Matemática Discreta: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 8 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Lógica proposicional e demonstrações

Linhas de uma tabela-verdade
2ⁿ
Implicação
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Implicação negada
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Bicondicional
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
De Morgan
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Leis distributivas
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Quantificadores negados
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Método

  1. Conte as variáveis diferentes: a tabela-verdade tem 2ⁿ linhas, começando com todas elas iguais a 1.
  2. Dê a cada subfórmula a sua própria coluna e preencha as colunas de dentro para fora.
  3. Aplique a regra de cada conectivo: → só é 0 para 1 → 0, ↔ vale 1 quando os dois lados coincidem.
  4. Para equivalências, compare as colunas finais linha a linha; para um argumento, olhe apenas as linhas em que todas as premissas valem 1.
  5. Para negar uma afirmação quantificada, mova ¬ para dentro, troque ∀ e ∃ e negue a fórmula interna.

Conjuntos, relações e funções

Dois conjuntos
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Três conjuntos
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Diferença e complemento
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Conjunto das partes e produto cartesiano
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Subconjuntos de tamanho k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Funções A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Relações em n elementos
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Composição
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Método

  1. Desenhe um diagrama de Venn e decida, região por região, o que pertence à expressão de conjuntos.
  2. Em problemas de contagem, preencha as regiões do centro para fora: todos os conjuntos, depois os pares, depois cada conjunto sozinho e por fim a parte de fora.
  3. Use a inclusão–exclusão como verificação: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Para uma relação, teste cada propriedade em todos os pares e dê um contraexemplo quando ela falhar.
  5. Para uma função, conte as setas que chegam a cada elemento de B: no máximo uma significa injetora, pelo menos uma significa sobrejetora.

Teoria dos grafos

Lema do aperto de mãos
Σ deg(v) = 2|E|
Grafos completos
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Grafo regular
|E| = n·k/2
Árvore e floresta
|E| = n − 1, |E| = n − c
Folhas de uma árvore
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Euler
circuito: todos os graus pares; caminho: exatamente 2 graus ímpares
Circuitos hamiltonianos em Kn
(n − 1)!/2
Atualização de Dijkstra
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Passeios de comprimento L
(Mᴸ)ij

Método

  1. Anote o grau de cada vértice; a soma dos graus é igual ao dobro do número de arestas.
  2. Em questões de Euler, verifique se o grafo é conexo e conte os vértices de grau ímpar.
  3. Para árvores, use n − 1 arestas e o lema do aperto de mãos.
  4. Em Dijkstra, mantenha uma tabela de distâncias provisórias e fixe a cada rodada o vértice não fixado de menor distância.
  5. Para uma árvore geradora mínima, ordene as arestas por peso e pule toda aresta que feche um ciclo (Kruskal), ou faça crescer uma árvore a partir de um vértice inicial (Prim).

Teoria dos números e aritmética modular

Divisão com resto
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Euclides
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Mínimo múltiplo comum
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Inversa
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Congruência linear
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Função totiente de Euler
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

Método

  1. Reduza antes todos os números módulo n; os restos ficam entre 0 e n − 1.
  2. Para um mdc, divida repetidamente com o algoritmo de Euclides; o último resto não nulo é o mdc.
  3. Para um inverso, execute o algoritmo estendido e guarde o coeficiente de a; some n se ele for negativo.
  4. Resolva a·x ≡ b multiplicando por a⁻¹; combine duas congruências escrevendo x = r₁ + m₁k.
  5. Para potências, escreva o expoente em binário e eleve ao quadrado repetidamente; no RSA, d = e⁻¹ mod φ(n) com φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Exercícios

1.Lógica proposicional e demonstraçõesMédia
¬b → ¬c¬¬c → ¬¬b¬c ∧ ¬¬b¬¬b → ¬¬c

Você quer demonstrar ¬c → ¬b por contraposição. Qual implicação você demonstra em seu lugar? Clique nela.

¬c → ¬b
  1. 1¬b → ¬c
  2. 2¬¬c → ¬¬b
  3. 3¬c ∧ ¬¬b
  4. 4¬¬b → ¬¬c
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil
pqrq → (p ∨ r)qp111110101100011010001000

O argumento com premissas q → (p ∨ r); q e conclusão p é inválido. Clique na linha da tabela-verdade que é um contraexemplo.

q → (p ∨ r)q∴ p
  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.Conjuntos, relações e funçõesMédia
1234

R = {(1, 2), (1, 4), (2, 2), (3, 1), (3, 2), (4, 1)} é uma relação em {1, 2, 3, 4}. Qual é o menor número k de pares ordenados que devem ser acrescentados a R para torná-la transitiva (o tamanho do fecho transitivo menos |R|)?

