离散数学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

命题逻辑与证明

真值表的行数
2ⁿ
蕴涵
p → q ≡ ¬p ∨ q ≡ ¬q → ¬p
蕴涵的否定
¬(p → q) ≡ p ∧ ¬q
双条件
p ↔ q ≡ (p → q) ∧ (q → p)
德摩根律
¬(p ∧ q) ≡ ¬p ∨ ¬q, ¬(p ∨ q) ≡ ¬p ∧ ¬q
分配律
p ∨ (q ∧ r) ≡ (p ∨ q) ∧ (p ∨ r), p ∧ (q ∨ r) ≡ (p ∧ q) ∨ (p ∧ r)
量词的否定
¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x), ¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)
肯定前件,否定后件
p → q, p ⊢ q; p → q, ¬q ⊢ ¬p

方法

  1. 数一数不同变量的个数:真值表有 2ⁿ 行,从全为 1 的一行开始。
  2. 给每个子公式单独一列,由内向外逐列填写。
  3. 按各联结词的规则计算:→ 只有在 1 → 0 时为 0,↔ 在两边相同时为 1。
  4. 判断等价时,逐行比较最后一列;判断论证时,只看所有前提都为 1 的那些行。
  5. 否定带量词的命题时,把 ¬ 移到内部,交换 ∀ 和 ∃,并否定内部的公式。

集合、关系与函数

两个集合
|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
三个集合
|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|
差集与补集
A − B = A ∩ B′, |A′| = |U| − |A|
幂集与乘积集
|𝒫(A)| = 2|A|, |A × B| = |A|·|B|
大小为 k 的子集
C(n, k) = n!/(k!(n − k)!)
函数 A → B
nᵐ; injective n!/(n − m)!; surjective Σ (−1)ᵏ C(n, k)(n − k)ᵐ
n 个元素上的关系
2n²; reflexive 2n² − n; symmetric 2n(n+1)/2
复合
(g ∘ f)(x) = g(f(x))

方法

  1. 画出维恩图,逐个区域判断它是否属于该集合表达式。
  2. 对于计数问题,从中心向外填写各区域:先是所有集合的交,再是两两的交,然后是单个集合,最后是外部。
  3. 用容斥原理进行检验:|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|。
  4. 对于关系,对每一对元素检验各个性质,不成立时给出一个反例。
  5. 对于函数,数一数到达 B 中每个元素的箭头:至多一个表示单射,至少一个表示满射。

图论

握手引理
Σ deg(v) = 2|E|
完全图
|E(Kn)| = n(n − 1)/2, |E(Km,n)| = m·n
正则图
|E| = n·k/2
树与森林
|E| = n − 1, |E| = n − c
树的叶子
L = 2 + Σ (deg(v) − 2) over deg(v) ≥ 3
欧拉
回路:所有顶点度数为偶数; 通路:恰有 2 个奇度顶点
Kn 中的哈密顿回路
(n − 1)!/2
迪杰斯特拉更新
d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))
长度为 L 的途径
(Mᴸ)ij

方法

  1. 写出每个顶点的度数;所有度数之和等于边数的两倍。
  2. 对于欧拉问题,先检查图是否连通,再数一数奇度顶点的个数。
  3. 对于树,利用 n − 1 条边和握手引理。
  4. 对于迪杰斯特拉算法,保留一张暂定距离表,每一轮确定未确定顶点中距离最小的那个。
  5. 对于最小生成树,把边按权重排序,跳过每条会形成圈的边(克鲁斯卡尔算法),或者从一个起点出发扩展一棵树(普里姆算法)。

数论与模运算

带余除法
a = q·n + r, 0 ≤ r < n
欧几里得
gcd(a, b) = gcd(b, a mod b)
最小公倍数
lcm(a, b) = a·b/gcd(a, b)
逆矩阵
a·a⁻¹ ≡ 1 (mod n), gcd(a, n) = 1
线性同余方程
a·x ≡ b → x ≡ a⁻¹·b (mod n)
欧拉函数
φ(n) = n·∏(1 − 1/p), φ(pᵏ) = pᵏ − pᵏ⁻¹
费马
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

方法

  1. 先把每个数对 n 取模;余数在 0 到 n − 1 之间。
  2. 求最大公约数时,用欧几里得算法反复做除法;最后一个非零余数就是最大公约数。
  3. 求逆元时,运行扩展算法并保留 a 的系数;若为负数则加上 n。
  4. 解 a·x ≡ b 时,两边乘以 a⁻¹;合并两个同余式时,写成 x = r₁ + m₁k。
  5. 求幂时,把指数写成二进制并反复平方;在 RSA 中,d = e⁻¹ mod φ(n),其中 φ(n) = (p − 1)(q − 1)。

