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
pqrq ↔ (r ∨ ¬q)r ∨ p(q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p)111?110?101?100?011?010?001?000?

В скольких из 8 строк таблицы истинности (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) истинно? Обозначим это число N.

(q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p)
N =
2.Логика высказываний и доказательстваСложная

В скольких из 16 строк таблицы истинности ((p → s) → q) ∧ (¬(r → ¬s) ∧ (q → p)) истинно? Обозначим это число N.

((p → s) → q) ∧ (¬(r → ¬s) ∧ (q → p))
N =
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UABC12345678

Ровно одна область диаграммы Венна является множеством (C − A) ∩ (B ∩ A′). Нажмите на её номер.

(C − A) ∩ (B ∩ A′)
  1. 1область 1
  2. 2область 2
  3. 3область 3
  4. 4область 4
  5. 5область 5
  6. 6область 6
  7. 7область 7
  8. 8область 8
4.Множества, отношения и функцииСложная
x12345f(x)43521

Биекция f на {1, 2, 3, 4, 5} задана таблицей. Найдите f−1(4).

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

Сколько различных гамильтоновых циклов, H, в полном графе K8? Циклы, отличающиеся только начальной вершиной или направлением, считаются одним и тем же.

K8
H =
6.Теория графовСложная
142157211412ABCDEF

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

Решите 43x ≡ 27 (mod 46). Укажите решение x, для которого 0 < x < 46.

43x ≡ 27 (mod 46)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная

Используйте многократное возведение в квадрат, чтобы найти 56109 mod 69.

a = 56k = 109n = 69
56109 mod 69 =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: N = 6

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

p = 1, q = 1, r = 1: ¬q = 0, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 1, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 1, q = 1, r = 0: ¬q = 0, r ∨ ¬q = 0, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 1, q = 0, r = 1: ¬q = 1, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 1, q = 0, r = 0: ¬q = 1, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 0, q = 1, r = 1: ¬q = 0, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 1, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 0, q = 1, r = 0: ¬q = 0, r ∨ ¬q = 0, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 0, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 0
p = 0, q = 0, r = 1: ¬q = 1, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 1, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 1
p = 0, q = 0, r = 0: ¬q = 1, r ∨ ¬q = 1, q ↔ (r ∨ ¬q) = 0, r ∨ p = 0, (q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p) = 0

Посчитайте строки со значением 1

(q ↔ (r ∨ ¬q)) ∨ (r ∨ p): 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0
N = 6

Ответ

N = 6
2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: N = 1

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

p → s; (p → s) → q; ¬s; r → ¬s; ¬(r → ¬s); q → p; ¬(r → ¬s) ∧ (q → p); ((p → s) → q) ∧ (¬(r → ¬s) ∧ (q → p))

Разбиение по p

p = 1: 1
p = 0: 0
N = 1 + 0 = 1

Ответ

N = 1
3.Множества, отношения и функции

Ответ: область 2

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|.

Внутри или вне каждого множества

A′ ∩ B ∩ C

Область

область 2

Ответ

область 2
4.Множества, отношения и функции

Ответ: f−1(4) = 1

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.

Читайте таблицу в обратном направлении

f(1) = 4 → f−1(4) = 1

Ответ

f−1(4) = 1
5.Теория графов

Ответ: H = 2520

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.

Посчитайте

H = (8 − 1)!/2 = 5040/2 = 2520

Ответ

H = 2520
6.Теория графов

Ответ: d(F) = 8

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: 14, C: 2
C (2): E: 4
E (4): D: 15, F: 8
F (8)
B (14)
D (15)

Кратчайший путь

A → C → E → F
d(F) = 8

Ответ

d(F) = 8
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: x = 37

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 43

r = 46, t = 0
r = 43, q = 1, t = 1
r = 3, q = 14, t = −1
r = 1, q = 3, t = 15
43−1 ≡ 15 (mod 46)

Решите

x ≡ 15·27 = 405 ≡ 37 (mod 46)
проверка: 43·37 = 1591 ≡ 27 (mod 46)

Ответ

x = 37
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: 56109 mod 69 = 53

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.

Двоичный показатель

109 = 11011012 = 64 + 32 + 8 + 4 + 1

Многократное возведение в квадрат

561 ≡ 56 (mod 69)
562 ≡ 31 (mod 69)
564 ≡ 64 (mod 69)
568 ≡ 25 (mod 69)
5616 ≡ 4 (mod 69)
5632 ≡ 16 (mod 69)
5664 ≡ 49 (mod 69)

Перемножьте нужные степени

56109 ≡ 56·64·25·16·49 ≡ 53 (mod 69)

Ответ

56109 mod 69 = 53

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics