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 (p ∧ (p → q)) → q тавтологией, противоречием или нейтральной формулой? Нажмите на ваш ответ.

(p ∧ (p → q)) → q
  1. 1тавтология
  2. 2противоречие
  3. 3нейтральная формула
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
acc ∨ ac¬a11100100

Рассуждение с посылками c ∨ a; c и выводом ¬a неправильно. Нажмите на строку таблицы истинности, которая является контрпримером.

c ∨ ac∴ ¬a
  1. 1a = 1, c = 1
  2. 2a = 1, c = 0
  3. 3a = 0, c = 1
  4. 4a = 0, c = 0
3.Множества, отношения и функцииСредняя
1234

R = {(2, 2), (2, 3), (3, 4)} — отношение на {1, 2, 3, 4}. Каково наименьшее число k упорядоченных пар, которые нужно добавить к R, чтобы оно стало транзитивным (размер транзитивного замыкания минус |R|)?

R = {(2, 2), (2, 3), (3, 4)}
k =
4.Множества, отношения и функцииСложная

Сколько существует функций f: A → B, если |A| = 2 и |B| = 2? Обозначим это число N.

|A| = 2|B| = 2
N =
5.Теория графовСредняя

Связный граф имеет 17 вершин и 20 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 17|E| = 20
k =
6.Теория графовСложная
414111265155ABCDEF

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 наименьшее положительное целое x, для которого x ≡ 1 (mod 3) и x ≡ 3 (mod 5).

x ≡ 1 (mod 3)x ≡ 3 (mod 5)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная

Используйте многократное возведение в квадрат, чтобы найти 11137 mod 98.

a = 11k = 137n = 98
11137 mod 98 =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: тавтология

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

p = 1, q = 1: p → q = 1, p ∧ (p → q) = 1, (p ∧ (p → q)) → q = 1
p = 1, q = 0: p → q = 0, p ∧ (p → q) = 0, (p ∧ (p → q)) → q = 1
p = 0, q = 1: p → q = 1, p ∧ (p → q) = 0, (p ∧ (p → q)) → q = 1
p = 0, q = 0: p → q = 1, p ∧ (p → q) = 0, (p ∧ (p → q)) → q = 1

Классификация

(p ∧ (p → q)) → q: 1, 1, 1, 1
1 в каждой строке: тавтология.

Ответ

тавтология
2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: a = 1, c = 1

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.

Посылки и вывод по строкам

a = 1, c = 1: 1 1 | 0
a = 1, c = 0: 1 0 | 0
a = 0, c = 1: 1 1 | 1
a = 0, c = 0: 0 0 | 1

Контрпример

a = 1, c = 1

Ответ

a = 1, c = 1

Рассуждение такой формы выглядит как правильное правило, но одной строки достаточно, чтобы показать, что это не так.

3.Множества, отношения и функции

Ответ: k = 1

Отношения: отношение R на множестве X — это множество упорядоченных пар (x, y). R рефлексивно, если (x, x) ∈ R для каждого x из X; симметрично, если вместе с (x, y) ∈ R всегда есть (y, x) ∈ R; антисимметрично, если (x, y) и (y, x) одновременно лежат в R только при x = y; и транзитивно, если из (x, y) и (y, z) в R следует (x, z) ∈ R. Отношение эквивалентности рефлексивно, симметрично и транзитивно и разбивает X на непересекающиеся классы.

Пары для добавления

{(2, 4)}

Посчитайте

k = 1

Ответ

k = 1
4.Множества, отношения и функции

Ответ: N = 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.

Посчитайте

N = 22 = 4

Ответ

N = 4
5.Теория графов

Ответ: k = 4

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

17 − 1 = 16

Рёбра для удаления

k = 20 − 16 = 4

Ответ

k = 4
6.Теория графов

Ответ: d(F) = 18

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: 4, C: 14
B (4): C: 5, D: 15, E: 9
C (5): E: 7
E (7): D: 13, F: 22
D (13): F: 18
F (18)

Кратчайший путь

A → B → C → E → D → F
d(F) = 18

Ответ

d(F) = 18
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: x = 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).

Первое сравнение

x = 1 + 3k

Второе сравнение

1 + 3k ≡ 3 (mod 5) → 3k ≡ 2 (mod 5)
k ≡ 2·2 ≡ 4 (mod 5)

Результат

x = 1 + 3·4 = 13
x = 13
проверка: 13 mod 3 = 1, 13 mod 5 = 3

Ответ

x = 13
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: 11137 mod 98 = 65

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

137 = 100010012 = 128 + 8 + 1

Многократное возведение в квадрат

111 ≡ 11 (mod 98)
112 ≡ 23 (mod 98)
114 ≡ 39 (mod 98)
118 ≡ 51 (mod 98)
1116 ≡ 53 (mod 98)
1132 ≡ 65 (mod 98)
1164 ≡ 11 (mod 98)
11128 ≡ 23 (mod 98)

Перемножьте нужные степени

11137 ≡ 11·51·23 ≡ 65 (mod 98)

Ответ

11137 mod 98 = 65

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics