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
(p ∧ q) ∧ ¬r¬r → ¬(p ∧ q)¬(p ∧ q) → ¬rr → (p ∧ q)

Вы хотите доказать (p ∧ q) → r от контрапозиции. Какую импликацию вы доказываете вместо неё? Нажмите на неё.

(p ∧ q) → r
  1. 1(p ∧ q) ∧ ¬r
  2. 2¬r → ¬(p ∧ q)
  3. 3¬(p ∧ q) → ¬r
  4. 4r → (p ∧ q)
2.Логика высказываний и доказательстваСложная
∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))∀x (P(x) → ¬Q(x))∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))∀x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))

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

¬∃x (P(x) ∧ Q(x))
  1. 1∃x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))
  2. 2∀x (P(x) → ¬Q(x))
  3. 3∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))
  4. 4∀x (¬P(x) ∧ ¬Q(x))
3.Множества, отношения и функцииСредняя
UABC29523164

Каждое число на диаграмме Венна — это число элементов в соответствующей области. Найдите |(B ∪ A′) ∩ (C′ ∪ B′)|.

|U| = 32
|(B ∪ A′) ∩ (C′ ∪ B′)| =
4.Множества, отношения и функцииСложная

Сколько существует сюръективных (на) функций f: A → B, если |A| = 5 и |B| = 3? Обозначим это число N.

|A| = 5|B| = 3
N =
5.Теория графовСредняя

Связный граф имеет 6 вершин и 10 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 6|E| = 10
k =
6.Теория графовСложная
73101119122081ABCDEFG

Найдите суммарный вес W минимального остовного дерева взвешенного графа.

|V| = 7|E| = 9
W =
7.Теория чисел и модульная арифметикаСредняя

Найдите наименьшее положительное целое x, для которого x ≡ 1 (mod 5) и x ≡ 9 (mod 11).

x ≡ 1 (mod 5)x ≡ 9 (mod 11)
x =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (817, 19)d = ?

В ключе RSA используются простые числа p = 19 и q = 43 и открытый показатель e = 19. Найдите закрытый показатель d (0 < d < φ(n)).

p = 19q = 43e = 19
d =

3Растворы

1.Логика высказываний и доказательства

Ответ: ¬r → ¬(p ∧ 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).

Части импликации

a = p ∧ q, b = r

Контрапозиция

¬b → ¬a = ¬r → ¬(p ∧ q)

Ответ

¬r → ¬(p ∧ q)

Контрапозиция эквивалентна исходному утверждению, поэтому её доказательство доказывает и само утверждение.

2.Логика высказываний и доказательства

Ответ: ∀x (P(x) → ¬Q(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) ∧ Q(x)) ≡ ∀x (P(x) → ¬Q(x))

Ответ

∀x (P(x) → ¬Q(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: |(B ∪ A′) ∩ (C′ ∪ B′)| = 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|.

Области выражения

A′ ∩ B′ ∩ C′: 2
A′ ∩ B ∩ C′: 5
A ∩ B ∩ C′: 2
A′ ∩ B′ ∩ C: 3

Сложите

|(B ∪ A′) ∩ (C′ ∪ B′)| = 2 + 5 + 2 + 3 = 12

Ответ

|(B ∪ A′) ∩ (C′ ∪ B′)| = 12
4.Множества, отношения и функции

Ответ: N = 150

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 = C(3, 0)·35 − C(3, 1)·25 + C(3, 2)·15 = 150

Ответ

N = 150
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

6 − 1 = 5

Рёбра для удаления

k = 10 − 5 = 5

Ответ

k = 5
6.Теория графов

Ответ: W = 48

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

GE (1): берём
BC (3): берём
AC (7): берём
GD (8): берём
BD (10): берём
CE (11): пропускаем, замыкает цикл
GB (12): пропускаем, замыкает цикл
DF (19): берём

Суммарный вес

W = 1 + 3 + 7 + 8 + 10 + 19 = 48

Ответ

W = 48
7.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: x = 31

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 + 5k

Второе сравнение

1 + 5k ≡ 9 (mod 11) → 5k ≡ 8 (mod 11)
k ≡ 9·8 ≡ 6 (mod 11)

Результат

x = 1 + 5·6 = 31
x = 31
проверка: 31 mod 5 = 1, 31 mod 11 = 9

Ответ

x = 31
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: d = 199

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 = 19·43 = 817
φ(n) = 18·42 = 756

Расширенный алгоритм Евклида

r = 756, t = 0
r = 19, q = 39, t = 1
r = 15, q = 1, t = −39
r = 4, q = 3, t = 40
r = 3, q = 1, t = −159
r = 1, q = 3, t = 199

Закрытый показатель

d = 199
проверка: 19·199 = 3781 = 5·756 + 1

Ответ

d = 199

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics