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

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

(c ↔ b) ∨ (¬(b ∧ a) ∧ (¬c → 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
UFG13

В группе из 42 студентов 26 говорят по-французски (F), 27 — по-немецки (G) и 13 — на обоих языках. Сколько человек входят хотя бы в одно из двух множеств?

|U| = 42|F| = 26|G| = 27|F ∩ G| = 13
|F ∪ G| =
4.Множества, отношения и функцииСложная
x12345f(x)21314g(x)44311

Функции f и g на {1, 2, 3, 4, 5} заданы таблицами. Найдите (f ∘ f)(3).

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

Связный граф имеет 12 вершин и 17 рёбер. Сколько рёбер, k, нужно удалить, чтобы осталось остовное дерево?

|V| = 12|E| = 17
k =
6.Теория графовСложная
107131314212131514ABCDEFG

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 обратный к 24 по модулю 61: число x, для которого 0 < x < 61 и 24·x ≡ 1 (mod 61).

a = 24n = 61
24−1 mod 61 =
8.Теория чисел и модульная арифметикаСложная

Используйте многократное возведение в квадрат, чтобы найти 11159 mod 49.

a = 11k = 159n = 49
11159 mod 49 =

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

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

Посчитайте строки со значением 1

(c ↔ b) ∨ (¬(b ∧ a) ∧ (¬c → a)): 1, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1
N = 6

Ответ

N = 6
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| = 40

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

F ∩ G: 13
F − G: 26 − 13 = 13
G − F: 27 − 13 = 14
(F ∪ G)′: 42 − (13 + 14 + 13) = 2

Ответ

|F ∪ G| = 40

Ответ

|F ∪ G| = 40
4.Множества, отношения и функции

Ответ: (f ∘ f)(3) = 3

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.

Внутренняя функция

f(3) = 3

Внешняя функция

f(3) = 3
(f ∘ f)(3) = 3

Ответ

(f ∘ f)(3) = 3
5.Теория графов

Ответ: k = 6

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

12 − 1 = 11

Рёбра для удаления

k = 17 − 11 = 6

Ответ

k = 6
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): C: 10
C (10): B: 17, E: 23, G: 11
G (11): D: 16
D (16): F: 18
B (17)
F (18)
E (23)

Кратчайший путь

A → C → G → D → F
d(F) = 18

Ответ

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

Ответ: 24−1 mod 61 = 28

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).

Расширенный алгоритм Евклида

Каждый остаток r записывается как r ≡ t·24 (mod 61).

r = 61, t = 0
r = 24, q = 2, t = 1
r = 13, q = 1, t = −2
r = 11, q = 1, t = 3
r = 2, q = 5, t = −5
r = 1, q = 2, t = 28

Обратная матрица

1 ≡ 28·24 (mod 61)
x = 28
проверка: 24·28 = 672 = 11·61 + 1

Ответ

24−1 mod 61 = 28
8.Теория чисел и модульная арифметика

Ответ: 11159 mod 49 = 29

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

159 = 100111112 = 128 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1

Многократное возведение в квадрат

111 ≡ 11 (mod 49)
112 ≡ 23 (mod 49)
114 ≡ 39 (mod 49)
118 ≡ 2 (mod 49)
1116 ≡ 4 (mod 49)
1132 ≡ 16 (mod 49)
1164 ≡ 11 (mod 49)
11128 ≡ 23 (mod 49)

Перемножьте нужные степени

11159 ≡ 11·23·39·2·4·23 ≡ 29 (mod 49)

Ответ

11159 mod 49 = 29

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics