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

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

(¬c → ¬a) ∧ ¬((c ↔ a) ∧ ¬b)
N =
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil
qrq ∨ rq¬r11100100

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

q ∨ rq∴ ¬r
  1. 1q = 1, r = 1
  2. 2q = 1, r = 0
  3. 3q = 0, r = 1
  4. 4q = 0, r = 0
3.Conjuntos, relações e funçõesMédia
UFGS

Num grupo de 58 estudantes, 36 falam francês (F), 36 falam alemão (G) e 30 falam espanhol (S). 16 falam francês e alemão, 17 francês e espanhol, 18 alemão e espanhol, e 6 falam os três. Quantos estão em exatamente dois dos três conjuntos? Chame o número de n.

|U| = 58
n =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil

Uma relação de equivalência R em {1, …, 8} tem as classes {1, 3, 4, 7}, {2, 5, 6}, {8}. Quantos pares ordenados R contém? Chame o número de |R|.

{1, 3, 4, 7}{2, 5, 6}{8}
|R| =
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
4586171912ABCDEF

O algoritmo de Kruskal constrói uma árvore geradora mínima. Clique na aresta que ele acrescenta como aresta de número 5; as arestas descartadas não contam.

k = 5
  1. 1aresta AC
  2. 2aresta BC
  3. 3aresta BD
  4. 4aresta CE
  5. 5aresta DE
  6. 6aresta DF
  7. 7aresta EF
  8. 8aresta BE
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia

Resolva 59x ≡ 58 (mod 75). Dê a solução x com 0 < x < 75.

59x ≡ 58 (mod 75)
x =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil

13 é primo. Use o pequeno teorema de Fermat para encontrar 674986 mod 13.

p = 13k = 74986
674986 mod 13 =

3Soluções

1.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: N = 4

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

Conte as linhas com valor 1

(¬c → ¬a) ∧ ¬((c ↔ a) ∧ ¬b): 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0
N = 4

Resposta

N = 4
2.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: 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

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

Contraexemplo

q = 1, r = 1

Resposta

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: n = 33

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: 6
F ∩ G apenas: 16 − 6 = 10
F ∩ S apenas: 17 − 6 = 11
G ∩ S apenas: 18 − 6 = 12

Conjuntos individuais

F apenas: 36 − 10 − 11 − 6 = 9
G apenas: 36 − 10 − 12 − 6 = 8
S apenas: 30 − 11 − 12 − 6 = 1

Resposta

10 + 11 + 12 = 33

Resposta

n = 33
4.Conjuntos, relações e funções

Resposta: |R| = 26

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 por classe

|R| = 4² + 3² + 1² = 26

Resposta

|R| = 26
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) = 2, deg(B) = 3, deg(C) = 3, deg(D) = 2, deg(E) = 3, deg(F) = 1

Vértices ímpares

B, C, E, F → 4
nenhuma das duas

Resposta

nenhuma das duas
6.Teoria dos grafos

Resposta: aresta DF

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

1. DE (1)
2. AC (4)
3. BC (5)
4. CE (6)
5. DF (7)

número da aresta 5

DF

Resposta

aresta DF
7.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: x = 62

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 59

r = 75, t = 0
r = 59, q = 1, t = 1
r = 16, q = 3, t = −1
r = 11, q = 1, t = 4
r = 5, q = 2, t = −5
r = 1, q = 5, t = 14
59−1 ≡ 14 (mod 75)

Resolva

x ≡ 14·58 = 812 ≡ 62 (mod 75)
verificação: 59·62 = 3658 ≡ 58 (mod 75)

Resposta

x = 62
8.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: 674986 mod 13 = 4

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

74986 mod 12 = 10
674986 ≡ 610 (mod 13)

Potência pequena

610 mod 13 = 4

Resposta

674986 mod 13 = 4

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