R = {(1, 2), (1, 4), (2, 2), (3, 1), (3, 2), (4, 1)}
k =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil

Quantas bijeções f: A → B existem se |A| = |B| = 5? Chame o número de N.

|A| = 5|B| = 5
N =
5.Teoria dos grafosMédia
ABCDEFCircuito eulerianoCaminho euleriano, sem circuitonenhuma das duas

O grafo conexo tem um circuito euleriano, um caminho euleriano que não é circuito, ou nenhum dos dois? Clique na sua resposta.

|V| = 6|E| = 7
  1. 1Circuito euleriano
  2. 2Caminho euleriano, sem circuito
  3. 3nenhuma das duas
6.Teoria dos grafosDifícil
2131161115518ABCDEF

Encontre o peso total W de uma árvore geradora mínima do grafo ponderado.

|V| = 6|E| = 8
W =
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia

Resolva 29x ≡ 61 (mod 79). Dê a solução x com 0 < x < 79.

29x ≡ 61 (mod 79)
x =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil
mc = me​ mod n912m = cd​ mod n?(n, e) = (943, 13)d

Uma chave RSA usa p = 23, q = 41 e e = 13. Decifre o texto cifrado c = 912: encontre a mensagem m.

p = 23q = 41e = 13c = 912
m =

3Soluções

1.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: ¬¬b → ¬¬c

Equivalência lógica: duas fórmulas são equivalentes (≡) quando têm o mesmo valor em todas as linhas da tabela-verdade. Uma tautologia vale 1 em todas as linhas, uma contradição vale 0 em todas as linhas, e uma contingência não é nenhuma das duas. Leis úteis: De Morgan, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b e ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (contrapositiva); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; e as leis distributivas, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Partes da implicação

a = ¬c, b = ¬b

Contrapositiva

¬b → ¬a = ¬¬b → ¬¬c

Resposta

¬¬b → ¬¬c

A contrapositiva é equivalente à afirmação original, então demonstrá-la demonstra a afirmação.

2.Lógica proposicional e demonstrações

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

Quantificadores e argumentos: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) e ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Mova a negação para dentro, troque todo quantificador que ela atravessa e negue a fórmula interna com as leis proposicionais, como ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Um argumento é válido quando a conclusão vale 1 em toda linha em que todas as premissas valem 1. Uma única linha com premissas verdadeiras e conclusão falsa é um contraexemplo e mostra que o argumento é inválido.

Premissas e conclusão linha por linha

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

Contraexemplo

p = 0, q = 1, r = 1

Resposta

p = 0, q = 1, r = 1

Um argumento com essa forma parece uma regra válida, mas uma linha basta para mostrar que não é.

3.Conjuntos, relações e funções

Resposta: k = 4

Relações: uma relação R num conjunto X é um conjunto de pares ordenados (x, y). R é reflexiva quando (x, x) ∈ R para todo x em X; simétrica quando (x, y) ∈ R sempre vem acompanhado de (y, x) ∈ R; antissimétrica quando (x, y) e (y, x) estão ambos em R somente se x = y; e transitiva quando (x, y) e (y, z) em R forçam (x, z) ∈ R. Uma relação de equivalência é reflexiva, simétrica e transitiva, e divide X em classes disjuntas.

Pares a acrescentar

{(1, 1), (3, 4), (4, 2), (4, 4)}

Contar

k = 4

Resposta

k = 4
4.Conjuntos, relações e funções

Resposta: N = 120

Funções e contagem: uma função f: A → B dá a cada elemento de A exatamente uma imagem em B. f é injetora quando elementos diferentes têm imagens diferentes, sobrejetora quando todo elemento de B é uma imagem, e bijetora quando ambas as condições valem. Com |A| = m e |B| = n há nᵐ funções, n!/(n − m)! injetoras (m ≤ n) e, por inclusão–exclusão, Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ sobrejetoras. |𝒫(A)| = 2ᵐ e |A × B| = m·n.

Contar

N = 5!/(5 − 5)! = 120

Resposta

N = 120
5.Teoria dos grafos

Resposta: nenhuma das duas

Euler, Hamilton e árvores: um grafo conexo tem um circuito euleriano (cada aresta uma vez, de volta ao início) quando todo vértice tem grau par, e um caminho euleriano que não é circuito quando exatamente dois vértices têm grau ímpar; o caminho vai então de um vértice ímpar ao outro. Um circuito hamiltoniano visita cada vértice uma vez; Kn tem (n − 1)!/2 deles. Uma árvore com n vértices tem n − 1 arestas, e um grafo conexo com m arestas mantém uma árvore geradora depois de remover m − n + 1 arestas.

Graus

deg(A) = 1, deg(B) = 3, deg(C) = 2, deg(D) = 3, deg(E) = 3, deg(F) = 2

Vértices ímpares

A, B, D, E → 4
nenhuma das duas

Resposta

nenhuma das duas
6.Teoria dos grafos

Resposta: W = 34

Caminhos mínimos e árvores geradoras: o algoritmo de Dijkstra fixa um vértice por rodada: o vértice não fixado com a menor distância provisória. Sua distância torna-se definitiva, e cada vizinho v recebe d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). O algoritmo de Kruskal constrói uma árvore geradora mínima tomando as arestas da mais leve para a mais pesada e descartando qualquer aresta que feche um ciclo; o algoritmo de Prim faz crescer uma árvore a partir de um vértice inicial acrescentando sempre a aresta mais leve que sai dela. Uma árvore geradora de n vértices tem n − 1 arestas.

Algoritmo de Kruskal

BC (1): tomar
AB (2): tomar
EF (5): tomar
CE (11): tomar
AC (13): descartar, fecha um ciclo
DE (15): tomar

Peso total

W = 1 + 2 + 5 + 11 + 15 = 34

Resposta

W = 34
7.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: x = 13

Inversos e congruências: a tem inverso módulo n exatamente quando mdc(a, n) = 1. O algoritmo de Euclides estendido escreve 1 = s·n + t·a, e então a⁻¹ ≡ t (mod n). Uma congruência a·x ≡ b (mod n) com mdc(a, n) = 1 tem a solução x ≡ a⁻¹·b. Duas congruências x ≡ r₁ (mod m₁) e x ≡ r₂ (mod m₂) com módulos coprimos têm uma solução módulo m₁·m₂ (teorema chinês do resto). O φ(n) de Euler conta os números de 1 a n que são coprimos com n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Inverso de 29

r = 79, t = 0
r = 29, q = 2, t = 1
r = 21, q = 1, t = −2
r = 8, q = 2, t = 3
r = 5, q = 1, t = −8
r = 3, q = 1, t = 11
r = 2, q = 1, t = −19
r = 1, q = 2, t = 30
29−1 ≡ 30 (mod 79)

Resolva

x ≡ 30·61 = 1830 ≡ 13 (mod 79)
verificação: 29·13 = 377 ≡ 61 (mod 79)

Resposta

x = 13
8.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: m = 838

Potências modulares e RSA: calcule aᵏ mod n por elevação ao quadrado repetida: escreva k em binário, eleve ao quadrado, reduza a cada passo e multiplique as potências cujo bit é 1. Fermat: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) para um primo p que não divide a, então o expoente pode ser reduzido módulo p − 1. RSA: escolha primos p e q, n = p·q e φ(n) = (p − 1)(q − 1); o expoente público e é coprimo com φ(n), e o expoente privado é d = e⁻¹ mod φ(n). Cifre com c = mᵉ mod n e decifre com m = cᵈ mod n.

Expoente privado

n = 943, φ(n) = 880
d = 13−1 mod 880 = 677

Decifre por elevação ao quadrado repetida

677 = 512 + 128 + 32 + 4 + 1
9121 ≡ 912 (mod 943)
9122 ≡ 18 (mod 943)
9124 ≡ 324 (mod 943)
9128 ≡ 303 (mod 943)
91216 ≡ 338 (mod 943)
91232 ≡ 141 (mod 943)
91264 ≡ 78 (mod 943)
912128 ≡ 426 (mod 943)
912256 ≡ 420 (mod 943)
912512 ≡ 59 (mod 943)
912677 ≡ 912·324·141·426·59 ≡ 838 (mod 943)

Mensagem

m = 838
verificação: 83813 mod 943 = 912

Resposta

m = 838

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