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 b → ¬c от противного. Какое утверждение вы предполагаете в начале? Нажмите на него.
b → ¬c
1¬b ∧ ¬¬c
2¬b ∧ ¬c
3¬b → ¬¬c
4b ∧ ¬¬c
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
Даны посылки p ∨ r; p → q; r → q. Какой вывод из них следует? Нажмите на него.
p ∨ rp → qr → q
1p
2q
3p ∧ r
4¬q
3.Множества, отношения и функцииСредняя
В группе из 51 студентов 21 говорят по-французски (F), 21 — по-немецки (G) и 33 — по-испански (S). 8 говорят по-французски и по-немецки, 12 — по-французски и по-испански, 13 — по-немецки и по-испански, а 5 — на всех трёх языках. Сколько человек не входят ни в одно из трёх множеств?
|U| = 51
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
Функции f и g на {1, 2, 3, 4, 5} заданы таблицами. Найдите (f ∘ g)(4).
Есть ли в связном графе эйлеров цикл, эйлеров путь, не являющийся циклом, или ни то ни другое? Нажмите на ваш ответ.
|V| = 6|E| = 7
1Эйлеров цикл
2Эйлеров путь, не цикл
3ни то, ни другое
6.Теория графовСложная
Найдите суммарный вес W минимального остовного дерева взвешенного графа.
|V| = 7|E| = 9
W =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя
Найдите обратный к 12 по модулю 31: число x, для которого 0 < x < 31 и 12·x ≡ 1 (mod 31).
a = 12n = 31
12−1 mod 31 =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
В ключе RSA используются простые числа p = 19 и q = 31 и открытый показатель e = 11. Найдите закрытый показатель d (0 < d < φ(n)).
p = 19q = 31e = 11
d =
3Растворы
1.Логика высказываний и доказательства
Ответ: b ∧ ¬¬c
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 = b, b = ¬c
Отрицание импликации
¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b = b ∧ ¬¬c
Ответ
b ∧ ¬¬c
Если предположение приводит к противоречию, импликация должна быть истинной.
2.Логика высказываний и доказательства
Ответ: q
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 = 1, q = 1, p ∧ r = 1, ¬q = 0
p = 1, q = 1, r = 0: p = 1, q = 1, p ∧ r = 0, ¬q = 0
p = 0, q = 1, r = 1: p = 0, q = 1, p ∧ r = 0, ¬q = 0
Вывод
q (разбор случаев)
Ответ
q
3.Множества, отношения и функции
Ответ: |(F ∪ G ∪ S)′| = 4
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: 5
F ∩ G только: 8 − 5 = 3
F ∩ S только: 12 − 5 = 7
G ∩ S только: 13 − 5 = 8
Отдельные множества
F только: 21 − 3 − 7 − 5 = 6
G только: 21 − 3 − 8 − 5 = 5
S только: 33 − 7 − 8 − 5 = 13
Ответ
|F ∪ G ∪ S| = 47
|(F ∪ G ∪ S)′| = 51 − 47 = 4
Ответ
|(F ∪ G ∪ S)′| = 4
4.Множества, отношения и функции
Ответ: (f ∘ g)(4) = 5
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
g(4) = 1
Внешняя функция
f(1) = 5
(f ∘ g)(4) = 5
Ответ
(f ∘ g)(4) = 5
5.Теория графов
Ответ: Эйлеров цикл
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.
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
CE (2): берём
GE (5): берём
GD (8): берём
DF (9): берём
EF (12): пропускаем, замыкает цикл
AB (14): берём
GC (15): пропускаем, замыкает цикл
BD (19): берём
Суммарный вес
W = 2 + 5 + 8 + 9 + 14 + 19 = 57
Ответ
W = 57
7.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: 12−1 mod 31 = 13
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·12 (mod 31).
r = 31, t = 0
r = 12, q = 2, t = 1
r = 7, q = 1, t = −2
r = 5, q = 1, t = 3
r = 2, q = 2, t = −5
r = 1, q = 2, t = 13
Обратная матрица
1 ≡ 13·12 (mod 31)
x = 13
проверка: 12·13 = 156 = 5·31 + 1
Ответ
12−1 mod 31 = 13
8.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: d = 491
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.