Narysuj diagram Venna i rozstrzygnij obszar po obszarze, co należy do wyrażenia na zbiorach.
W zadaniach na zliczanie wypełniaj obszary od środka na zewnątrz: najpierw wszystkie zbiory, potem pary, potem pojedyncze zbiory, na końcu zewnętrze.
Użyj zasady włączeń i wyłączeń do sprawdzenia: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Dla relacji sprawdź każdą własność na każdej parze i podaj jeden kontrprzykład, gdy zawodzi.
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
Zapisz stopień każdego wierzchołka; suma stopni jest równa dwukrotności liczby krawędzi.
W zadaniach o grafach eulerowskich sprawdź, czy graf jest spójny, i policz wierzchołki o nieparzystym stopniu.
Dla drzew użyj n − 1 krawędzi i lematu o uściskach dłoni.
W algorytmie Dijkstry prowadź tabelę tymczasowych odległości i w każdej rundzie zatwierdzaj niezatwierdzony wierzchołek o najmniejszej odległości.
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
Najpierw zredukuj każdą liczbę modulo n; reszty leżą między 0 a n − 1.
Aby znaleźć NWD, dziel wielokrotnie algorytmem Euklidesa; ostatnia niezerowa reszta jest NWD.
Aby znaleźć element odwrotny, uruchom rozszerzony algorytm i zachowaj współczynnik przy a; dodaj n, jeśli jest ujemny.
Rozwiąż a·x ≡ b, mnożąc przez a⁻¹; dwie kongruencje połącz, zapisując x = r₁ + m₁k.
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
Która formuła jest logicznie równoważna ¬(q ∧ r)? Kliknij ją.
¬(q ∧ r)
1¬q ∧ r
2¬q ∨ r
3¬q ∧ ¬r
4¬q ∨ ¬r
2.Rachunek zdań i dowodyTrudny
Dane są przesłanki c → b; b → a. Jaki wniosek z nich wynika? Kliknij go.
c → bb → a
1¬c → ¬a
2a → c
3c ∧ a
4c → a
3.Zbiory, relacje i funkcjeŚredni
Ankieta wśród 52 osób: laptop (L) ma 18, tablet (T) 24, smartwatch (W) 26. L i T ma 7, L i W 4, T i W 14, a wszystkie trzy 1. Ile elementów jest tylko w L?
|U| = 52
|L − (T ∪ W)| =
4.Zbiory, relacje i funkcjeTrudny
Relacja równoważności R na {1, …, 9} ma klasy {1}, {2, 4, 7, 8}, {3, 5, 6, 9}. Ile par uporządkowanych zawiera R? Nazwij tę liczbę |R|.
{1}{2, 4, 7, 8}{3, 5, 6, 9}
|R| =
5.Teoria grafówŚredni
Drzewo ma 2× wierzchołek stopnia 3, 4× wierzchołek stopnia 4, 4× wierzchołek stopnia 5, 4× wierzchołek stopnia 2, a wszystkie jego pozostałe wierzchołki są liśćmi (stopień 1). Ile liści L ma to drzewo?
2 × deg 34 × deg 44 × deg 54 × deg 2
L =
6.Teoria grafówTrudny
Użyj algorytmu Dijkstry, aby znaleźć długość d(E) najkrótszej ścieżki z A do E w grafie ważonym.
start: Akoniec: E
d(E) =
7.Teoria liczb i arytmetyka modularnaŚredni
Znajdź element odwrotny do 22 modulo 31: liczbę x, dla której 0 < x < 31 oraz 22·x ≡ 1 (mod 31).
a = 22n = 31
22−1 mod 31 =
8.Teoria liczb i arytmetyka modularnaTrudny
Klucz RSA używa p = 31, q = 43 i e = 23. Odszyfruj szyfrogram c = 691: znajdź wiadomość m.
p = 31q = 43e = 23c = 691
m =
3Roztwory
1.Rachunek zdań i dowody
Odpowiedź: ¬q ∨ ¬r
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.
¬(q ∧ r) ≡ ¬q ∨ ¬r
Sprawdź tablicą prawdy
q = 1, r = 1: 0 | 0 1 0 0
q = 1, r = 0: 1 | 0 0 0 1
q = 0, r = 1: 1 | 1 1 0 1
q = 0, r = 0: 1 | 0 1 1 1
Odpowiedź
¬q ∨ ¬r
Kolumny po kresce to opcje w pokazanej kolejności.
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: ¬c → ¬a = 1, a → c = 1, c ∧ a = 1, c → a = 1
a = 1, b = 1, c = 0: ¬c → ¬a = 0, a → c = 0, c ∧ a = 0, c → a = 1
a = 1, b = 0, c = 0: ¬c → ¬a = 0, a → c = 0, c ∧ a = 0, c → a = 1
a = 0, b = 0, c = 0: ¬c → ¬a = 1, a → c = 1, c ∧ a = 0, c → a = 1
Wniosek
c → a (sylogizm hipotetyczny)
Odpowiedź
c → a
3.Zbiory, relacje i funkcje
Odpowiedź: |L − (T ∪ W)| = 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|.
Środek i pary
L ∩ T ∩ W: 1
L ∩ T tylko: 7 − 1 = 6
L ∩ W tylko: 4 − 1 = 3
T ∩ W tylko: 14 − 1 = 13
Pojedyncze zbiory
L tylko: 18 − 6 − 3 − 1 = 8
T tylko: 24 − 6 − 13 − 1 = 4
W tylko: 26 − 3 − 13 − 1 = 9
Odpowiedź
|L − (T ∪ W)| = 8
Odpowiedź
|L − (T ∪ W)| = 8
4.Zbiory, relacje i funkcje
Odpowiedź: |R| = 33
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| = 1² + 4² + 4² = 33
Odpowiedź
|R| = 33
5.Teoria grafów
Odpowiedź: L = 24
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 + 50 = 2(L + 14) − 2
L = 24
Odpowiedź
L = 24
Skrót: L = 2 + Σ (d − 2) po wierzchołkach o stopniu d ≥ 3.
6.Teoria grafów
Odpowiedź: d(E) = 34
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
Każdy wiersz: zatwierdzony wierzchołek, jego ostateczna odległość oraz sąsiedzi, których odległość się poprawia.
A (0): B: 15, C: 1
C (1): B: 13
B (13): D: 26, G: 26
D (26): E: 35
G (26): E: 34
E (34): F: 45
F (45)
Najkrótsza ścieżka
A → C → B → G → E
d(E) = 34
Odpowiedź
d(E) = 34
7.Teoria liczb i arytmetyka modularna
Odpowiedź: 22−1 mod 31 = 24
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·22 (mod 31).
r = 31, t = 0
r = 22, q = 1, t = 1
r = 9, q = 2, t = −1
r = 4, q = 2, t = 3
r = 1, q = 4, t = −7
Odwrotność
1 ≡ −7·22 (mod 31)
x = 24
sprawdzenie: 22·24 = 528 = 17·31 + 1
Odpowiedź
22−1 mod 31 = 24
8.Teoria liczb i arytmetyka modularna
Odpowiedź: m = 546
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 = 1333, φ(n) = 1260
d = 23−1 mod 1260 = 767
Odszyfruj przez wielokrotne podnoszenie do kwadratu