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

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

(q ∧ (p ∨ q)) → (r ∧ p)

N =

2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна

Міркування з передумовами c → a; b → a і висновком c → b некоректне. Клікніть рядок таблиці істинності, що є контрприкладом.

c → ab → a∴ c → b

1a = 1, b = 1, c = 1
2a = 1, b = 1, c = 0
3a = 1, b = 0, c = 1
4a = 1, b = 0, c = 0
5a = 0, b = 1, c = 1
6a = 0, b = 1, c = 0
7a = 0, b = 0, c = 1
8a = 0, b = 0, c = 0

3.Множини, відношення та функціїСередня

Кожне число на діаграмі Вена — це кількість елементів у цій області. Знайдіть |C′ − A′|.

|U| = 66

|C′ − A′| =

4.Множини, відношення та функціїСкладна

Скільки існує сюр’єктивних (на) функцій f: A → B, якщо |A| = 5 і |B| = 2? Позначте число N.

|A| = 5|B| = 2

N =

5.Теорія графівСередня

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

|V| = 7|E| = 11

1Ейлерів цикл
2Ейлерів шлях, не цикл
3жодна з цих

6.Теорія графівСкладна

Знайдіть загальну вагу W мінімального остовного дерева зваженого графа.

|V| = 7|E| = 10

W =

7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть обернений до 27 за модулем 41: число x, де 0 < x < 41 і 27·x ≡ 1 (mod 41).

a = 27n = 41

27⁻¹ mod 41 =

8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна

Скільки розв’язків N має 8x ≡ 62 (mod 90) серед {0, 1, …, 89}?

8x ≡ 62 (mod 90)

N =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: N = 5

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 ∧ (p ∨ q) = 1, r ∧ p = 1, (q ∧ (p ∨ q)) → (r ∧ p) = 1

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

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

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

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

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

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

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

Порахуйте рядки зі значенням 1

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

N = 5

Відповідь

N = 5

2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: a = 1, b = 0, c = 1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрприклад

a = 1, b = 0, c = 1

Відповідь

a = 1, b = 0, c = 1

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

3.Множини, відношення та функції

Відповідь: |C′ − A′| = 24

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 виразу

A ∩ B′ ∩ C′: 10

A ∩ B ∩ C′: 14

Додайте

|C′ − A′| = 10 + 14 = 24

Відповідь

|C′ − A′| = 24

4.Множини, відношення та функції

Відповідь: N = 30

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(2, 0)·2⁵ − C(2, 1)·1⁵ = 30

Відповідь

N = 30

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 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.

Степені

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

Непарні вершини

B, 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: W = 36

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

GB (1): взяти

BD (2): взяти

AB (3): взяти

AC (5): взяти

GC (9): пропустити, замикає цикл

CE (12): взяти

DF (13): взяти

Загальна вага

W = 1 + 2 + 3 + 5 + 12 + 13 = 36

Відповідь

W = 36

7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 27⁻¹ mod 41 = 38

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·27 (mod 41).

r = 41, t = 0

r = 27, q = 1, t = 1

r = 14, q = 1, t = −1

r = 13, q = 1, t = 2

r = 1, q = 13, t = −3

Обернена

1 ≡ −3·27 (mod 41)

x = 38

перевірка: 27·38 = 1026 = 25·41 + 1

Відповідь

27⁻¹ mod 41 = 38

8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: N = 2

Поділіть на НСД

gcd(8, 90) = 2

4x ≡ 31 (mod 45)

Розв’яжіть скорочену конгруенцію

4⁻¹ ≡ 34 (mod 45) → x ≡ 19 (mod 45)

Розв’язки за модулем 90

x ∈ {19, 64}

N = 2

Відповідь

N = 2

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics