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 ¬(r → p)? Нажмите на неё.
¬(r → p)
1¬r → ¬p
2r ∧ ¬p
3r → ¬p
4¬r ∧ p
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
В скольких из 16 строк таблицы истинности (¬(a ↔ ¬c) → d) ∨ ((c ↔ b) ∧ b) истинно? Обозначим это число N.
(¬(a ↔ ¬c) → d) ∨ ((c ↔ b) ∧ b)
N =
3.Множества, отношения и функцииСредняя
В группе из 48 студентов 21 говорят по-французски (F), 25 — по-немецки (G) и 18 — по-испански (S). 5 говорят по-французски и по-немецки, 6 — по-французски и по-испански, 11 — по-немецки и по-испански, а 1 — на всех трёх языках. Сколько человек не входят ни в одно из трёх множеств?
|U| = 48
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
Стрелочная диаграмма показывает функцию f: A → B, где A = {1, 2} и B = {a, b, c, d}. Нажмите на описание, подходящее для f.
f = {(1, b), (2, a)}
1инъективна, но не сюръективна
2сюръективна, но не инъективна
3биективна
4ни то, ни другое
5.Теория графовСредняя
Связный граф имеет 8 вершин и 8 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?
|V| = 8|E| = 8
k =
6.Теория графовСложная
Алгоритм Дейкстры запускается из A. Нажмите на вершину, которая фиксируется (становится постоянной) на шаге 5; сама A фиксируется на шаге 1.
начало: Aшаг 5
1A
2B
3C
4D
5E
6F
7G
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя
Найдите функцию Эйлера φ(44), число целых чисел от 1 до 44, взаимно простых с 44.
n = 44 = 22·11
φ(44) =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
В ключе RSA используются простые числа p = 29 и q = 31 и открытый показатель e = 11. Найдите закрытый показатель d (0 < d < φ(n)).
p = 29q = 31e = 11
d =
3Растворы
1.Логика высказываний и доказательства
Ответ: r ∧ ¬p
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) ≡ ¬(¬a ∨ b) ≡ a ∧ ¬b: единственная строка, в которой импликация не выполняется.
¬(r → p) ≡ r ∧ ¬p
Проверка по таблице истинности
p = 1, r = 1: 0 | 1 0 0 0
p = 1, r = 0: 0 | 0 0 1 1
p = 0, r = 1: 1 | 1 1 1 0
p = 0, r = 0: 0 | 1 0 1 0
Ответ
r ∧ ¬p
Столбцы после черты — варианты ответа в показанном порядке.
2.Логика высказываний и доказательства
Ответ: N = 13
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
¬c; a ↔ ¬c; ¬(a ↔ ¬c); ¬(a ↔ ¬c) → d; c ↔ b; (c ↔ b) ∧ b; (¬(a ↔ ¬c) → d) ∨ ((c ↔ b) ∧ b)
Разбиение по a
a = 1: 7
a = 0: 6
N = 7 + 6 = 13
Ответ
N = 13
3.Множества, отношения и функции
Ответ: |(F ∪ G ∪ S)′| = 5
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: 1
F ∩ G только: 5 − 1 = 4
F ∩ S только: 6 − 1 = 5
G ∩ S только: 11 − 1 = 10
Отдельные множества
F только: 21 − 4 − 5 − 1 = 11
G только: 25 − 4 − 10 − 1 = 10
S только: 18 − 5 − 10 − 1 = 2
Ответ
|F ∪ G ∪ S| = 43
|(F ∪ G ∪ S)′| = 48 − 43 = 5
Ответ
|(F ∪ G ∪ S)′| = 5
4.Множества, отношения и функции
Ответ: инъективна, но не сюръективна
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.
Инъективна?
каждый элемент B достигается не более одного раза → инъективна
Сюръективна?
c, d не получают ни одной стрелки → не сюръективна
Ответ
инъективна, но не сюръективна
Ответ
инъективна, но не сюръективна
5.Теория графов
Ответ: k = 1
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
8 − 1 = 7
Рёбра для удаления
k = 8 − 7 = 1
Ответ
k = 1
6.Теория графов
Ответ: E
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: 3, C: 2
2. C (2): E: 9, G: 5
3. B (3): D: 12
4. G (5)
5. E (9): F: 24
6. D (12): F: 13
7. F (13)
шаг 5
E
Ответ
E
7.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: φ(44) = 20
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).
Простые множители
44 = 22·11
Функция Эйлера
φ(44) = φ(11)·φ(4) = 10·2 = 20
Ответ
φ(44) = 20
8.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: d = 611
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.