2练习题

1.命题逻辑与证明中等
重言式矛盾式偶然式

¬(r ∧ q) ↔ (¬r ∨ ¬q) 是重言式、矛盾式还是偶然式?点选你的答案。

¬(r ∧ q) ↔ (¬r ∨ ¬q)
  1. 1重言式
  2. 2矛盾式
  3. 3偶然式
2.命题逻辑与证明困难
∃x (P(x) ∧ ¬Q(x))∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))∀x (¬P(x) → ¬Q(x))∀x (P(x) → ¬Q(x))

把否定完全移到内部之后,哪个命题与 ¬∃x (P(x) → Q(x)) 等价?点选它。

¬∃x (P(x) → Q(x))
  1. 1∃x (P(x) ∧ ¬Q(x))
  2. 2∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))
  3. 3∀x (¬P(x) → ¬Q(x))
  4. 4∀x (P(x) → ¬Q(x))
3.集合、关系与函数中等
UMPC

在 66 名一年级学生中,43 人通过了数学 (M),34 人通过了物理 (P),30 人通过了化学 (C)。20 人通过了 M 和 P,18 人通过了 M 和 C,15 人通过了 P 和 C,6 人三门都通过了。 有多少属于三个集合中的任何一个都不属于?

|U| = 66
|(M ∪ P ∪ C)′| =
4.集合、关系与函数困难

在 X = {1, 2, …, 13} 上,当 x ≡ y (mod 4) 时关系 x ~ y 成立。等价类 [5] 中有多少个元素?

X = {1, …, 13}x ~ y ⟺ 4 | (x − y)
|[5]| =
5.图论中等
ABCDEFG欧拉回路有欧拉通路,无回路都不是

这个连通图有欧拉回路、有不是回路的欧拉通路,还是两者都没有?点选你的答案。

|V| = 7|E| = 12
  1. 1欧拉回路
  2. 2有欧拉通路,无回路
  3. 3都不是
6.图论困难
13158315914615ABCDEFG

用迪杰斯特拉算法求带权图中从 A 到 F 的最短路径的长度 d(F)。

起点:A终点:F
d(F) =
7.数论与模运算中等

求 64 模 77 的逆元:满足 0 < x < 77 且 64·x ≡ 1 (mod 77) 的数 x。

a = 64n = 77
64−1 mod 77 =
8.数论与模运算困难

83 是素数。用费马小定理求 2475260 mod 83。

p = 83k = 75260
2475260 mod 83 =

3溶液

1.命题逻辑与证明

答案: 重言式

逻辑等价:两个公式在真值表的每一行取值都相同时,它们是等价(≡)的。重言式在每一行都为 1,矛盾式在每一行都为 0,偶然式则两者都不是。常用定律:德摩根律,¬(a ∧ b) ≡ ¬a ∨ ¬b 和 ¬(a ∨ b) ≡ ¬a ∧ ¬b;a → b ≡ ¬a ∨ b ≡ ¬b → ¬a(逆否命题);¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b;以及分配律,a ∨ (b ∧ c) ≡ (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)。

逐行写出真值表

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

分类

¬(r ∧ q) ↔ (¬r ∨ ¬q): 1, 1, 1, 1
每一行都是 1:重言式。

答案

重言式
2.命题逻辑与证明

答案: ∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))

量词与论证:¬∀x P(x) ≡ ∃x ¬P(x),¬∃x P(x) ≡ ∀x ¬P(x)。把否定向内移动,交换它经过的每个量词,并用命题逻辑的定律否定内部的公式,例如 ¬(a → b) ≡ a ∧ ¬b。当所有前提为 1 的每一行中结论也为 1 时,论证是有效的。只要有一行前提为真而结论为假,它就是反例,说明论证无效。

把否定移到内部

¬∃x (P(x) → Q(x)) ≡ ∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))

答案

∀x (P(x) ∧ ¬Q(x))

其他选项要么保持某个量词不变,要么改变了量词的顺序,要么错误地否定了内部的公式。

3.集合、关系与函数

答案: |(M ∪ P ∪ C)′| = 6

集合与维恩图:A ∪ B 包含属于 A 或 B(或两者)的元素,A ∩ B 包含同时属于两者的元素,A − B 包含属于 A 但不属于 B 的元素,补集 A′ 是 U 中不属于 A 的一切元素。在维恩图中,每个集合表达式都是若干区域的并集,所以要逐个区域地计数。容斥原理:|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|,以及 |A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| − |A ∩ B| − |A ∩ C| − |B ∩ C| + |A ∩ B ∩ C|。

中心与两两交

M ∩ P ∩ C: 6
M ∩ P 仅: 20 − 6 = 14
M ∩ C 仅: 18 − 6 = 12
P ∩ C 仅: 15 − 6 = 9

单个集合

M 仅: 43 − 14 − 12 − 6 = 11
P 仅: 34 − 14 − 9 − 6 = 5
C 仅: 30 − 12 − 9 − 6 = 3

答案

|M ∪ P ∪ C| = 60
|(M ∪ P ∪ C)′| = 66 − 60 = 6

答案

|(M ∪ P ∪ C)′| = 6
4.集合、关系与函数

答案: |[5]| = 4

关系:集合 X 上的关系 R 是由有序对 (x, y) 组成的集合。若对 X 中每个 x 都有 (x, x) ∈ R,则 R 是自反的;若 (x, y) ∈ R 时总有 (y, x) ∈ R,则是对称的;若 (x, y) 和 (y, x) 同时属于 R 仅当 x = y,则是反对称的;若 R 中的 (x, y) 和 (y, z) 必然导出 (x, z) ∈ R,则是传递的。等价关系是自反、对称且传递的,它把 X 分成互不相交的类。

该类

[5] = {1, 5, 9, 13}
|[5]| = 4

答案

|[5]| = 4
5.图论

答案: 欧拉回路

欧拉、哈密顿与树:连通图在每个顶点度数都为偶数时有欧拉回路(每条边经过一次,回到起点),在恰有两个顶点度数为奇数时有不是回路的欧拉通路;此时通路从一个奇度顶点走到另一个奇度顶点。哈密顿回路恰好经过每个顶点一次;Kn 有 (n − 1)!/2 条。n 个顶点的树有 n − 1 条边,有 m 条边的连通图在去掉 m − n + 1 条边后保留一棵生成树。

度

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

奇度顶点

0
欧拉回路

答案

欧拉回路
6.图论

答案: d(F) = 31

最短路径与生成树:迪杰斯特拉算法每一轮确定一个顶点:暂定距离最小的未确定顶点。它的距离随即成为最终值,并且每个邻点 v 得到 d(v) = min(d(v), d(u) + w(u, v))。克鲁斯卡尔算法按从轻到重的顺序取边并跳过会形成圈的边,从而构造最小生成树;普里姆算法从一个起点出发扩展一棵树,每次加入离开这棵树的最轻的边。n 个顶点的生成树有 n − 1 条边。

迪杰斯特拉算法逐轮过程

每一行:被确定的顶点、它的最终距离,以及距离得到改进的邻点。

A (0): B: 13
B (13): C: 28, G: 22
G (22): D: 28, E: 37
C (28): E: 36
D (28): F: 31
F (31)
E (36)

最短路径

A → B → G → D → F
d(F) = 31

答案

d(F) = 31
7.数论与模运算

答案: 64−1 mod 77 = 71

逆元与同余式:a 模 n 有逆元,当且仅当 gcd(a, n) = 1。扩展欧几里得算法把 1 写成 s·n + t·a,于是 a⁻¹ ≡ t (mod n)。当 gcd(a, n) = 1 时,同余式 a·x ≡ b (mod n) 的解为 x ≡ a⁻¹·b。模数互素的两个同余式 x ≡ r₁ (mod m₁) 和 x ≡ r₂ (mod m₂) 在模 m₁·m₂ 下有唯一解(中国剩余定理)。欧拉函数 φ(n) 表示 1 到 n 中与 n 互素的数的个数:φ(n) = n·∏(1 − 1/p)。

扩展欧几里得算法

每个余数 r 都写成 r ≡ t·64 (mod 77)。

r = 77, t = 0
r = 64, q = 1, t = 1
r = 13, q = 4, t = −1
r = 12, q = 1, t = 5
r = 1, q = 12, t = −6

逆矩阵

1 ≡ −6·64 (mod 77)
x = 71
校核: 64·71 = 4544 = 59·77 + 1

答案

64−1 mod 77 = 71
8.数论与模运算

答案: 2475260 mod 83 = 40

模幂与 RSA:用反复平方法计算 aᵏ mod n:把 k 写成二进制,平方,每一步之后取模,并把对应二进制位为 1 的幂相乘。费马:对不整除 a 的素数 p,aᵖ⁻¹ ≡ 1 (mod p),所以指数可以对 p − 1 取模。RSA:选取素数 p 和 q,n = p·q,φ(n) = (p − 1)(q − 1);公钥指数 e 与 φ(n) 互素,私钥指数为 d = e⁻¹ mod φ(n)。用 c = mᵉ mod n 加密,用 m = cᵈ mod n 解密。

化简指数

75260 mod 82 = 66
2475260 ≡ 2466 (mod 83)

小的幂

2466 mod 83 = 40

答案

2475260 mod 83 = 40

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