Desenhe um diagrama de Venn e decida, região por região, o que pertence à expressão de conjuntos.
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.
Use a inclusão–exclusão como verificação: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Para uma relação, teste cada propriedade em todos os pares e dê um contraexemplo quando ela falhar.
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
Anote o grau de cada vértice; a soma dos graus é igual ao dobro do número de arestas.
Em questões de Euler, verifique se o grafo é conexo e conte os vértices de grau ímpar.
Para árvores, use n − 1 arestas e o lema do aperto de mãos.
Em Dijkstra, mantenha uma tabela de distâncias provisórias e fixe a cada rodada o vértice não fixado de menor distância.
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
Reduza antes todos os números módulo n; os restos ficam entre 0 e n − 1.
Para um mdc, divida repetidamente com o algoritmo de Euclides; o último resto não nulo é o mdc.
Para um inverso, execute o algoritmo estendido e guarde o coeficiente de a; some n se ele for negativo.
Resolva a·x ≡ b multiplicando por a⁻¹; combine duas congruências escrevendo x = r₁ + m₁k.
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
Você quer demonstrar ¬r → (q ∨ p) por contraposição. Qual implicação você demonstra em seu lugar? Clique nela.
¬r → (q ∨ p)
1¬¬r → ¬(q ∨ p)
2¬r ∧ ¬(q ∨ p)
3(q ∨ p) → ¬r
4¬(q ∨ p) → ¬¬r
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil
Qual afirmação é equivalente a ¬∃x F(x), com a negação movida totalmente para dentro? Clique nela.
¬∃x F(x)
1∀x ¬F(x)
2∀x F(x)
3∃x F(x)
4∃x ¬F(x)
3.Conjuntos, relações e funçõesMédia
De 61 estudantes do primeiro ano, 36 foram aprovados em Matemática (M), 33 foram aprovados em Física (P) e 24 foram aprovados em Química (C). 19 foram aprovados em M e P, 12 foram aprovados em M e C, 15 foram aprovados em P e C, e 6 foram aprovados nas três. Quantos estão em nenhum dos três conjuntos?
|U| = 61
|(M ∪ P ∪ C)′| =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil
Quantas relações num conjunto com 2 elementos são ao mesmo tempo reflexivas e simétricas? Chame o número de N.
|X| = 2
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
O algoritmo de Dijkstra parte de A. Clique no vértice que é fixado (tornado permanente) na rodada 5; o próprio A é a rodada 1.
início: Arodada 5
1A
2B
3C
4D
5E
6F
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia
Encontre o inverso de 27 módulo 29: o número x com 0 < x < 29 e 27·x ≡ 1 (mod 29).
a = 27n = 29
27−1 mod 29 =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil
Cifre a mensagem m = 149 com a chave pública RSA (n, e) = (235, 3). Encontre o texto cifrado c.
n = 235e = 3m = 149
c =
3Soluções
1.Lógica proposicional e demonstrações
Resposta: ¬(q ∨ p) → ¬¬r
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 = ¬r, b = q ∨ p
Contrapositiva
¬b → ¬a = ¬(q ∨ p) → ¬¬r
Resposta
¬(q ∨ p) → ¬¬r
A contrapositiva é equivalente à afirmação original, então demonstrá-la demonstra a afirmação.
2.Lógica proposicional e demonstrações
Resposta: ∀x ¬F(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 F(x) ≡ ∀x ¬F(x)
Resposta
∀x ¬F(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 ∪ C)′| = 8
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
M ∩ P ∩ C: 6
M ∩ P apenas: 19 − 6 = 13
M ∩ C apenas: 12 − 6 = 6
P ∩ C apenas: 15 − 6 = 9
Conjuntos individuais
M apenas: 36 − 13 − 6 − 6 = 11
P apenas: 33 − 13 − 9 − 6 = 5
C apenas: 24 − 6 − 9 − 6 = 3
Resposta
|M ∪ P ∪ C| = 53
|(M ∪ P ∪ C)′| = 61 − 53 = 8
Resposta
|(M ∪ P ∪ C)′| = 8
4.Conjuntos, relações e funções
Resposta: N = 2
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.
Conte as escolhas livres
N = 21 = 2
Resposta
N = 2
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
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
1. A (0): B: 2, C: 3
2. B (2): D: 16, E: 10
3. C (3)
4. E (10): F: 25
5. D (16)
6. F (25)
rodada 5
D
Resposta
D
7.Teoria dos números e aritmética modular
Resposta: 27−1 mod 29 = 14
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).
Algoritmo de Euclides estendido
Cada resto r é escrito como r ≡ t·27 (mod 29).
r = 29, t = 0
r = 27, q = 1, t = 1
r = 2, q = 13, t = −1
r = 1, q = 2, t = 14
Inversa
1 ≡ 14·27 (mod 29)
x = 14
verificação: 27·14 = 378 = 13·29 + 1
Resposta
27−1 mod 29 = 14
8.Teoria dos números e aritmética modular
Resposta: c = 89
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.