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
Qual fórmula é logicamente equivalente a q ↔ r? Clique nela.
q ↔ r
1(q → r) ∧ (r → q)
2q ∧ r
3(q → r) ∧ (¬r → ¬q)
4(q → r) ∨ (r → q)
2.Lógica proposicional e demonstraçõesDifícil
Quantas das 16 linhas da tabela-verdade tornam ((a ∧ b) ∨ ¬(¬c → ¬d)) ∧ ¬(b → ¬a) verdadeira? Chame esse número de N.
((a ∧ b) ∨ ¬(¬c → ¬d)) ∧ ¬(b → ¬a)
N =
3.Conjuntos, relações e funçõesMédia
A relação R em {1, 2, 3, 4} está desenhada como um grafo direcionado (um laço significa (x, x) ∈ R). Exatamente uma das quatro propriedades vale. Clique nela.
Uma relação de equivalência R em {1, …, 9} tem as classes {7}, {5, 6, 9}, {1, 2, 3, 4}, {8}. Quantos pares ordenados R contém? Chame o número de |R|.
{7}{5, 6, 9}{1, 2, 3, 4}{8}
|R| =
5.Teoria dos grafosMédia
Quantos circuitos hamiltonianos diferentes H tem o grafo completo K7? Circuitos que diferem apenas no vértice inicial ou no sentido contam como o mesmo.
K7
H =
6.Teoria dos grafosDifícil
Encontre o peso total W de uma árvore geradora mínima do grafo ponderado.
|V| = 7|E| = 10
W =
7.Teoria dos números e aritmética modularMédia
Encontre o inverso de 59 módulo 81: o número x com 0 < x < 81 e 59·x ≡ 1 (mod 81).
a = 59n = 81
59−1 mod 81 =
8.Teoria dos números e aritmética modularDifícil
Uma chave RSA usa os primos p = 13 e q = 29 e o expoente público e = 17. Encontre o expoente privado d (0 < d < φ(n)).
p = 13q = 29e = 17
d =
3Soluções
1.Lógica proposicional e demonstrações
Resposta: (q → r) ∧ (r → q)
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).
A lei
a ↔ b significa que a implicação vale nos dois sentidos: (a → b) ∧ (b → a).
q ↔ r ≡ (q → r) ∧ (r → q)
Confira com a tabela-verdade
q = 1, r = 1: 1 | 1 1 1 1
q = 1, r = 0: 0 | 0 0 0 1
q = 0, r = 1: 0 | 0 0 1 1
q = 0, r = 0: 1 | 1 0 1 1
Resposta
(q → r) ∧ (r → q)
As colunas depois da barra são as alternativas na ordem mostrada.
2.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.
Colunas
a ∧ b; ¬c; ¬d; ¬c → ¬d; ¬(¬c → ¬d); (a ∧ b) ∨ ¬(¬c → ¬d); ¬a; b → ¬a; ¬(b → ¬a); ((a ∧ b) ∨ ¬(¬c → ¬d)) ∧ ¬(b → ¬a)
Divida em a
a = 1: 4
a = 0: 0
N = 4 + 0 = 4
Resposta
N = 4
3.Conjuntos, relações e funções
Resposta: transitiva
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.
reflexiva
falha: (4, 4) ∉ R
simétrica
falha: (1, 4) ∈ R, (4, 1) ∉ R
antissimétrica
falha: (1, 2), (2, 1) ∈ R
transitiva
vale
Resposta
transitiva
4.Conjuntos, relações e funções
Resposta: |R| = 27
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| = 1² + 3² + 4² + 1² = 27
Resposta
|R| = 27
5.Teoria dos grafos
Resposta: H = 360
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 = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360
Resposta
H = 360
6.Teoria dos grafos
Resposta: W = 28
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
GB (1): tomar
AB (2): tomar
EF (3): tomar
DE (4): tomar
GC (5): tomar
AC (6): descartar, fecha um ciclo
BC (12): descartar, fecha um ciclo
CE (13): tomar
Peso total
W = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 13 = 28
Resposta
W = 28
7.Teoria dos números e aritmética modular
Resposta: 59−1 mod 81 = 11
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·59 (mod 81).
r = 81, t = 0
r = 59, q = 1, t = 1
r = 22, q = 2, t = −1
r = 15, q = 1, t = 3
r = 7, q = 2, t = −4
r = 1, q = 7, t = 11
Inversa
1 ≡ 11·59 (mod 81)
x = 11
verificação: 59·11 = 649 = 8·81 + 1
Resposta
59−1 mod 81 = 11
8.Teoria dos números e aritmética modular
Resposta: d = 257
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.