Нарисуйте диаграмму Венна и по областям решите, что относится к множеству, заданному выражением.
В задачах на подсчёт заполняйте области от центра к краям: сначала все множества, затем пары, затем отдельные множества, затем внешнюю область.
Используйте формулу включений и исключений как проверку: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Для отношения проверяйте каждое свойство на каждой паре и приводите один контрпример, если свойство не выполняется.
Для функции посчитайте стрелки, приходящие в каждый элемент B: не более одной означает инъективность, не менее одной — сюръективность.
Теория графов
Лемма о рукопожатиях
Σ deg(v) = 2|E|
Полные графы
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Регулярный граф
|E| = n·k/2
Дерево и лес
|E| = n − 1, |E| = n − c
Листья дерева
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Эйлер
цикл: все степени чётные; путь: ровно две нечётные степени
Гамильтоновы циклы в Kn
(n − 1)!/2
Обновление в алгоритме Дейкстры
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршруты длины L
(Mᴸ)ij
Метод
Запишите степень каждой вершины; сумма степеней равна удвоенному числу рёбер.
В задачах об эйлеровых путях проверьте, что граф связный, и посчитайте вершины нечётной степени.
Для деревьев используйте n − 1 ребро и лемму о рукопожатиях.
В алгоритме Дейкстры ведите таблицу предварительных расстояний и на каждом шаге фиксируйте нефиксированную вершину с наименьшим расстоянием.
Для минимального остовного дерева отсортируйте рёбра по весу и пропускайте каждое ребро, замыкающее цикл (Краскал), либо растите одно дерево из начальной вершины (Прим).
Теория чисел и модульная арифметика
Деление с остатком
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Евклид
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Наименьшее общее кратное
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Обратная матрица
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Линейное сравнение
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Функция Эйлера
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
Ферма
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
Метод
Сначала приведите каждое число по модулю n; остатки лежат от 0 до n − 1.
Для НОД делите с остатком по алгоритму Евклида; последний ненулевой остаток и есть НОД.
Для обратного элемента запустите расширенный алгоритм и возьмите коэффициент при a; если он отрицательный, прибавьте n.
Решайте a·x ≡ b умножением на a⁻¹; два сравнения объединяйте, записывая x = r₁ + m₁k.
Для степеней запишите показатель в двоичном виде и многократно возводите в квадрат; в RSA d = e⁻¹ mod φ(n), где φ(n) = (p − 1)(q − 1).
2Тренировочные задачи
1.Логика высказываний и доказательстваСредняя
Какая формула логически эквивалентна q ↔ r? Нажмите на неё.
q ↔ r
1(q → r) ∧ (¬r → ¬q)
2(q → r) ∧ (r → q)
3(q → r) ∨ (r → q)
4q ∧ r
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
Даны посылки b → c; b. Какой вывод из них следует? Нажмите на него.
b → cb
1¬b
2¬c
3b ∧ ¬c
4c
3.Множества, отношения и функцииСредняя
Из 37 студентов первого курса 18 сдали математику (M), 18 — физику (P) и 28 — химию (C). 9 сдали M и P, 14 сдали M и C, 11 сдали P и C, а 6 сдали все три. Сколько человек входят ровно в два из трёх множеств? Обозначим это число n.
|U| = 37
n =
4.Множества, отношения и функцииСложная
На X = {1, 2, …, 13} отношение R выполняется, когда x ≡ y (mod 2). Сколько упорядоченных пар содержит R? Обозначим это число |R|.
X = {1, …, 13}x R y ⟺ 2 | (x − y)
|R| =
5.Теория графовСредняя
Связный граф имеет 12 вершин и 15 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?
|V| = 12|E| = 15
k =
6.Теория графовСложная
Алгоритм Краскала строит минимальное остовное дерево. Нажмите на ребро, которое он добавляет под номером 5; пропущенные рёбра не считаются.
k = 5
1ребро AB
2ребро BC
3ребро BD
4ребро DE
5ребро DF
6ребро EF
7ребро GB
8ребро GC
9ребро GD
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя
Найдите наименьшее положительное целое x, для которого x ≡ 4 (mod 7) и x ≡ 6 (mod 9).
x ≡ 4 (mod 7)x ≡ 6 (mod 9)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
Зашифруйте сообщение m = 221 открытым ключом RSA (n, e) = (259, 17). Найдите шифртекст c.
n = 259e = 17m = 221
c =
3Растворы
1.Логика высказываний и доказательства
Ответ: (q → r) ∧ (r → q)
Логическая эквивалентность: две формулы эквивалентны (≡), если в каждой строке таблицы истинности они имеют одинаковое значение. Тавтология равна 1 в каждой строке, противоречие равно 0 в каждой строке, а нейтральная формула (contingency) — ни то ни другое. Полезные законы: законы де Моргана, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b и ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (контрапозиция); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; а также законы дистрибутивности, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).
Закон
a ↔ b означает, что импликация выполняется в обе стороны: (a → b) ∧ (b → a).
q ↔ r ≡ (q → r) ∧ (r → q)
Проверка по таблице истинности
q = 1, r = 1: 1 | 1 1 1 1
q = 1, r = 0: 0 | 0 0 1 0
q = 0, r = 1: 0 | 1 0 1 0
q = 0, r = 0: 1 | 1 1 1 0
Ответ
(q → r) ∧ (r → q)
Столбцы после черты — варианты ответа в показанном порядке.
