnie pierwszy z φ(n), a wykładnik prywatny to d = e⁻¹ mod φ(n). Szyfruj wzorem c = mᵉ mod n, a odszyfrowuj wzorem m = cᵈ mod n.

Moduł i funkcja φ

n = 17·47 = 799
φ(n) = 16·46 = 736

Rozszerzony algorytm Euklidesa

r = 736, t = 0
r = 5, q = 147, t = 1
r = 1, q = 5, t = −147

Wykładnik prywatny

d = 589
sprawdzenie: 5·589 = 2945 = 4·736 + 1

Odpowiedź

d = 589

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics