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
tautologiacontradiçãocontingência

((q ∨ p) ∧ ¬q) → p é uma tautologia, uma contradição ou uma contingência? Clique na sua resposta.

((q ∨ p) ∧ ¬q) → p
  1. 1tautologia
  2. 2contradição
  3. 3contingência
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
UMP10

De 68 estudantes do primeiro ano, 33 foram aprovados em Matemática (M), 38 foram aprovados em Física (P) e 10 nas duas. Quantos estão em exatamente um dos dois conjuntos?

|U| = 68|M| = 33|P| = 38|M ∩ P| = 10
|(M − P) ∪ (P − M)| =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil

Quantas funções f: A → B existem se |A| = 5 e |B| = 3? Chame o número de N.

|A| = 5|B| = 3
N =
5.Teoria dos grafosMédia

Quantos circuitos hamiltonianos diferentes H tem o grafo completo K5? Circuitos que diferem apenas no vértice inicial ou no sentido contam como o mesmo.

K5
H =
6.Teoria dos grafosDifícil
459121011157131ABCDEFG

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

Resolva 35x ≡ 38 (mod 41). Dê a solução x com 0 < x < 41.

35x ≡ 38 (mod 41)
x =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil

89 é primo. Use o pequeno teorema de Fermat para encontrar 1613762 mod 89.

p = 89k = 13762
1613762 mod 89 =

3Soluções

1.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: tautologia

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).

Tabela-verdade linha por linha

p = 1, q = 1: q ∨ p = 1, ¬q = 0, (q ∨ p) ∧ ¬q = 0, ((q ∨ p) ∧ ¬q) → p = 1
p = 1, q = 0: q ∨ p = 1, ¬q = 1, (q ∨ p) ∧ ¬q = 1, ((q ∨ p) ∧ ¬q) → p = 1
p = 0, q = 1: q ∨ p = 1, ¬q = 0, (q ∨ p) ∧ ¬q = 0, ((q ∨ p) ∧ ¬q) → p = 1
p = 0, q = 0: q ∨ p = 0, ¬q = 1, (q ∨ p) ∧ ¬q = 0, ((q ∨ p) ∧ ¬q) → p = 1

Classifique

((q ∨ p) ∧ ¬q) → p: 1, 1, 1, 1
1 em todas as linhas: uma tautologia.

Resposta

tautologia
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: |(M − P) ∪ (P − M)| = 51

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|.

Regiões

M ∩ P: 10
M − P: 33 − 10 = 23
P − M: 38 − 10 = 28
(M ∪ P)′: 68 − (23 + 28 + 10) = 7

Resposta

|(M − P) ∪ (P − M)| = 51

Resposta

|(M − P) ∪ (P − M)| = 51
4.Conjuntos, relações e funções

Resposta: N = 243

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 = 35 = 243

Resposta

N = 243
5.Teoria dos grafos

Resposta: H = 12

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 = (5 − 1)!/2 = 24/2 = 12

Resposta

H = 12
6.Teoria dos grafos

Resposta: d(F) = 22

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: 4, C: 5
B (4): D: 16, G: 17
C (5): E: 15
E (15): F: 22
D (16)
G (17)
F (22)

Caminho mais curto

A → C → E → F
d(F) = 22

Resposta

d(F) = 22
7.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: x = 21

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 35

r = 41, t = 0
r = 35, q = 1, t = 1
r = 6, q = 5, t = −1
r = 5, q = 1, t = 6
r = 1, q = 5, t = −7
35−1 ≡ 34 (mod 41)

Resolva

x ≡ 34·38 = 1292 ≡ 21 (mod 41)
verificação: 35·21 = 735 ≡ 38 (mod 41)

Resposta

x = 21
8.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: 1613762 mod 89 = 16

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.

Reduza o expoente

13762 mod 88 = 34
1613762 ≡ 1634 (mod 89)

Potência pequena

1634 mod 89 = 16

Resposta

1613762 mod 89 = 16

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