2.Логика высказываний и доказательства
Ответ: c
Кванторы и рассуждения: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) и ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Переносите отрицание внутрь, меняйте каждый квантор, через который оно проходит, и отрицайте внутреннюю формулу по законам логики высказываний, например ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Рассуждение правильно, если вывод равен 1 в каждой строке, где все посылки равны 1. Одной строки с истинными посылками и ложным выводом достаточно, чтобы получить контрпример и показать, что рассуждение неправильно.
Строки, в которых все посылки истинны
b = 1, c = 1: ¬b = 0, ¬c = 0, b ∧ ¬c = 0, c = 1
Вывод
c (modus ponens)
Ответ
c
3.Множества, отношения и функции
Ответ: n = 16
Множества и диаграммы Венна: A ∪ B содержит элементы из A или B (или из обоих), A ∩ B — элементы из обоих, A − B — элементы A, не лежащие в B, а дополнение A′ — всё из U, что не лежит в A. На диаграмме Венна каждое выражение для множеств является объединением областей, поэтому подсчитывайте его по областям. Формула включений и исключений: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B| и |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.
Центр и пары
M ∩ P ∩ C: 6
M ∩ P только: 9 − 6 = 3
M ∩ C только: 14 − 6 = 8
P ∩ C только: 11 − 6 = 5
Отдельные множества
M только: 18 − 3 − 8 − 6 = 1
P только: 18 − 3 − 5 − 6 = 4
C только: 28 − 8 − 5 − 6 = 9
Ответ
3 + 8 + 5 = 16
Ответ
n = 16
4.Множества, отношения и функции
Ответ: |R| = 85
Отношения: отношение R на множестве X — это множество упорядоченных пар (x, y). R рефлексивно, если (x, x) ∈ R для каждого x из X; симметрично, если вместе с (x, y) ∈ R всегда есть (y, x) ∈ R; антисимметрично, если (x, y) и (y, x) одновременно лежат в R только при x = y; и транзитивно, если из (x, y) и (y, z) в R следует (x, z) ∈ R. Отношение эквивалентности рефлексивно, симметрично и транзитивно и разбивает X на непересекающиеся классы.
Классы
остаток 0: 6
остаток 1: 7
Пары
|R| = 6² + 7² = 85
Ответ
|R| = 85
5.Теория графов
Ответ: k = 4
Эйлер, Гамильтон и деревья: связный граф имеет эйлеров цикл (каждое ребро один раз, с возвратом в начало), когда все вершины имеют чётную степень, и эйлеров путь, не являющийся циклом, когда ровно две вершины имеют нечётную степень; тогда путь идёт от одной нечётной вершины к другой. Гамильтонов цикл посещает каждую вершину один раз; в Kn их (n − 1)!/2. У дерева на n вершинах n − 1 ребро, а связный граф с m рёбрами сохраняет остовное дерево после удаления m − n + 1 рёбер.
Рёбра остовного дерева
12 − 1 = 11
Рёбра для удаления
k = 15 − 11 = 4
Ответ
k = 4
6.Теория графов
Ответ: ребро BD
Кратчайшие пути и остовные деревья: алгоритм Дейкстры фиксирует по одной вершине на шаге: нефиксированную вершину с наименьшим предварительным расстоянием. Её расстояние становится окончательным, а каждый сосед v получает d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Алгоритм Краскала строит минимальное остовное дерево, беря рёбра от лёгких к тяжёлым и пропуская любое ребро, которое замкнуло бы цикл; алгоритм Прима растит одно дерево из начальной вершины, всегда добавляя самое лёгкое ребро, выходящее из него. В остовном дереве на n вершинах n − 1 ребро.
Алгоритм Краскала
1. EF (3)
2. DE (4)
3. GB (6)
4. BC (10)
5. BD (11)
6. AB (15)
номер ребра 5
BD
Ответ
ребро BD
7.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: x = 60
Обратные элементы и сравнения: у a есть обратный по модулю n ровно тогда, когда НОД(a, n) = 1. Расширенный алгоритм Евклида записывает 1 = s·n + t·a, откуда a⁻¹ ≡ t (mod n). Сравнение a·x ≡ b (mod n) при НОД(a, n) = 1 имеет решение x ≡ a⁻¹·b. Два сравнения x ≡ r₁ (mod m₁) и x ≡ r₂ (mod m₂) со взаимно простыми модулями имеют одно решение по модулю m₁·m₂ (китайская теорема об остатках). Функция Эйлера φ(n) считает числа от 1 до n, взаимно простые с n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).
Первое сравнение
x = 4 + 7k
Второе сравнение
4 + 7k ≡ 6 (mod 9) → 7k ≡ 2 (mod 9)
k ≡ 4·2 ≡ 8 (mod 9)
Результат
x = 4 + 7·8 = 60
x = 60
проверка: 60 mod 7 = 4, 60 mod 9 = 6
Ответ
x = 60
8.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: c = 184
Степени по модулю и RSA: вычисляйте aᵏ mod n многократным возведением в квадрат: запишите k в двоичном виде, возводите в квадрат, приводите по модулю после каждого шага и перемножайте те степени, чей бит равен 1. Ферма: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) для простого p, не делящего a, поэтому показатель можно приводить по модулю p − 1. RSA: выберите простые p и q, n = p·q и φ(n) = (p − 1)(q − 1); открытый показатель e взаимно прост с φ(n), а закрытый показатель d = e⁻¹ mod φ(n). Шифруйте как c = mᵉ mod n и расшифровывайте как m = cᵈ mod n.