Дискретна математика: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Логіка висловлювань і доведення

Рядки таблиці істинності
2ⁿ
Імплікація
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
Заперечена імплікація
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
Еквіваленція
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
Закони де Моргана
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
Закони дистрибутивності
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
Заперечення кванторів
¬∀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. Порахуйте різні змінні: таблиця істинності має 2ⁿ рядків, і починається вона з рядка, де всі змінні дорівнюють 1.
  2. Дайте кожній підформулі власний стовпець і заповнюйте стовпці зсередини назовні.
  3. Застосовуйте правило кожного зв’язника: → дорівнює 0 лише для 1 → 0, ↔ дорівнює 1, коли обидві частини збігаються.
  4. Для еквівалентностей порівнюйте останні стовпці рядок за рядком; для міркування дивіться лише на рядки, де кожна передумова дорівнює 1.
  5. Щоб заперечити твердження з квантором, перенесіть ¬ досередини, поміняйте ∀ і ∃ та заперечте внутрішню формулу.

Множини, відношення та функції

Дві множини
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
Три множини
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
Різниця та доповнення
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
Булеан і декартів добуток
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
Підмножини розміру k
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
Функції A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
Відношення на n елементах
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
Композиція
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

Метод

  1. Намалюйте діаграму Вена й вирішіть область за областю, що належить множинному виразу.
  2. У задачах на підрахунок заповнюйте області від центру назовні: спочатку всі множини, потім пари, потім окремі множини, потім зовнішню частину.
  3. Використовуйте принцип включення–виключення для перевірки: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
  4. Для відношення перевіряйте кожну властивість на кожній парі й наводьте один контрприклад, коли вона не виконується.
  5. Для функції порахуйте стрілки, що приходять до кожного елемента B: не більше однієї означає ін’єктивність, щонайменше одна — сюр’єктивність.

Теорія графів

Лема про рукостискання
Σ deg(v) = 2|E|
Повні графи
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
Регулярний граф
|E| = n·k/2
Дерево і ліс
|E| = n − 1, |E| = n − c
Листки дерева
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
Ейлер
цикл: усі степені парні; шлях: рівно 2 непарні степені
Гамільтонові цикли в Kn
(n − 1)!/2
Оновлення в алгоритмі Дейкстри
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршрути довжиною L
(Mᴸ)ij

Метод

  1. Випишіть степінь кожної вершини; сума степенів дорівнює подвоєній кількості ребер.
  2. У задачах про Ейлера перевірте, що граф зв’язний, і порахуйте вершини з непарним степенем.
  3. Для дерев використовуйте n − 1 ребро та лему про рукостискання.
  4. Для алгоритму Дейкстри ведіть таблицю попередніх відстаней і щоразу фіксуйте незафіксовану вершину з найменшою відстанню.
  5. Для мінімального остовного дерева відсортуйте ребра за вагою й пропускайте кожне ребро, що замикає цикл (Крускал), або нарощуйте одне дерево від початкової вершини (Прім).

Теорія чисел і арифметика за модулем

Ділення із залишком
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
Евклід
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
Найменше спільне кратне
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
Обернена
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
Лінійна конгруенція
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
Функція Ейлера
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. Спершу зведіть кожне число за модулем n; залишки лежать між 0 і n − 1.
  2. Для НСД діліть послідовно за алгоритмом Евкліда; останній ненульовий залишок і є НСД.
  3. Для оберненого елемента виконайте розширений алгоритм і візьміть коефіцієнт при a; якщо він від’ємний, додайте n.
  4. Розв’язуйте a·x ≡ b множенням на a⁻¹; поєднуйте дві конгруенції, записавши x = r₁ + m₁k.
  5. Для степенів запишіть показник у двійковому вигляді й послідовно підносьте до квадрата; в RSA d = e⁻¹ mod φ(n), де φ(n) = (p − 1)(q − 1).

2Задачі для практики

1.Логіка висловлювань і доведенняСередня
pqrp ∧ rq ∨ (p ∧ r)((p ↔ q) ↔ r) ∧ (q ∨ (p ∧ r))111?110?101?100?011?010?001?000?

У скількох із 8 рядків таблиці істинності ((p ↔ q) ↔ r) ∧ (q ∨ (p ∧ r)) істинне? Позначте це число N.

