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

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

(b ↔ (¬b ∨ c)) ∨ ¬(¬(¬c ↔ a) ↔ ¬a)
N =
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
∀x ¬P(x)∃x ¬P(x)∀x P(x)∃x P(x)

Какое утверждение эквивалентно ¬∃x P(x), если отрицание перенесено полностью внутрь? Нажмите на него.

¬∃x P(x)
  1. 1∀x ¬P(x)
  2. 2∃x ¬P(x)
  3. 3∀x P(x)
  4. 4∃x P(x)
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UFGS

В группе из 59 студентов 32 говорят по-французски (F), 31 — по-немецки (G) и 21 — по-испански (S). 14 говорят по-французски и по-немецки, 8 — по-французски и по-испански, 9 — по-немецки и по-испански, а 2 — на всех трёх языках. Сколько человек входят только в F?

|U| = 59
|F − (G ∪ S)| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
AB123abcинъективна, но не сюръективнасюръективна, но не инъективнабиективнани то, ни другое

Стрелочная диаграмма показывает функцию f: A → B, где A = {1, 2, 3} и B = {a, b, c}. Нажмите на описание, подходящее для f.

f = {(1, c), (2, c), (3, a)}
  1. 1инъективна, но не сюръективна
  2. 2сюръективна, но не инъективна
  3. 3биективна
  4. 4ни то, ни другое
5.Теория графовСредняя

Связный граф имеет 18 вершин и 26 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 18|E| = 26
k =
6.Теория графовСложная
1257101411815ABCDEFG

С помощью алгоритма Дейкстры найдите длину d(F) кратчайшего пути от A до F во взвешенном графе.

начало: Aконец: F
d(F) =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя

Найдите функцию Эйлера φ(65), число целых чисел от 1 до 65, взаимно простых с 65.

n = 65 = 5·13
φ(65) =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
18c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (407, 7)d

Зашифруйте сообщение m = 18 открытым ключом RSA (n, e) = (407, 7). Найдите шифртекст c.

n = 407e = 7m = 18
c =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: N = 4

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

Посчитайте строки со значением 1

(b ↔ (¬b ∨ c)) ∨ ¬(¬(¬c ↔ a) ↔ ¬a): 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0
N = 4

Ответ

N = 4
2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: ∀x ¬P(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 P(x) ≡ ∀x ¬P(x)

Ответ

∀x ¬P(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: |F − (G ∪ S)| = 12

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: 2
F ∩ G только: 14 − 2 = 12
F ∩ S только: 8 − 2 = 6
G ∩ S только: 9 − 2 = 7

Отдельные множества

F только: 32 − 12 − 6 − 2 = 12
G только: 31 − 12 − 7 − 2 = 10
S только: 21 − 6 − 7 − 2 = 6

Ответ

|F − (G ∪ S)| = 12

Ответ

|F − (G ∪ S)| = 12
4.Множества, отношения и функции

Ответ: ни то, ни другое

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?

f(1) = f(2) = c → не инъективна

Сюръективна?

b не получает стрелки → не сюръективна

Ответ

ни то, ни другое

Ответ

ни то, ни другое
5.Теория графов

Ответ: k = 9

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

18 − 1 = 17

Рёбра для удаления

k = 26 − 17 = 9

Ответ

k = 9
6.Теория графов

Ответ: d(F) = 20

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

В каждой строке: зафиксированная вершина, её окончательное расстояние и соседи, у которых расстояние улучшается.

A (0): B: 12, C: 5
C (5): E: 15
B (12): D: 19, G: 20
E (15): D: 16, F: 26
D (16): F: 20
F (20)
G (20)

Кратчайший путь

A → C → E → D → F
d(F) = 20

Ответ

d(F) = 20
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: φ(65) = 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).

Простые множители

65 = 5·13

Функция Эйлера

φ(65) = φ(13)·φ(5) = 12·4 = 48

Ответ

φ(65) = 48
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: c = 50

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.

Многократное возведение в квадрат

7 = 4 + 2 + 1
181 ≡ 18 (mod 407)
182 ≡ 324 (mod 407)
184 ≡ 377 (mod 407)
187 ≡ 18·324·377 ≡ 50 (mod 407)

Шифртекст

c = 50

Ответ

c = 50

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics