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
тавтологіясуперечністьвипадкова формула

Чи є q → (q ∧ r) тавтологією, суперечністю чи випадковою формулою? Клікніть свою відповідь.

q → (q ∧ r)
  1. 1тавтологія
  2. 2суперечність
  3. 3випадкова формула
2.Логіка висловлювань і доведенняСкладна
∀x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))∃x (F(x) → ∀y ¬R(x, y))∃x (¬F(x) ∧ ∃y R(x, y))

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

¬∀x (F(x) → ∃y R(x, y))
  1. 1∀x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))
  2. 2∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))
  3. 3∃x (F(x) → ∀y ¬R(x, y))
  4. 4∃x (¬F(x) ∧ ∃y R(x, y))
3.Множини, відношення та функціїСередня
UABC81113813112

Кожне число на діаграмі Вена — це кількість елементів у цій області. Знайдіть |(A ∪ B′) ∩ (C′ ∩ A)|.

|U| = 57
|(A ∪ B′) ∩ (C′ ∩ A)| =
4.Множини, відношення та функціїСкладна

Скільки існує сюр’єктивних (на) функцій f: A → B, якщо |A| = 4 і |B| = 2? Позначте число N.

|A| = 4|B| = 2
N =
5.Теорія графівСередня
ABCDEFGЕйлерів 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| = 7|E| = 9
  1. 1Ейлерів цикл
  2. 2Ейлерів шлях, не цикл
  3. 3жодна з цих
6.Теорія графівСкладна
1712182113451514ABCDEFG

Знайдіть загальну вагу W мінімального остовного дерева зваженого графа.

|V| = 7|E| = 10
W =
7.Теорія чисел і арифметика за модулемСередня

Знайдіть обернений до 20 за модулем 69: число x, де 0 < x < 69 і 20·x ≡ 1 (mod 69).

a = 20n = 69
20−1 mod 69 =
8.Теорія чисел і арифметика за модулемСкладна
869c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (1081, 7)d

Зашифруйте повідомлення m = 869 відкритим ключем RSA (n, e) = (1081, 7). Знайдіть шифротекст c.

n = 1081e = 7m = 869
c =

3Розчини

1.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: випадкова формула

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).

Таблиця істинності рядок за рядком

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

Класифікуйте

q → (q ∧ r): 1, 0, 1, 1
1 у 3 з 4 рядків, 0 в інших: випадкова формула.

Відповідь

випадкова формула
2.Логіка висловлювань і доведення

Відповідь: ∃x (F(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 (F(x) → ∃y R(x, y)) ≡ ∃x (F(x) ∧ ∀y ¬R(x, y))

Відповідь

∃x (F(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: |(A ∪ B′) ∩ (C′ ∩ A)| = 4

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′: 1
A ∩ B ∩ C′: 3

Додайте

|(A ∪ B′) ∩ (C′ ∩ A)| = 1 + 3 = 4

Відповідь

|(A ∪ B′) ∩ (C′ ∩ A)| = 4
4.Множини, відношення та функції

Відповідь: N = 14

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)·24 − C(2, 1)·14 = 14

Відповідь

N = 14
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) = 2, deg(C) = 3, deg(D) = 3, deg(E) = 3, deg(F) = 2, deg(G) = 4

Непарні вершини

A, C, 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

CE (2): взяти
DF (3): взяти
EF (4): взяти
GB (5): взяти
DE (11): пропустити, замикає цикл
AC (12): взяти
GD (14): взяти

Загальна вага

W = 2 + 3 + 4 + 5 + 12 + 14 = 40

Відповідь

W = 40
7.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: 20−1 mod 69 = 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·20 (mod 69).

r = 69, t = 0
r = 20, q = 3, t = 1
r = 9, q = 2, t = −3
r = 2, q = 4, t = 7
r = 1, q = 2, t = −31

Обернена

1 ≡ −31·20 (mod 69)
x = 38
перевірка: 20·38 = 760 = 11·69 + 1

Відповідь

20−1 mod 69 = 38
8.Теорія чисел і арифметика за модулем

Відповідь: c = 29

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.

Повторне піднесення до квадрата

7 = 4 + 2 + 1
8691 ≡ 869 (mod 1081)
8692 ≡ 623 (mod 1081)
8694 ≡ 50 (mod 1081)
8697 ≡ 869·623·50 ≡ 29 (mod 1081)

Шифротекст

c = 29

Відповідь

c = 29

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics