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 → r) ↔ (r → q) é uma tautologia, uma contradição ou uma contingência? Clique na sua resposta.

(q → r) ↔ (r → q)
  1. 1tautologia
  2. 2contradição
  3. 3contingência
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil

Quantas das 16 linhas da tabela-verdade tornam (¬(r ∨ p) → (p ∨ q)) → (s ∧ q) verdadeira? Chame esse número de N.

(¬(r ∨ p) → (p ∨ q)) → (s ∧ q)
N =
3.Conjuntos, relações e funçõesMédia
UABC66111257112

Cada número no diagrama de Venn é o número de elementos dessa região. Encontre |A′ ∩ B′|.

|U| = 60
|A′ ∩ B′| =
4.Conjuntos, relações e funçõesDifícil

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

{4, 6}{7}{1, 3, 5}{2}
|R| =
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
81011820511144ABCDEFG

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

|V| = 7|E| = 9
W =
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia

Resolva 14x ≡ 51 (mod 53). Dê a solução x com 0 < x < 53.

14x ≡ 51 (mod 53)
x =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil

Use a elevação ao quadrado repetida para encontrar 1181 mod 61.

a = 11k = 81n = 61
1181 mod 61 =

3Soluções

1.Lógica proposicional e demonstrações

Resposta: contingência

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

q = 1, r = 1: q → r = 1, r → q = 1, (q → r) ↔ (r → q) = 1
q = 1, r = 0: q → r = 0, r → q = 1, (q → r) ↔ (r → q) = 0
q = 0, r = 1: q → r = 1, r → q = 0, (q → r) ↔ (r → q) = 0
q = 0, r = 0: q → r = 1, r → q = 1, (q → r) ↔ (r → q) = 1

Classifique

(q → r) ↔ (r → q): 1, 0, 0, 1
1 em 2 das 4 linhas, 0 nas outras: uma contingência.

Resposta

contingência
2.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.

Colunas

r ∨ p; ¬(r ∨ p); p ∨ q; ¬(r ∨ p) → (p ∨ q); s ∧ q; (¬(r ∨ p) → (p ∨ q)) → (s ∧ q)

Divida em p

p = 1: 2
p = 0: 4
N = 2 + 4 = 6

Resposta

N = 6
3.Conjuntos, relações e funções

Resposta: |A′ ∩ B′| = 11

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 da expressão

A′ ∩ B′ ∩ C′: 6
A′ ∩ B′ ∩ C: 5

Somar

|A′ ∩ B′| = 6 + 5 = 11

Resposta

|A′ ∩ B′| = 11
4.Conjuntos, relações e funções

Resposta: |R| = 15

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| = 2² + 1² + 3² + 1² = 15

Resposta

|R| = 15
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: W = 47

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
GE (4): tomar
DF (5): tomar
AB (8): tomar
AC (10): descartar, fecha um ciclo
GB (11): tomar
GC (14): descartar, fecha um ciclo
BD (18): tomar

Peso total

W = 1 + 4 + 5 + 8 + 11 + 18 = 47

Resposta

W = 47
7.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: x = 15

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 14

r = 53, t = 0
r = 14, q = 3, t = 1
r = 11, q = 1, t = −3
r = 3, q = 3, t = 4
r = 2, q = 1, t = −15
r = 1, q = 2, t = 19
14−1 ≡ 19 (mod 53)

Resolva

x ≡ 19·51 = 969 ≡ 15 (mod 53)
verificação: 14·15 = 210 ≡ 51 (mod 53)

Resposta

x = 15
8.Teoria dos números e aritmética modular

Resposta: 1181 mod 61 = 11

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 binário

81 = 10100012 = 64 + 16 + 1

Elevação ao quadrado repetida

111 ≡ 11 (mod 61)
112 ≡ 60 (mod 61)
114 ≡ 1 (mod 61)
118 ≡ 1 (mod 61)
1116 ≡ 1 (mod 61)
1132 ≡ 1 (mod 61)
1164 ≡ 1 (mod 61)

Multiplique as potências necessárias

1181 ≡ 11·1·1 ≡ 11 (mod 61)

Resposta

1181 mod 61 = 11

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