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
abc(¬a → b) → c¬((¬a → b) → c)(a ↔ (c ∧ b)) ∨ ¬((¬a → b) → c)111?110?101?100?011?010?001?000?

Em quantas das 8 linhas da sua tabela-verdade (a ↔ (c ∧ b)) ∨ ¬((¬a → b) → c) é verdadeira? Chame esse número de N.

(a ↔ (c ∧ b)) ∨ ¬((¬a → b) → c)
N =
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil
∀x (¬P(x) ∨ ¬Q(x))∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))∃x (¬P(x) ∨ ¬Q(x))∀x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))

Qual afirmação é equivalente a ¬∀x (P(x) ∨ Q(x)), com a negação movida totalmente para dentro? Clique nela.

¬∀x (P(x) ∨ Q(x))
  1. 1∀x (¬P(x) ∨ ¬Q(x))
  2. 2∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))
  3. 3∃x (¬P(x) ∨ ¬Q(x))
  4. 4∀x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))
3.Conjuntos, relações e funçõesMédia
UFGS

Num grupo de 61 estudantes, 30 falam francês (F), 36 falam alemão (G) e 28 falam espanhol (S). 14 falam francês e alemão, 19 francês e espanhol, 13 alemão e espanhol, e 5 falam os três. Quantos estão em exatamente um dos três conjuntos? Chame o número de n.

|U| = 61
n =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil
x12345f(x)41312g(x)43155

As funções f e g em {1, 2, 3, 4, 5} são dadas pelas suas tabelas. Encontre (g ∘ f)(2).

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

Quantos circuitos hamiltonianos diferentes H tem o grafo completo K4? Circuitos que diferem apenas no vértice inicial ou no sentido contam como o mesmo.

K4
H =
6.Teoria dos grafosDifícil
7121051521512ABCDEF

Use o algoritmo de Dijkstra para encontrar o comprimento d(F) do caminho mais curto de A até F no grafo ponderado.

início: Afim: F
d(F) =
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia

Encontre a função totiente de Euler φ(1183), o número de inteiros de 1 a 1183 que são coprimos com 1183.

n = 1183 = 7·132
φ(1183) =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil

Quantas soluções N tem 30x ≡ 36 (mod 63) em {0, 1, …, 62}?

30x ≡ 36 (mod 63)
N =

3Soluções

1.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: N = 6

Tabelas-verdade: uma fórmula com n variáveis diferentes tem 2ⁿ linhas, uma para cada combinação de valores lógicos (1 = verdadeiro, 0 = falso). Trabalhe de dentro para fora e dê a cada subfórmula a sua própria coluna. ¬a inverte o valor; a ∧ b vale 1 somente quando ambos valem 1; a ∨ b vale 0 somente quando ambos valem 0; a → b vale 0 somente quando a = 1 e b = 0; a ↔ b vale 1 quando os dois lados são iguais.

Tabela-verdade linha por linha

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

Conte as linhas com valor 1

(a ↔ (c ∧ b)) ∨ ¬((¬a → b) → c): 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1
N = 6

Resposta

N = 6
2.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: ∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))

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.

Mova a negação para dentro

¬∀x (P(x) ∨ Q(x)) ≡ ∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))

Resposta

∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))

As outras alternativas mantêm um quantificador inalterado, mudam a ordem dos quantificadores ou negam a fórmula interna de forma errada.

3.Conjuntos, relações e funções

Resposta: n = 17

Conjuntos e diagramas de Venn: A ∪ B contém os elementos que estão em A ou B (ou ambos), A ∩ B os elementos que estão em ambos, A − B os elementos de A que não estão em B, e o complemento A′ tudo em U que não está em A. Num diagrama de Venn toda expressão de conjuntos é uma união de regiões, então conte-a região por região. Inclusão–exclusão: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|, e |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Centro e pares

F ∩ G ∩ S: 5
F ∩ G apenas: 14 − 5 = 9
F ∩ S apenas: 19 − 5 = 14
G ∩ S apenas: 13 − 5 = 8

Conjuntos individuais

F apenas: 30 − 9 − 14 − 5 = 2
G apenas: 36 − 9 − 8 − 5 = 14
S apenas: 28 − 14 − 8 − 5 = 1

Resposta

2 + 14 + 1 = 17

Resposta

n = 17
4.Conjuntos, relações e funções

Resposta: (g ∘ f)(2) = 4

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.

Função interna

f(2) = 1

Função externa

g(1) = 4
(g ∘ f)(2) = 4

Resposta

(g ∘ f)(2) = 4
5.Teoria dos grafos

Resposta: H = 3

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.

Contar

H = (4 − 1)!/2 = 6/2 = 3

Resposta

H = 3
6.Teoria dos grafos

Resposta: d(F) = 27

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.

Dijkstra rodada por rodada

Cada linha: o vértice fixado, sua distância definitiva e os vizinhos cuja distância melhora.

A (0): B: 7, C: 12
B (7): D: 12, E: 19
C (12)
D (12): E: 14, F: 27
E (14)
F (27)

Caminho mais curto

A → B → D → F
d(F) = 27

Resposta

d(F) = 27
7.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: φ(1183) = 936

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).

Fatores primos

1183 = 7·132

Totiente

φ(1183) = φ(169)·φ(7) = 156·6 = 936

Resposta

φ(1183) = 936
8.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: N = 3

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).

Divida pelo mdc

gcd(30, 63) = 3
10x ≡ 12 (mod 21)

Resolva a congruência reduzida

10−1 ≡ 19 (mod 21) → x ≡ 18 (mod 21)

Soluções módulo 63

x ∈ {18, 39, 60}
N = 3

Resposta

N = 3

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