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
тавтологияпротиворечиенейтральная формула

Является ли ((a → b) ∧ (a → c)) → (b → c) тавтологией, противоречием или нейтральной формулой? Нажмите на ваш ответ.

((a → b) ∧ (a → c)) → (b → c)
  1. 1тавтология
  2. 2противоречие
  3. 3нейтральная формула
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
∀x ∀y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))∃x ∃y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))∃x ∃y (R(x, y) → ¬R(y, x))∃x ∃y (¬R(x, y) ∧ ¬R(y, x))

Какое утверждение эквивалентно ¬∀x ∀y (R(x, y) → R(y, x)), если отрицание перенесено полностью внутрь? Нажмите на него.

¬∀x ∀y (R(x, y) → R(y, x))
  1. 1∀x ∀y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))
  2. 2∃x ∃y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))
  3. 3∃x ∃y (R(x, y) → ¬R(y, x))
  4. 4∃x ∃y (¬R(x, y) ∧ ¬R(y, x))
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UMP2

Из 48 студентов первого курса 16 сдали математику (M), 20 — физику (P) и 2 — оба предмета. Сколько человек не входят ни в одно из множеств?

|U| = 48|M| = 16|P| = 20|M ∩ P| = 2
|(M ∪ P)′| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
x12345f(x)55323g(x)44253

Функции f и g на {1, 2, 3, 4, 5} заданы таблицами. Найдите (g ∘ f)(4).

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

Связный граф имеет 8 вершин и 12 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 8|E| = 12
k =
6.Теория графовСложная
1411951012132ABCDEF

Алгоритм Дейкстры запускается из A. Нажмите на вершину, которая фиксируется (становится постоянной) на шаге 5; сама A фиксируется на шаге 1.

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

Найдите функцию Эйлера φ(1444), число целых чисел от 1 до 1444, взаимно простых с 1444.

n = 1444 = 22·192
φ(1444) =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (893, 13)d = ?

В ключе RSA используются простые числа p = 19 и q = 47 и открытый показатель e = 13. Найдите закрытый показатель d (0 < d < φ(n)).

p = 19q = 47e = 13
d =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: нейтральная формула

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).

Таблица истинности по строкам

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

Классификация

((a → b) ∧ (a → c)) → (b → c): 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1
1 в 7 из 8 строк, 0 в остальных: нейтральная формула.

Ответ

нейтральная формула
2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: ∃x ∃y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))

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.

Перенесите отрицание внутрь

¬∀x ∀y (R(x, y) → R(y, x)) ≡ ∃x ∃y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))

Ответ

∃x ∃y (R(x, y) ∧ ¬R(y, x))

Остальные варианты либо оставляют какой-то квантор без изменения, либо меняют порядок кванторов, либо неверно отрицают внутреннюю формулу.

3.Множества, отношения и функции

Ответ: |(M ∪ P)′| = 14

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|.

Области

M ∩ P: 2
M − P: 16 − 2 = 14
P − M: 20 − 2 = 18
(M ∪ P)′: 48 − (14 + 18 + 2) = 14

Ответ

|(M ∪ P)′| = 14

Ответ

|(M ∪ P)′| = 14
4.Множества, отношения и функции

Ответ: (g ∘ f)(4) = 4

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(4) = 2

Внешняя функция

g(2) = 4
(g ∘ f)(4) = 4

Ответ

(g ∘ f)(4) = 4
5.Теория графов

Ответ: k = 5

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 = 12 − 7 = 5

Ответ

k = 5
6.Теория графов

Ответ: D

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: 14, C: 11
2. C (11): E: 16
3. B (14): D: 23
4. E (16): F: 29
5. D (23)
6. F (29)

шаг 5

D

Ответ

D
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: φ(1444) = 684

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

1444 = 22·192

Функция Эйлера

φ(1444) = φ(361)·φ(4) = 342·2 = 684

Ответ

φ(1444) = 684
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: d = 637

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.

Модуль и функция Эйлера

n = 19·47 = 893
φ(n) = 18·46 = 828

Расширенный алгоритм Евклида

r = 828, t = 0
r = 13, q = 63, t = 1
r = 9, q = 1, t = −63
r = 4, q = 2, t = 64
r = 1, q = 4, t = −191

Закрытый показатель

d = 637
проверка: 13·637 = 8281 = 10·828 + 1

Ответ

d = 637

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics