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¬p ∧ q¬p ∧ ¬q¬p ∨ ¬q

Która formuła jest logicznie równoważna ¬(p ∧ q)? Kliknij ją.

¬(p ∧ q)
  1. 1¬p ∨ q
  2. 2¬p ∧ q
  3. 3¬p ∧ ¬q
  4. 4¬p ∨ ¬q
2.Rachunek zdań i dowodyTrudny
c ∨ a¬bb ∨ ab ∧ a

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

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

Ankieta wśród 65 osób: laptop (L) ma 23, tablet (T) 32, smartwatch (W) 33. L i T ma 6, L i W 13, T i W 16, a wszystkie trzy 3. Ile elementów nie należy do żadnego z trzech zbiorów?

|U| = 65
|(L ∪ T ∪ W)′| =
4.Zbiory, relacje i funkcjeTrudny

Ile jest relacji zwrotnych na zbiorze 3-elementowym? Nazwij tę liczbę N.

|X| = 3
N =
5.Teoria grafówŚredni

Ile różnych cykli Hamiltona H ma graf pełny K8? Cykle różniące się tylko wierzchołkiem startowym lub kierunkiem liczą się jako ten sam.

K8
H =
6.Teoria grafówTrudny
ABCDE

Ile jest marszów o długości 2 z A do B? Marsz może powtarzać wierzchołki i krawędzie. Nazwij tę liczbę N.

M = macierz sąsiedztwaL = 2
N =
7.Teoria liczb i arytmetyka modularnaŚredni

Znajdź najmniejszą dodatnią liczbę całkowitą x, dla której x ≡ 1 (mod 11) i x ≡ 3 (mod 13).

x ≡ 1 (mod 11)x ≡ 3 (mod 13)
x =
8.Teoria liczb i arytmetyka modularnaTrudny

29 jest liczbą pierwszą. Użyj małego twierdzenia Fermata, aby znaleźć 1392702 mod 29.

p = 29k = 92702
1392702 mod 29 =

3Roztwory

1.Rachunek zdań i dowody

Odpowiedź: ¬p ∨ ¬q

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).

Prawo

Prawa de Morgana: ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b. ∧ zamienia się w ∨, a obie części są zanegowane.
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q

Sprawdź tablicą prawdy

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

Odpowiedź

¬p ∨ ¬q

Kolumny po kresce to opcje w pokazanej kolejności.

2.Rachunek zdań i dowody

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

Wniosek

b ∨ a (rozdzielczość)

Odpowiedź

b ∨ a
3.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: |(L ∪ T ∪ W)′| = 9

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|.

Środek i pary

L ∩ T ∩ W: 3
L ∩ T tylko: 6 − 3 = 3
L ∩ W tylko: 13 − 3 = 10
T ∩ W tylko: 16 − 3 = 13

Pojedyncze zbiory

L tylko: 23 − 3 − 10 − 3 = 7
T tylko: 32 − 3 − 13 − 3 = 13
W tylko: 33 − 10 − 13 − 3 = 7

Odpowiedź

|L ∪ T ∪ W| = 56
|(L ∪ T ∪ W)′| = 65 − 56 = 9

Odpowiedź

|(L ∪ T ∪ W)′| = 9
4.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: N = 64

Relacje: relacja R na zbiorze X to zbiór par uporządkowanych (x, y). R jest zwrotna, gdy (x, x) ∈ R dla każdego x z X; symetryczna, gdy (x, y) ∈ R zawsze występuje razem z (y, x) ∈ R; antysymetryczna, gdy (x, y) i (y, x) należą do R tylko wtedy, gdy x = y; oraz przechodnia, gdy (x, y) i (y, z) w R wymuszają (x, z) ∈ R. Relacja równoważności jest zwrotna, symetryczna i przechodnia i dzieli X na rozłączne klasy.

Policz dowolne wybory

N = 23² − 3 = 64

Odpowiedź

N = 64
5.Teoria grafów

Odpowiedź: H = 2520

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.

Policz

H = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

Odpowiedź

H = 2520
6.Teoria grafów

Odpowiedź: N = 1

Stopnie: stopień wierzchołka to liczba krawędzi, które się w nim stykają. Każda krawędź ma dwa końce, więc stopnie sumują się do dwukrotności liczby krawędzi: Σ deg(v) = 2|E| (lemat o uściskach dłoni). Liczba wierzchołków o nieparzystym stopniu jest zatem parzysta. Kn ma n(n − 1)/2 krawędzi, graf k-regularny o n wierzchołkach ma nk/2, a drzewo o n wierzchołkach ma n − 1 krawędzi.

Macierz sąsiedztwa

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

Wspólni sąsiedzi

(M²)AB = 0·1 + 1·0 + 1·1 + 0·1 + 0·1 = 1

Odpowiedź

N = 1
7.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: x = 133

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).

Pierwsza kongruencja

x = 1 + 11k

Druga kongruencja

1 + 11k ≡ 3 (mod 13) → 11k ≡ 2 (mod 13)
k ≡ 6·2 ≡ 12 (mod 13)

Wynik

x = 1 + 11·12 = 133
x = 133
sprawdzenie: 133 mod 11 = 1, 133 mod 13 = 3

Odpowiedź

x = 133
8.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: 1392702 mod 29 = 16

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.

Zredukuj wykładnik

92702 mod 28 = 22
1392702 ≡ 1322 (mod 29)

Mała potęga

1322 mod 29 = 16

Odpowiedź

1392702 mod 29 = 16

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics