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
tautologiakontradykcjakontyngencja

Czy (c → a) ∧ (c ∧ ¬a) jest tautologią, kontradykcją czy kontyngencją? Kliknij swoją odpowiedź.

(c → a) ∧ (c ∧ ¬a)
  1. 1tautologia
  2. 2kontradykcja
  3. 3kontyngencja
2.Rachunek zdań i dowodyTrudny
pqrq → (r ∨ p)qr111110101100011010001000

Wnioskowanie z przesłankami q → (r ∨ p); q i wnioskiem r jest niepoprawne. Kliknij wiersz tablicy prawdy, który jest kontrprzykładem.

q → (r ∨ p)q∴ r
  1. 1p = 1, q = 1, r = 1
  2. 2p = 1, q = 1, r = 0
  3. 3p = 1, q = 0, r = 1
  4. 4p = 1, q = 0, r = 0
  5. 5p = 0, q = 1, r = 1
  6. 6p = 0, q = 1, r = 0
  7. 7p = 0, q = 0, r = 1
  8. 8p = 0, q = 0, r = 0
3.Zbiory, relacje i funkcjeŚredni
1234zwrotnasymetrycznaantysymetrycznaprzechodnia

Relacja R na {1, 2, 3, 4} jest narysowana jako graf skierowany (pętla oznacza (x, x) ∈ R). Zachodzi dokładnie jedna z czterech własności. Kliknij ją.

R = {(1, 1), (1, 3), (1, 4), (3, 1), (3, 3), (3, 4)}
  1. 1zwrotna
  2. 2symetryczna
  3. 3antysymetryczna
  4. 4przechodnia
4.Zbiory, relacje i funkcjeTrudny

Relacja równoważności R na {1, …, 10} ma klasy {5, 7, 10}, {2, 3, 4, 9}, {6}, {1, 8}. Ile par uporządkowanych zawiera R? Nazwij tę liczbę |R|.

{5, 7, 10}{2, 3, 4, 9}{6}{1, 8}
|R| =
5.Teoria grafówŚredni

Ile różnych cykli Hamiltona H ma graf pełny K5? Cykle różniące się tylko wierzchołkiem startowym lub kierunkiem liczą się jako ten sam.

K5
H =
6.Teoria grafówTrudny
17120515469ABCDEF

Algorytm Kruskala buduje minimalne drzewo rozpinające. Kliknij krawędź, którą dodaje jako krawędź numer 5; pominięte krawędzie się nie liczą.

k = 5
  1. 1krawędź AB
  2. 2krawędź AC
  3. 3krawędź BC
  4. 4krawędź BD
  5. 5krawędź CE
  6. 6krawędź DE
  7. 7krawędź EF
  8. 8krawędź BE
7.Teoria liczb i arytmetyka modularnaŚredni

Znajdź element odwrotny do 15 modulo 37: liczbę x, dla której 0 < x < 37 oraz 15·x ≡ 1 (mod 37).

a = 15n = 37
15−1 mod 37 =
8.Teoria liczb i arytmetyka modularnaTrudny
mc = me​ mod n174m = cd​ mod n?(n, e) = (589, 13)d

Klucz RSA używa p = 19, q = 31 i e = 13. Odszyfruj szyfrogram c = 174: znajdź wiadomość m.

p = 19q = 31e = 13c = 174
m =

3Roztwory

1.Rachunek zdań i dowody

Odpowiedź: kontradykcja

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).

Tablica prawdy wiersz po wierszu

a = 1, c = 1: c → a = 1, ¬a = 0, c ∧ ¬a = 0, (c → a) ∧ (c ∧ ¬a) = 0
a = 1, c = 0: c → a = 1, ¬a = 0, c ∧ ¬a = 0, (c → a) ∧ (c ∧ ¬a) = 0
a = 0, c = 1: c → a = 0, ¬a = 1, c ∧ ¬a = 1, (c → a) ∧ (c ∧ ¬a) = 0
a = 0, c = 0: c → a = 1, ¬a = 1, c ∧ ¬a = 0, (c → a) ∧ (c ∧ ¬a) = 0

Sklasyfikuj

(c → a) ∧ (c ∧ ¬a): 0, 0, 0, 0
0 w każdym wierszu: kontradykcja.

Odpowiedź

kontradykcja
2.Rachunek zdań i dowody

Odpowiedź: p = 1, q = 1, r = 0

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.

Przesłanki i wniosek wiersz po wierszu

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

Kontrprzykład

p = 1, q = 1, r = 0

Odpowiedź

p = 1, q = 1, r = 0

Wnioskowanie o tej postaci wygląda jak poprawna reguła, ale jeden wiersz wystarczy, by pokazać, że nią nie jest.

3.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: przechodnia

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.

zwrotna

nie zachodzi: (2, 2) ∉ R

symetryczna

nie zachodzi: (1, 4) ∈ R, (4, 1) ∉ R

antysymetryczna

nie zachodzi: (1, 3), (3, 1) ∈ R

przechodnia

zachodzi

Odpowiedź

przechodnia
4.Zbiory, relacje i funkcje

Odpowiedź: |R| = 30

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.

Pary w każdej klasie

|R| = 3² + 4² + 1² + 2² = 30

Odpowiedź

|R| = 30
5.Teoria grafów

Odpowiedź: H = 12

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 = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

Odpowiedź

H = 12
6.Teoria grafów

Odpowiedź: krawędź CE

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 Kruskala

1. AC (1)
2. DE (4)
3. BD (5)
4. EF (6)
5. CE (15)

numer krawędzi 5

CE

Odpowiedź

krawędź CE
7.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: 15−1 mod 37 = 5

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·15 (mod 37).

r = 37, t = 0
r = 15, q = 2, t = 1
r = 7, q = 2, t = −2
r = 1, q = 7, t = 5

Odwrotność

1 ≡ 5·15 (mod 37)
x = 5
sprawdzenie: 15·5 = 75 = 2·37 + 1

Odpowiedź

15−1 mod 37 = 5
8.Teoria liczb i arytmetyka modularna

Odpowiedź: m = 534

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.

Wykładnik prywatny

n = 589, φ(n) = 540
d = 13−1 mod 540 = 457

Odszyfruj przez wielokrotne podnoszenie do kwadratu

457 = 256 + 128 + 64 + 8 + 1
1741 ≡ 174 (mod 589)
1742 ≡ 237 (mod 589)
1744 ≡ 214 (mod 589)
1748 ≡ 443 (mod 589)
17416 ≡ 112 (mod 589)
17432 ≡ 175 (mod 589)
17464 ≡ 586 (mod 589)
174128 ≡ 9 (mod 589)
174256 ≡ 81 (mod 589)
174457 ≡ 174·443·586·9·81 ≡ 534 (mod 589)

Wiadomość

m = 534
sprawdzenie: 53413 mod 589 = 174

Odpowiedź

m = 534

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics