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 → c)? Клікніть її.

¬(b → c)

1b ∧ ¬c
2¬b → ¬c
3¬b ∧ c
4b → ¬c

2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна

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

q → (p ∨ r)q∴ p

1p = 1, q = 1, r = 1
2p = 1, q = 1, r = 0
3p = 1, q = 0, r = 1
4p = 1, q = 0, r = 0
5p = 0, q = 1, r = 1
6p = 0, q = 1, r = 0
7p = 0, q = 0, r = 1
8p = 0, q = 0, r = 0

3.Множини, відношення та функціїСередня

У групі з 46 студентів 22 розмовляють французькою (F), 22 — німецькою (G), а 29 — іспанською (S). 15 розмовляють французькою й німецькою, 11 — французькою й іспанською, 9 — німецькою й іспанською, а 5 розмовляють усіма трьома. Скільки не входять до жодної з трьох множин?

|U| = 46

|(F ∪ G ∪ S)′| =

4.Множини, відношення та функціїСкладна

Функції f і g на {1, 2, 3, 4, 5} задано таблицями. Знайдіть (f ∘ g)(2).

f: 1 ↦ 3, 2 ↦ 2, 3 ↦ 2, 4 ↦ 5, 5 ↦ 3g: 1 ↦ 5, 2 ↦ 1, 3 ↦ 3, 4 ↦ 2, 5 ↦ 5

(f ∘ g)(2) =

5.Теорія графівСередня

Дерево має 4 вершин степеня 3, 3 вершин степеня 4, 4 вершин степеня 5, 3 вершин степеня 2, а всі його інші вершини — листки (степінь 1). Скільки листків L воно має?

4 × deg 33 × deg 44 × deg 53 × deg 2

L =

6.Теорія графівСкладна

Скільки замкнених маршрутів довжиною 2 починаються й закінчуються в D? Маршрут може повторювати вершини й ребра. Позначте число N.

M = матриця суміжностіL = 2

N =

7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть обернений до 13 за модулем 31: число x, де 0 < x < 31 і 13·x ≡ 1 (mod 31).

a = 13n = 31

13⁻¹ mod 31 =

8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна

11 — просте. Скористайтеся малою теоремою Ферма, щоб знайти 6⁴⁰⁴⁰⁷ mod 11.

p = 11k = 40407

6⁴⁰⁴⁰⁷ mod 11 =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: b ∧ ¬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) ≡ ¬(¬a ∨ b) ≡ a ∧ ¬b: єдиний рядок, у якому імплікація хибна.

¬(b → c) ≡ b ∧ ¬c

Перевірте за таблицею істинності

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

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

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

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

Відповідь

b ∧ ¬c

Стовпці після риски — це варіанти в показаному порядку.

2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: p = 0, q = 1, r = 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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрприклад

p = 0, q = 1, r = 1

Відповідь

p = 0, q = 1, r = 1

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

3.Множини, відношення та функції

Відповідь: |(F ∪ G ∪ S)′| = 3

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

F ∩ G ∩ S: 5

F ∩ G лише: 15 − 5 = 10

F ∩ S лише: 11 − 5 = 6

G ∩ S лише: 9 − 5 = 4

Окремі множини

F лише: 22 − 10 − 6 − 5 = 1

G лише: 22 − 10 − 4 − 5 = 3

S лише: 29 − 6 − 4 − 5 = 14

Відповідь

|F ∪ G ∪ S| = 43

|(F ∪ G ∪ S)′| = 46 − 43 = 3

Відповідь

|(F ∪ G ∪ S)′| = 3

4.Множини, відношення та функції

Відповідь: (f ∘ g)(2) = 3

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.

Внутрішня функція

g(2) = 1

Зовнішня функція

f(1) = 3

(f ∘ g)(2) = 3

Відповідь

(f ∘ g)(2) = 3

5.Теорія графів

Відповідь: L = 24

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.

Лема про рукостискання для дерева

L + 50 = 2(L + 14) − 2

L = 24

Відповідь

L = 24

Скорочення: L = 2 + Σ (d − 2) за вершинами зі степенем d ≥ 3.

6.Теорія графів

Відповідь: N = 2

Степені: степінь вершини — це кількість ребер, що в ній сходяться. Кожне ребро має два кінці, тож степені в сумі дають подвоєну кількість ребер: Σ deg(v) = 2|E| (лема про рукостискання). Тому кількість вершин з непарним степенем парна. K_n має n(n − 1)/2 ребер, k-регулярний граф на n вершинах має nk/2, а дерево на n вершинах має n − 1 ребро.

Матриця суміжності

A: 0 1 1 0 0 0

B: 1 0 1 1 1 0

C: 1 1 0 0 0 0

D: 0 1 0 0 0 1

E: 0 1 0 0 0 1

F: 0 0 0 1 1 0

Спільні сусіди

(M²)_DD = 0·0 + 1·1 + 0·0 + 0·0 + 0·0 + 1·1 = 2

Відповідь

N = 2

7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 13⁻¹ mod 31 = 12

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·13 (mod 31).

r = 31, t = 0

r = 13, q = 2, t = 1

r = 5, q = 2, t = −2

r = 3, q = 1, t = 5

r = 2, q = 1, t = −7

r = 1, q = 2, t = 12

Обернена

1 ≡ 12·13 (mod 31)

x = 12

перевірка: 13·12 = 156 = 5·31 + 1

Відповідь

13⁻¹ mod 31 = 12

8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 6⁴⁰⁴⁰⁷ mod 11 = 8

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.

Зведіть показник

40407 mod 10 = 7

6⁴⁰⁴⁰⁷ ≡ 6⁷ (mod 11)

Малий степінь

6⁷ mod 11 = 8

Відповідь

6⁴⁰⁴⁰⁷ mod 11 = 8

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics