Дискретная математика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Логика высказываний и доказательства

Строки таблицы истинности
2ⁿ
Импликация
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Отрицание импликации
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Эквиваленция
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
Законы де Моргана
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Законы дистрибутивности
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Отрицание кванторов
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
Modus ponens, modus tollens
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

Метод

  1. Подсчитайте различные переменные: в таблице истинности 2ⁿ строк, и начинается она со строки, где все переменные равны 1.
  2. Отведите каждой подформуле отдельный столбец и заполняйте столбцы изнутри наружу.
  3. Применяйте правило каждой связки: → равно 0 только для 1 → 0, ↔ равно 1, когда обе части совпадают.
  4. Для эквивалентностей сравнивайте последние столбцы строка за строкой; для рассуждения смотрите только на строки, в которых все посылки равны 1.
  5. Чтобы отрицать высказывание с квантором, переносите ¬ внутрь, меняйте ∀ и ∃ местами и отрицайте внутреннюю формулу.

Множества, отношения и функции

Два множества
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Три множества
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Разность и дополнение
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Булеан и произведение
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Подмножества из k элементов
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Функции A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Отношения на n элементах
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Композиция
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Метод

  1. Нарисуйте диаграмму Венна и по областям решите, что относится к множеству, заданному выражением.
  2. В задачах на подсчёт заполняйте области от центра к краям: сначала все множества, затем пары, затем отдельные множества, затем внешнюю область.
  3. Используйте формулу включений и исключений как проверку: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Для отношения проверяйте каждое свойство на каждой паре и приводите один контрпример, если свойство не выполняется.
  5. 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

  1. Запишите степень каждой вершины; сумма степеней равна удвоенному числу рёбер.
  2. В задачах об эйлеровых путях проверьте, что граф связный, и посчитайте вершины нечётной степени.
  3. Для деревьев используйте n − 1 ребро и лемму о рукопожатиях.
  4. В алгоритме Дейкстры ведите таблицу предварительных расстояний и на каждом шаге фиксируйте нефиксированную вершину с наименьшим расстоянием.
  5. 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

  1. Сначала приведите каждое число по модулю n; остатки лежат от 0 до n − 1.
  2. Для НОД делите с остатком по алгоритму Евклида; последний ненулевой остаток и есть НОД.
  3. Для обратного элемента запустите расширенный алгоритм и возьмите коэффициент при a; если он отрицательный, прибавьте n.
  4. Решайте a·x ≡ b умножением на a⁻¹; два сравнения объединяйте, записывая x = r₁ + m₁k.
  5. 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
¬¬r ∧ ¬q¬¬r → ¬¬q¬r ∧ ¬¬q¬¬r ∧ ¬¬q

Вы хотите доказать ¬r → ¬q от противного. Какое утверждение вы предполагаете в начале? Нажмите на него.

¬r → ¬q
  1. 1¬¬r ∧ ¬q
  2. 2¬¬r → ¬¬q
  3. 3¬r ∧ ¬¬q
  4. 4¬¬r ∧ ¬¬q
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
p → rp ∧ rr → p¬p → ¬r

Даны посылки p → q; q → r. Какой вывод из них следует? Нажмите на него.

p → qq → r
  1. 1p → r
  2. 2p ∧ r
  3. 3r → p
  4. 4¬p → ¬r
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UFGS

В группе из 67 студентов 24 говорят по-французски (F), 30 — по-немецки (G) и 35 — по-испански (S). 12 говорят по-французски и по-немецки, 17 — по-французски и по-испански, 10 — по-немецки и по-испански, а 6 — на всех трёх языках. Сколько человек не входят ни в одно из трёх множеств?

|U| = 67
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
x12345f(x)42135

Биекция f на {1, 2, 3, 4, 5} задана таблицей. Найдите f−1(1).

f: 1 ↦ 4, 2 ↦ 2, 3 ↦ 1, 4 ↦ 3, 5 ↦ 5
f−1(1) =
5.Теория графовСредняя

Связный граф имеет 19 вершин и 24 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 19|E| = 24
k =
6.Теория графовСложная
2561212122131410ABCDEFG

Алгоритм Дейкстры запускается из A. Нажмите на вершину, которая фиксируется (становится постоянной) на шаге 3; сама A фиксируется на шаге 1.

начало: Aшаг 3
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя

Найдите наименьшее положительное целое x, для которого x ≡ 3 (mod 11) и x ≡ 5 (mod 12).

x ≡ 3 (mod 11)x ≡ 5 (mod 12)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная

Используйте многократное возведение в квадрат, чтобы найти 6792 mod 93.

a = 67k = 92n = 93
6792 mod 93 =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: ¬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).

Части импликации

a = ¬r, b = ¬q

Отрицание импликации

¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = ¬r ∧ ¬¬q

Ответ

¬r ∧ ¬¬q

Если предположение приводит к противоречию, импликация должна быть истинной.

2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: p → r

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

p = 1, q = 1, r = 1: p → r = 1, p ∧ r = 1, r → p = 1, ¬p → ¬r = 1
p = 0, q = 1, r = 1: p → r = 1, p ∧ r = 0, r → p = 0, ¬p → ¬r = 0
p = 0, q = 0, r = 1: p → r = 1, p ∧ r = 0, r → p = 0, ¬p → ¬r = 0
p = 0, q = 0, r = 0: p → r = 1, p ∧ r = 0, r → p = 1, ¬p → ¬r = 1

Вывод

p → r (гипотетический силлогизм)

Ответ

p → r
3.Множества, отношения и функции

Ответ: |(F ∪ G ∪ S)′| = 11

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: 12 − 6 = 6
F ∩ S только: 17 − 6 = 11
G ∩ S только: 10 − 6 = 4

Отдельные множества

F только: 24 − 6 − 11 − 6 = 1
G только: 30 − 6 − 4 − 6 = 14
S только: 35 − 11 − 4 − 6 = 14

Ответ

|F ∪ G ∪ S| = 56
|(F ∪ G ∪ S)′| = 67 − 56 = 11

Ответ

|(F ∪ G ∪ S)′| = 11
4.Множества, отношения и функции

Ответ: f−1(1) = 3

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.

Читайте таблицу в обратном направлении

f(3) = 1 → f−1(1) = 3

Ответ

f−1(1) = 3
5.Теория графов

Ответ: k = 6

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

19 − 1 = 18

Рёбра для удаления

k = 24 − 18 = 6

Ответ

k = 6
6.Теория графов

Ответ: C

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

1. A (0): B: 2, C: 5
2. B (2): D: 14, G: 16
3. C (5): E: 17, G: 15
4. D (14): F: 16
5. G (15)
6. F (16)
7. E (17)

шаг 3

C

Ответ

C
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: x = 113

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 = 3 + 11k

Второе сравнение

3 + 11k ≡ 5 (mod 12) → 11k ≡ 2 (mod 12)
k ≡ 11·2 ≡ 10 (mod 12)

Результат

x = 3 + 11·10 = 113
x = 113
проверка: 113 mod 11 = 3, 113 mod 12 = 5

Ответ

x = 113
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: 6792 mod 93 = 25

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.

Двоичный показатель

92 = 10111002 = 64 + 16 + 8 + 4

Многократное возведение в квадрат

671 ≡ 67 (mod 93)
672 ≡ 25 (mod 93)
674 ≡ 67 (mod 93)
678 ≡ 25 (mod 93)
6716 ≡ 67 (mod 93)
6732 ≡ 25 (mod 93)
6764 ≡ 67 (mod 93)

Перемножьте нужные степени

6792 ≡ 67·25·67·67 ≡ 25 (mod 93)

Ответ

6792 mod 93 = 25

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics