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
pqr¬q → p(¬q → p) ∧ r(p ∨ q) ∧ ((¬q → p) ∧ r)111?110?101?100?011?010?001?000?

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

(p ∨ q) ∧ ((¬q → p) ∧ r)
N =
2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна
∃y ∀x ¬R(x, y)∀x ∀y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)

Яке твердження еквівалентне ¬∀x ∃y R(x, y), якщо заперечення перенесено повністю досередини? Клікніть його.

¬∀x ∃y R(x, y)
  1. 1∃y ∀x ¬R(x, y)
  2. 2∀x ∀y ¬R(x, y)
  3. 3∀x ∃y ¬R(x, y)
  4. 4∃x ∀y ¬R(x, y)
3.Множини, відношення та функціїСередня
UMPC

З 56 студентів першого курсу 23 склали математику (M), 26 склали фізику (P) і 31 склали хімію (C). 4 склали M і P, 8 склали M і C, 14 склали P і C, а 1 склали всі три. Скільки входять лише до M?

|U| = 56
|M − (P ∪ C)| =
4.Множини, відношення та функціїСкладна

Скільки існує сюр’єктивних (на) функцій f: A → B, якщо |A| = 5 і |B| = 4? Позначте число N.

|A| = 5|B| = 4
N =
5.Теорія графівСередня
ABCDEЕйлерів 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| = 5|E| = 5
  1. 1Ейлерів цикл
  2. 2Ейлерів шлях, не цикл
  3. 3жодна з цих
6.Теорія графівСкладна
21214651720101ABCDEFG

Знайдіть загальну вагу W мінімального остовного дерева зваженого графа.

|V| = 7|E| = 9
W =
7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть найменше додатне ціле x, де x ≡ 4 (mod 7) і x ≡ 9 (mod 10).

x ≡ 4 (mod 7)x ≡ 9 (mod 10)
x =
8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (203, 17)d = ?

Ключ RSA використовує прості числа p = 7 і q = 29 та відкритий показник e = 17. Знайдіть закритий показник d (0 < d < φ(n)).

p = 7q = 29e = 17
d =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: N = 3

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

Порахуйте рядки зі значенням 1

(p ∨ q) ∧ ((¬q → p) ∧ r): 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0
N = 3

Відповідь

N = 3
2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: ∃x ∀y ¬R(x, y)

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.

Перенесіть заперечення досередини

¬∀x ∃y R(x, y) ≡ ∃x ∀y ¬R(x, y)

Відповідь

∃x ∀y ¬R(x, y)

Інші варіанти або залишають квантор без змін, або змінюють порядок кванторів, або неправильно заперечують внутрішню формулу.

3.Множини, відношення та функції

Відповідь: |M − (P ∪ C)| = 12

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|.

Центр і пари

M ∩ P ∩ C: 1
M ∩ P лише: 4 − 1 = 3
M ∩ C лише: 8 − 1 = 7
P ∩ C лише: 14 − 1 = 13

Окремі множини

M лише: 23 − 3 − 7 − 1 = 12
P лише: 26 − 3 − 13 − 1 = 9
C лише: 31 − 7 − 13 − 1 = 10

Відповідь

|M − (P ∪ C)| = 12

Відповідь

|M − (P ∪ C)| = 12
4.Множини, відношення та функції

Відповідь: N = 240

Функції та підрахунок: функція f: A → B дає кожному елементу A рівно один образ у B. f ін’єктивна (один до одного), коли різні елементи мають різні образи, сюр’єктивна (на), коли кожен елемент B є образом, і бієктивна, коли виконується і те, і те. За |A| = m і |B| = n існує nᵐ функцій, n!/(n − m)! ін’єктивних (m ≤ n), а за принципом включення–виключення Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ сюр’єктивних. |𝒫(A)| = 2ᵐ і |A × B| = m·n.

Порахуйте

N = C(4, 0)·45 − C(4, 1)·35 + C(4, 2)·25 − C(4, 3)·15 = 240

Відповідь

N = 240
5.Теорія графів

Відповідь: жодна з цих

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) = 3, deg(C) = 2, deg(D) = 1, deg(E) = 3

Непарні вершини

A, B, D, E → 4
жодна з цих

Відповідь

жодна з цих
6.Теорія графів

Відповідь: W = 40

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 Крускала

GE (1): взяти
AB (2): взяти
EF (5): взяти
DF (6): взяти
GD (10): пропустити, замикає цикл
BC (12): взяти
BD (14): взяти

Загальна вага

W = 1 + 2 + 5 + 6 + 12 + 14 = 40

Відповідь

W = 40
7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: x = 39

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).

Перша конгруенція

x = 4 + 7k

Друга конгруенція

4 + 7k ≡ 9 (mod 10) → 7k ≡ 5 (mod 10)
k ≡ 3·5 ≡ 5 (mod 10)

Результат

x = 4 + 7·5 = 39
x = 39
перевірка: 39 mod 7 = 4, 39 mod 10 = 9

Відповідь

x = 39
8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: d = 89

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.

Модуль і функція Ейлера

n = 7·29 = 203
φ(n) = 6·28 = 168

Розширений алгоритм Евкліда

r = 168, t = 0
r = 17, q = 9, t = 1
r = 15, q = 1, t = −9
r = 2, q = 7, t = 10
r = 1, q = 2, t = −79

Закритий показник

d = 89
перевірка: 17·89 = 1513 = 9·168 + 1

Відповідь

d = 89

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics