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 q ↔ r? Нажмите на неё.
q ↔ r
1q ∧ r
2(q → r) ∧ (r → q)
3(q → r) ∨ (r → q)
4(q → r) ∧ (¬r → ¬q)
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
Какое утверждение эквивалентно ¬∀x (F(x) → G(x)), если отрицание перенесено полностью внутрь? Нажмите на него.
¬∀x (F(x) → G(x))
1∃x (F(x) → ¬G(x))
2∃x (F(x) ∧ ¬G(x))
3∀x (F(x) → ¬G(x))
4∀x (F(x) ∧ ¬G(x))
3.Множества, отношения и функцииСредняя
Опрос 51 человек показал, что ноутбук (L) есть у 30, планшет (T) — у 29, смарт-часы (W) — у 19. L и T есть у 15, L и W — у 14, T и W — у 5, а все три устройства — у 3. Сколько человек входят ровно в два из трёх множеств? Обозначим это число n.
|U| = 51
n =
4.Множества, отношения и функцииСложная
Сколько существует биекций f: A → B, если |A| = |B| = 3? Обозначим это число N.
|A| = 3|B| = 3
N =
5.Теория графовСредняя
У дерева 3 вершин степени 4, 2 вершин степени 5, а все остальные его вершины — листья (степень 1). Сколько у него листьев, L?
3 × deg 42 × deg 5
L =
6.Теория графовСложная
Найдите суммарный вес W минимального остовного дерева взвешенного графа.
|V| = 5|E| = 7
W =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя
Решите 33x ≡ 20 (mod 37). Укажите решение x, для которого 0 < x < 37.
33x ≡ 20 (mod 37)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
В ключе RSA p = 17, q = 29 и e = 17. Расшифруйте шифртекст c = 95: найдите сообщение m.
p = 17q = 29e = 17c = 95
m =
3Растворы
1.Логика высказываний и доказательства
Ответ: (q → r) ∧ (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).
Закон
a ↔ b означает, что импликация выполняется в обе стороны: (a → b) ∧ (b → a).
q ↔ r ≡ (q → r) ∧ (r → q)
Проверка по таблице истинности
q = 1, r = 1: 1 | 1 1 1 1
q = 1, r = 0: 0 | 0 0 1 0
q = 0, r = 1: 0 | 0 0 1 1
q = 0, r = 0: 1 | 0 1 1 1
Ответ
(q → r) ∧ (r → q)
Столбцы после черты — варианты ответа в показанном порядке.
2.Логика высказываний и доказательства
Ответ: ∃x (F(x) ∧ ¬G(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 (F(x) → G(x)) ≡ ∃x (F(x) ∧ ¬G(x))
Ответ
∃x (F(x) ∧ ¬G(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: n = 25
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
L ∩ T ∩ W: 3
L ∩ T только: 15 − 3 = 12
L ∩ W только: 14 − 3 = 11
T ∩ W только: 5 − 3 = 2
Отдельные множества
L только: 30 − 12 − 11 − 3 = 4
T только: 29 − 12 − 2 − 3 = 12
W только: 19 − 11 − 2 − 3 = 3
Ответ
12 + 11 + 2 = 25
Ответ
n = 25
4.Множества, отношения и функции
Ответ: N = 6
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.
Посчитайте
N = 3!/(3 − 3)! = 6
Ответ
N = 6
5.Теория графов
Ответ: L = 14
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.
Лемма о рукопожатиях для дерева
L + 22 = 2(L + 5) − 2
L = 14
Ответ
L = 14
Короткий путь: L = 2 + Σ (d − 2) по вершинам степени d ≥ 3.
6.Теория графов
Ответ: W = 29
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
BE (1): берём
CE (5): берём
BC (6): пропускаем, замыкает цикл
AB (8): берём
AC (11): пропускаем, замыкает цикл
BD (15): берём
Суммарный вес
W = 1 + 5 + 8 + 15 = 29
Ответ
W = 29
7.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: x = 32
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).
Обратный к 33
r = 37, t = 0
r = 33, q = 1, t = 1
r = 4, q = 8, t = −1
r = 1, q = 4, t = 9
33−1 ≡ 9 (mod 37)
Решите
x ≡ 9·20 = 180 ≡ 32 (mod 37)
проверка: 33·32 = 1056 ≡ 20 (mod 37)
Ответ
x = 32
8.Теория чисел и модульная арифметика
Ответ: m = 27
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.