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
Вы хотите доказать r → ¬q от контрапозиции. Какую импликацию вы доказываете вместо неё? Нажмите на неё.
r → ¬q
1¬q → r
2¬r → ¬¬q
3r ∧ ¬¬q
4¬¬q → ¬r
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
В скольких из 16 строк таблицы истинности ¬(¬p → r) ↔ (s → (r → ¬q)) истинно? Обозначим это число N.
¬(¬p → r) ↔ (s → (r → ¬q))
N =
3.Множества, отношения и функцииСредняя
В группе из 64 студентов 33 говорят по-французски (F), 30 — по-немецки (G) и 32 — по-испански (S). 13 говорят по-французски и по-немецки, 20 — по-французски и по-испански, 9 — по-немецки и по-испански, а 6 — на всех трёх языках. Сколько человек входят ровно в два из трёх множеств? Обозначим это число n.
|U| = 64
n =
4.Множества, отношения и функцииСложная
Функции f и g на {1, 2, 3, 4, 5} заданы таблицами. Найдите (g ∘ f)(3).
Связный граф имеет 16 вершин и 22 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?
|V| = 16|E| = 22
k =
6.Теория графовСложная
С помощью алгоритма Дейкстры найдите длину d(F) кратчайшего пути от A до F во взвешенном графе.
начало: Aконец: F
d(F) =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя
Найдите обратный к 17 по модулю 61: число x, для которого 0 < x < 61 и 17·x ≡ 1 (mod 61).
a = 17n = 61
17−1 mod 61 =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
13 — простое число. Используйте малую теорему Ферма, чтобы найти 2012574 mod 13.
p = 13k = 12574
2012574 mod 13 =
3Растворы
1.Логика высказываний и доказательства
Ответ: ¬¬q → ¬r
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).
Части импликации
a = r, b = ¬q
Контрапозиция
¬b → ¬a = ¬¬q → ¬r
Ответ
¬¬q → ¬r
Контрапозиция эквивалентна исходному утверждению, поэтому её доказательство доказывает и само утверждение.
2.Логика высказываний и доказательства
Ответ: N = 6
Таблицы истинности: у формулы с n различными переменными 2ⁿ строк, по одной для каждой комбинации значений истинности (1 = истина, 0 = ложь). Работайте изнутри наружу и отводите каждой подформуле отдельный столбец. ¬a меняет значение на противоположное; a ∧ b равно 1 только тогда, когда оба равны 1; a ∨ b равно 0 только тогда, когда оба равны 0; a → b равно 0 только при a = 1 и b = 0; a ↔ b равно 1, когда обе части равны.
Столбцы
¬p; ¬p → r; ¬(¬p → r); ¬q; r → ¬q; s → (r → ¬q); ¬(¬p → r) ↔ (s → (r → ¬q))
Разбиение по p
p = 1: 1
p = 0: 5
N = 1 + 5 = 6
Ответ
N = 6
3.Множества, отношения и функции
Ответ: n = 24
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
F ∩ G ∩ S: 6
F ∩ G только: 13 − 6 = 7
F ∩ S только: 20 − 6 = 14
G ∩ S только: 9 − 6 = 3
Отдельные множества
F только: 33 − 7 − 14 − 6 = 6
G только: 30 − 7 − 3 − 6 = 14
S только: 32 − 14 − 3 − 6 = 9
Ответ
7 + 14 + 3 = 24
Ответ
n = 24
4.Множества, отношения и функции
Ответ: (g ∘ f)(3) = 1
Функции и подсчёт: функция f: A → B ставит каждому элементу A в соответствие ровно один образ в B. f инъективна (взаимно однозначна в одну сторону), если разные элементы имеют разные образы, сюръективна (на), если каждый элемент B является образом, и биективна, если выполнено и то и другое. При |A| = m и |B| = n существует nᵐ функций, n!/(n − m)! инъективных (m ≤ n) и по формуле включений и исключений Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ сюръективных. |𝒫(A)| = 2ᵐ и |A × B| = m·n.
Внутренняя функция
f(3) = 5
Внешняя функция
g(5) = 1
(g ∘ f)(3) = 1
Ответ
(g ∘ f)(3) = 1
5.Теория графов
Ответ: k = 7
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
16 − 1 = 15
Рёбра для удаления
k = 22 − 15 = 7
Ответ
k = 7
6.Теория графов
Ответ: d(F) = 35
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 Дейкстры по шагам
В каждой строке: зафиксированная вершина, её окончательное расстояние и соседи, у которых расстояние улучшается.
A (0): B: 14, C: 15
B (14): D: 24, E: 25
C (15): E: 20
E (20): D: 22
D (22): F: 35
F (35)
Кратчайший путь
A → C → E → D → F
d(F) = 35
Ответ
d(F) = 35
7.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: 17−1 mod 61 = 18
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).
Расширенный алгоритм Евклида
Каждый остаток r записывается как r ≡ t·17 (mod 61).
r = 61, t = 0
r = 17, q = 3, t = 1
r = 10, q = 1, t = −3
r = 7, q = 1, t = 4
r = 3, q = 2, t = −7
r = 1, q = 3, t = 18
Обратная матрица
1 ≡ 18·17 (mod 61)
x = 18
проверка: 17·18 = 306 = 5·61 + 1
Ответ
17−1 mod 61 = 18
8.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: 2012574 mod 13 = 4
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.