((p ↔ q) ↔ r) ∧ (q ∨ (p ∧ r))
N =
2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна
pqrp → (r ∨ q)pr111110101100011010001000

Міркування з передумовами p → (r ∨ q); p і висновком r некоректне. Клікніть рядок таблиці істинності, що є контрприкладом.

p → (r ∨ q)p∴ r
  1. 1p = 1, q = 1, r = 1
  2. 2p = 1, q = 1, r = 0
  3. 3p = 1, q = 0, r = 1
  4. 4p = 1, q = 0, r = 0
  5. 5p = 0, q = 1, r = 1
  6. 6p = 0, q = 1, r = 0
  7. 7p = 0, q = 0, r = 1
  8. 8p = 0, q = 0, r = 0
3.Множини, відношення та функціїСередня
ULT12

Опитування 60 осіб показує, що 25 мають ноутбук (L), 40 мають планшет (T), а 12 мають і те, і те. Скільки не входять до жодної множини?

|U| = 60|L| = 25|T| = 40|L ∩ T| = 12
|(L ∪ T)′| =
4.Множини, відношення та функціїСкладна

Відношення еквівалентності R на {1, …, 9} має класи {1, 3, 8}, {7}, {2, 4, 5}, {6, 9}. Скільки впорядкованих пар містить R? Позначте це число |R|.

{1, 3, 8}{7}{2, 4, 5}{6, 9}
|R| =
5.Теорія графівСередня
ABCDEFЕйлерів циклЕйлерів шлях, не циклжодна з цих

Чи має зв’язний граф ейлерів цикл, ейлерів шлях, що не є циклом, чи нічого з цього? Клікніть свою відповідь.

|V| = 6|E| = 8
  1. 1Ейлерів цикл
  2. 2Ейлерів шлях, не цикл
  3. 3жодна з цих
6.Теорія графівСкладна
6743112943415ABCDEFG

Алгоритм Дейкстри працює від A. Клікніть вершину, яку фіксують (роблять остаточною) у раунді 5; сама A — це раунд 1.

початок: Aраунд 5
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
  7. 7G
7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть обернений до 10 за модулем 37: число x, де 0 < x < 37 і 10·x ≡ 1 (mod 37).

a = 10n = 37
10−1 mod 37 =
8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна
mc = me​ mod n43m = cd​ mod n?(n, e) = (235, 13)d

Ключ RSA використовує p = 5, q = 47 і e = 13. Розшифруйте шифротекст c = 43: знайдіть повідомлення m.

p = 5q = 47e = 13c = 43
m =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: N = 2

Таблиці істинності: формула з n різними змінними має 2ⁿ рядків, по одному для кожної комбінації значень істинності (1 = істина, 0 = хибність). Працюйте зсередини назовні й дайте кожній підформулі власний стовпець. ¬a змінює значення; a ∧ b дорівнює 1 лише тоді, коли обидва дорівнюють 1; a ∨ b дорівнює 0 лише тоді, коли обидва дорівнюють 0; a → b дорівнює 0 лише тоді, коли a = 1 і b = 0; a ↔ b дорівнює 1, коли обидві частини рівні.

Таблиця істинності рядок за рядком

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

Порахуйте рядки зі значенням 1

((p ↔ q) ↔ r) ∧ (q ∨ (p ∧ r)): 1, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 0
N = 2

Відповідь

N = 2
2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: p = 1, q = 1, r = 0

Квантори та міркування: ¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x) і ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x). Переносьте заперечення досередини, міняйте кожен квантор, який воно проходить, і заперечуйте внутрішню формулу за законами логіки висловлювань, наприклад ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b. Міркування коректне, коли висновок дорівнює 1 у кожному рядку, де всі передумови дорівнюють 1. Один рядок з істинними передумовами та хибним висновком — це контрприклад, який показує, що міркування некоректне.

Передумови та висновок рядок за рядком

p = 1, q = 1, r = 1: 1 1 | 1
p = 1, q = 1, r = 0: 1 1 | 0
p = 1, q = 0, r = 1: 1 1 | 1
p = 1, q = 0, r = 0: 0 1 | 0
p = 0, q = 1, r = 1: 1 0 | 1
p = 0, q = 1, r = 0: 1 0 | 0
p = 0, q = 0, r = 1: 1 0 | 1
p = 0, q = 0, r = 0: 1 0 | 0

Контрприклад

p = 1, q = 1, r = 0

Відповідь

p = 1, q = 1, r = 0

Міркування такої форми схоже на коректне правило, але одного рядка досить, щоб показати, що це не так.

3.Множини, відношення та функції

Відповідь: |(L ∪ T)′| = 7

Множини та діаграми Вена: A ∪ B містить елементи з A або B (або з обох), A ∩ B — елементи з обох, A − B — елементи A, яких немає в B, а доповнення A′ — усе в U, чого немає в A. На діаграмі Вена кожен множинний вираз — це об’єднання областей, тож рахуйте його область за областю. Включення–виключення: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B| і |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|.

Області

L ∩ T: 12
L − T: 25 − 12 = 13
T − L: 40 − 12 = 28
(L ∪ T)′: 60 − (13 + 28 + 12) = 7

Відповідь

|(L ∪ T)′| = 7

Відповідь

|(L ∪ T)′| = 7
4.Множини, відношення та функції

Відповідь: |R| = 23

Відношення: відношення R на множині X — це множина впорядкованих пар (x, y). R рефлексивне, коли (x, x) ∈ R для кожного x з X; симетричне, коли (x, y) ∈ R завжди супроводжується (y, x) ∈ R; антисиметричне, коли (x, y) і (y, x) одночасно належать R лише якщо x = y; і транзитивне, коли (x, y) та (y, z) в R тягнуть за собою (x, z) ∈ R. Відношення еквівалентності рефлексивне, симетричне й транзитивне та розбиває X на неперетинні класи.

Пари на клас

|R| = 3² + 1² + 3² + 2² = 23

Відповідь

|R| = 23
5.Теорія графів

Відповідь: Ейлерів шлях, не цикл

Ейлер, Гамільтон і дерева: зв’язний граф має ейлерів цикл (кожне ребро один раз, з поверненням до початку), коли кожна вершина має парний степінь, і ейлерів шлях, що не є циклом, коли рівно дві вершини мають непарний степінь; тоді шлях іде від однієї непарної вершини до другої. Гамільтонів цикл відвідує кожну вершину один раз; у Kn їх (n − 1)!/2. Дерево на n вершинах має n − 1 ребро, а зв’язний граф з m ребрами зберігає остовне дерево після вилучення m − n + 1 ребер.

Степені

deg(A) = 1, deg(B) = 4, deg(C) = 2, deg(D) = 3, deg(E) = 4, deg(F) = 2

Непарні вершини

A, D → 2
Ейлерів шлях, не цикл

Відповідь

Ейлерів шлях, не цикл

Ейлерів шлях починається в одній непарній вершині й закінчується в другій.

6.Теорія графів

Відповідь: G

Найкоротші шляхи та остовні дерева: алгоритм Дейкстри фіксує одну вершину за раунд: незафіксовану вершину з найменшою попередньою відстанню. Її відстань тоді остаточна, а кожен сусід v отримує d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v)). Алгоритм Крускала будує мінімальне остовне дерево, беручи ребра від легких до важких і пропускаючи кожне ребро, що замкнуло б цикл; алгоритм Пріма нарощує одне дерево від початкової вершини, завжди додаючи найлегше ребро, що виходить з нього. Остовне дерево з n вершин має n − 1 ребро.

Алгоритм Дейкстри раунд за раундом

1. A (0): B: 6, C: 7
2. B (6): D: 9, G: 10
3. C (7)
4. D (9): E: 20, F: 11
5. G (10)
6. F (11)
7. E (20)

раунд 5

G

Відповідь

G
7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 10−1 mod 37 = 26

Обернені елементи та конгруенції: a має обернений за модулем n саме тоді, коли gcd(a, n) = 1. Розширений алгоритм Евкліда записує 1 = s·n + t·a, і тоді a⁻¹ ≡ t (mod n). Конгруенція a·x ≡ b (mod n) з gcd(a, n) = 1 має розв’язок x ≡ a⁻¹·b. Дві конгруенції x ≡ r₁ (mod m₁) і x ≡ r₂ (mod m₂) зі взаємно простими модулями мають один розв’язок за модулем m₁·m₂ (китайська теорема про лишки). Функція Ейлера φ(n) рахує числа від 1 до n, взаємно прості з n: φ(n) = n·∏(1 − 1/p).

Розширений алгоритм Евкліда

Кожен залишок r записується як r ≡ t·10 (mod 37).

r = 37, t = 0
r = 10, q = 3, t = 1
r = 7, q = 1, t = −3
r = 3, q = 2, t = 4
r = 1, q = 3, t = −11

Обернена

1 ≡ −11·10 (mod 37)
x = 26
перевірка: 10·26 = 260 = 7·37 + 1

Відповідь

10−1 mod 37 = 26
8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: m = 193

Степені за модулем і RSA: обчислюйте aᵏ mod n повторним піднесенням до квадрата: запишіть k у двійковому вигляді, підносьте до квадрата, зводьте після кожного кроку й перемножте степені, біти яких дорівнюють 1. Ферма: aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p) для простого p, що не ділить a, тож показник можна зводити за модулем p − 1. RSA: оберіть прості p і q, n = p·q і φ(n) = (p − 1)(q − 1); відкритий показник e взаємно простий із φ(n), а закритий показник — d = e⁻¹ mod φ(n). Шифруйте за c = mᵉ mod n, а дешифруйте за m = cᵈ mod n.

Закритий показник

n = 235, φ(n) = 184
d = 13−1 mod 184 = 85

Розшифруйте повторним піднесенням до квадрата

85 = 64 + 16 + 4 + 1
431 ≡ 43 (mod 235)
432 ≡ 204 (mod 235)
434 ≡ 21 (mod 235)
438 ≡ 206 (mod 235)
4316 ≡ 136 (mod 235)
4332 ≡ 166 (mod 235)
4364 ≡ 61 (mod 235)
4385 ≡ 43·21·136·61 ≡ 193 (mod 235)

Повідомлення

m = 193
перевірка: 19313 mod 235 = 43

Відповідь

m = 193

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics