Дискретна математика: шпаргалка-підсумок

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

Нові задачі Назад 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

Порахуйте різні змінні: таблиця істинності має 2ⁿ рядків, і починається вона з рядка, де всі змінні дорівнюють 1.
Дайте кожній підформулі власний стовпець і заповнюйте стовпці зсередини назовні.
Застосовуйте правило кожного зв’язника: → дорівнює 0 лише для 1 → 0, ↔ дорівнює 1, коли обидві частини збігаються.
Для еквівалентностей порівнюйте останні стовпці рядок за рядком; для міркування дивіться лише на рядки, де кожна передумова дорівнює 1.
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: 2^n²; reflexive 2^{n² − n}; symmetric 2^n(n+1)/2
Композиція: (g ∘ f)(x) = g(f(x))

Метод

Намалюйте діаграму Вена й вирішіть область за областю, що належить множинному виразу.
У задачах на підрахунок заповнюйте області від центру назовні: спочатку всі множини, потім пари, потім окремі множини, потім зовнішню частину.
Використовуйте принцип включення–виключення для перевірки: |A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|.
Для відношення перевіряйте кожну властивість на кожній парі й наводьте один контрприклад, коли вона не виконується.
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(K_n)| = n(n − 1)/2, |E(K_m,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 K_n: (n − 1)!/2
Оновлення в алгоритмі Дейкстри: d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
Маршрути довжиною L: (Mᴸ)_ij

Метод

Випишіть степінь кожної вершини; сума степенів дорівнює подвоєній кількості ребер.
У задачах про Ейлера перевірте, що граф зв’язний, і порахуйте вершини з непарним степенем.
Для дерев використовуйте n − 1 ребро та лему про рукостискання.
Для алгоритму Дейкстри ведіть таблицю попередніх відстаней і щоразу фіксуйте незафіксовану вершину з найменшою відстанню.
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

Спершу зведіть кожне число за модулем n; залишки лежать між 0 і n − 1.
Для НСД діліть послідовно за алгоритмом Евкліда; останній ненульовий залишок і є НСД.
Для оберненого елемента виконайте розширений алгоритм і візьміть коефіцієнт при a; якщо він від’ємний, додайте n.
Розв’язуйте a·x ≡ b множенням на a⁻¹; поєднуйте дві конгруенції, записавши x = r₁ + m₁k.
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

Яка формула логічно еквівалентна (b ∨ a) → c? Клікніть її.

(b ∨ a) → c

1(b ∧ a) → c
2b ∨ (a → c)
3(b → c) ∨ (a → c)
4(b → c) ∧ (a → c)

2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна

Скільки з 16 рядків таблиці істинності роблять ¬(s → (¬p ↔ r)) ↔ ((q → p) → (r → q)) істинним? Позначте це число N.

¬(s → (¬p ↔ r)) ↔ ((q → p) → (r → q))

N =

3.Множини, відношення та функціїСередня

Відношення R на {1, 2, 3} зображено орієнтованим графом (петля означає (x, x) ∈ R). Виконується рівно одна з чотирьох властивостей. Клікніть її.

R = {(1, 1), (1, 2), (1, 3), (2, 1), (2, 2), (3, 1)}

1рефлексивне
2симетрична
3антисиметричне
4транзитивне

4.Множини, відношення та функціїСкладна

Скільки антисиметричних відношень існує на множині з 2 елементів? Позначте число N.

|X| = 2

N =

5.Теорія графівСередня

Скільки різних гамільтонових циклів H має повний граф K₇? Цикли, що відрізняються лише початковою вершиною чи напрямком, вважаються однаковими.

K₇

H =

6.Теорія графівСкладна

Скористайтеся алгоритмом Дейкстри, щоб знайти довжину d(F) найкоротшого шляху від A до F у зваженому графі.

початок: Aкінець: F

d(F) =

7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть обернений до 39 за модулем 70: число x, де 0 < x < 70 і 39·x ≡ 1 (mod 70).

a = 39n = 70

39⁻¹ mod 70 =

8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна

Ключ RSA використовує прості числа p = 11 і q = 17 та відкритий показник e = 3. Знайдіть закритий показник d (0 < d < φ(n)).

p = 11q = 17e = 3

d =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: (b → c) ∧ (a → c)

Логічна еквівалентність: дві формули еквівалентні (≡), коли мають однакове значення в кожному рядку таблиці істинності. Тавтологія дорівнює 1 у кожному рядку, суперечність — 0 у кожному рядку, а випадкова формула — ні те, ні інше. Корисні закони: закони де Моргана, ¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b і ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b; a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a (контрапозиція); ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b; а також закони дистрибутивності, a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c).

Закон

(a ∨ b) → c потребує c щоразу, коли виконується a або b: (a → c) ∧ (b → c).

(b ∨ a) → c ≡ (b → c) ∧ (a → c)

Перевірте за таблицею істинності

a = 1, b = 1, c = 1: 1 | 1 1 1 1

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

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

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

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

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

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

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

Відповідь

(b → c) ∧ (a → c)

Стовпці після риски — це варіанти в показаному порядку.

2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: N = 6

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.

Стовпці

¬p; ¬p ↔ r; s → (¬p ↔ r); ¬(s → (¬p ↔ r)); q → p; r → q; (q → p) → (r → q); ¬(s → (¬p ↔ r)) ↔ ((q → p) → (r → q))

Розділення за p

p = 1: 2

p = 0: 4

N = 2 + 4 = 6

Відповідь

N = 6

3.Множини, відношення та функції

Відповідь: симетрична

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.

рефлексивне

не виконується: (3, 3) ∉ R

симетрична

виконується

антисиметричне

не виконується: (1, 2), (2, 1) ∈ R

транзитивне

не виконується: (2, 1), (1, 3) ∈ R, (2, 3) ∉ R

Відповідь

симетрична

4.Множини, відношення та функції

Відповідь: N = 12

Порахуйте вільні вибори

N = 2²·3¹ = 12

Відповідь

N = 12

5.Теорія графів

Відповідь: H = 360

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 K_n 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.

Порахуйте

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

Відповідь

H = 360

6.Теорія графів

Відповідь: d(F) = 15

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

Кожен рядок: зафіксована вершина, її остаточна відстань і сусіди, чия відстань покращується.

A (0): C: 6

C (6): B: 8, E: 17

B (8): D: 12, E: 13

D (12): F: 20

E (13): F: 15

F (15)

Найкоротший шлях

A → C → B → E → F

d(F) = 15

Відповідь

d(F) = 15

7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 39⁻¹ mod 70 = 9

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·39 (mod 70).

r = 70, t = 0

r = 39, q = 1, t = 1

r = 31, q = 1, t = −1

r = 8, q = 3, t = 2

r = 7, q = 1, t = −7

r = 1, q = 7, t = 9

Обернена

1 ≡ 9·39 (mod 70)

x = 9

перевірка: 39·9 = 351 = 5·70 + 1

Відповідь

39⁻¹ mod 70 = 9

8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: d = 107

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 = 11·17 = 187

φ(n) = 10·16 = 160

Розширений алгоритм Евкліда

r = 160, t = 0

r = 3, q = 53, t = 1

r = 1, q = 3, t = −53

Закритий показник

d = 107

перевірка: 3·107 = 321 = 2·160 + 1

Відповідь

d = 107

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics