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
abc¬(¬(a → b) ∨ c)b ∧ a¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a)111?110?101?100?011?010?001?000?

В скольких из 8 строк таблицы истинности ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) истинно? Обозначим это число N.

¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a)
N =
2.Логика высказываний и доказательстваСложная

В скольких из 16 строк таблицы истинности ¬((r ∧ (s ↔ p)) ∨ ((q ↔ p) ∧ ¬s)) истинно? Обозначим это число N.

¬((r ∧ (s ↔ p)) ∨ ((q ↔ p) ∧ ¬s))
N =
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UMPC

Из 58 студентов первого курса 31 сдали математику (M), 14 — физику (P) и 29 — химию (C). 6 сдали M и P, 14 сдали M и C, 5 сдали P и C, а 3 сдали все три. Сколько человек входят ровно в одно из трёх множеств? Обозначим это число n.

|U| = 58
n =
4.Множества, отношения и функцииСложная

Сколько отношений на множестве из 2 элементов одновременно рефлексивны и симметричны? Обозначим это число N.

|X| = 2
N =
5.Теория графовСредняя

Сколько различных гамильтоновых циклов, H, в полном графе K8? Циклы, отличающиеся только начальной вершиной или направлением, считаются одним и тем же.

K8
H =
6.Теория графовСложная
19151429126ABCDE

Найдите суммарный вес W минимального остовного дерева взвешенного графа.

|V| = 5|E| = 7
W =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя

Найдите обратный к 47 по модулю 55: число x, для которого 0 < x < 55 и 47·x ≡ 1 (mod 55).

a = 47n = 55
47−1 mod 55 =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная

Сколько решений, N, имеет сравнение 62x ≡ 68 (mod 82) среди {0, 1, …, 81}?

62x ≡ 68 (mod 82)
N =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: N = 1

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.

Таблица истинности по строкам

a = 1, b = 1, c = 1: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 0, b ∧ a = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 1, b = 1, c = 0: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 1, b ∧ a = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 1
a = 1, b = 0, c = 1: a → b = 0, ¬(a → b) = 1, ¬(a → b) ∨ c = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 0, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 1, b = 0, c = 0: a → b = 0, ¬(a → b) = 1, ¬(a → b) ∨ c = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 0, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 0, b = 1, c = 1: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 0, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 0, b = 1, c = 0: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 1, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 0, b = 0, c = 1: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 1, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 0, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0
a = 0, b = 0, c = 0: a → b = 1, ¬(a → b) = 0, ¬(a → b) ∨ c = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) = 1, b ∧ a = 0, ¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a) = 0

Посчитайте строки со значением 1

¬(¬(a → b) ∨ c) ∧ (b ∧ a): 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0
N = 1

Ответ

N = 1
2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: N = 9

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

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

Разбиение по p

p = 1: 4
p = 0: 5
N = 4 + 5 = 9

Ответ

N = 9
3.Множества, отношения и функции

Ответ: n = 33

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: 3
M ∩ P только: 6 − 3 = 3
M ∩ C только: 14 − 3 = 11
P ∩ C только: 5 − 3 = 2

Отдельные множества

M только: 31 − 3 − 11 − 3 = 14
P только: 14 − 3 − 2 − 3 = 6
C только: 29 − 11 − 2 − 3 = 13

Ответ

14 + 6 + 13 = 33

Ответ

n = 33
4.Множества, отношения и функции

Ответ: N = 2

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.

Посчитайте свободные выборы

N = 21 = 2

Ответ

N = 2
5.Теория графов

Ответ: H = 2520

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.

Посчитайте

H = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

Ответ

H = 2520
6.Теория графов

Ответ: W = 32

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

BD (2): берём
BE (6): берём
CE (9): берём
DE (12): пропускаем, замыкает цикл
BC (14): пропускаем, замыкает цикл
AC (15): берём

Суммарный вес

W = 2 + 6 + 9 + 15 = 32

Ответ

W = 32
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: 47−1 mod 55 = 48

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·47 (mod 55).

r = 55, t = 0
r = 47, q = 1, t = 1
r = 8, q = 5, t = −1
r = 7, q = 1, t = 6
r = 1, q = 7, t = −7

Обратная матрица

1 ≡ −7·47 (mod 55)
x = 48
проверка: 47·48 = 2256 = 41·55 + 1

Ответ

47−1 mod 55 = 48
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: N = 2

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).

Разделите на НОД

gcd(62, 82) = 2
31x ≡ 34 (mod 41)

Решите упрощённое сравнение

31−1 ≡ 4 (mod 41) → x ≡ 13 (mod 41)

Решения по модулю 82

x ∈ {13, 54}
N = 2

Ответ

N = 2

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics