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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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
abcc → (a ∧ ¬b)¬(c → (a ∧ ¬b))¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b))111?110?101?100?011?010?001?000?

在其真值表的 8 行中,¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) 在多少行为真?把这个数记作 N。

¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b))
N =
2.命题逻辑与证明困难
∀x ∀y ¬R(x, y)∃y ∀x ¬R(x, y)∃x ∀y ¬R(x, y)∀x ∃y ¬R(x, y)

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

¬∀x ∃y R(x, y)
  1. 1∀x ∀y ¬R(x, y)
  2. 2∃y ∀x ¬R(x, y)
  3. 3∃x ∀y ¬R(x, y)
  4. 4∀x ∃y ¬R(x, y)
3.集合、关系与函数中等
ULTW

一项对 62 人的调查发现,33 人拥有笔记本电脑 (L),28 人拥有平板电脑 (T),35 人拥有智能手表 (W)。10 人拥有 L 和 T,16 人拥有 L 和 W,17 人拥有 T 和 W,3 人三者都有。 有多少属于三个集合中的任何一个都不属于?

|U| = 62
|(L ∪ T ∪ W)′| =
4.集合、关系与函数困难

含 2 个元素的集合上共有多少个对称关系? 把这个数记作 N。

|X| = 2
N =
5.图论中等

一个连通图有 13 个顶点和 13 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 13|E| = 13
k =
6.图论困难
107195209151714ABCDEF

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 6|E| = 9
W =
7.数论与模运算中等

求满足 x ≡ 2 (mod 3) 和 x ≡ 3 (mod 4) 的最小正整数 x。

x ≡ 2 (mod 3)x ≡ 3 (mod 4)
x =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (527, 17)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 17 和 q = 31,公钥指数 e = 17。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 17q = 31e = 17
d =

3溶液

1.命题逻辑与证明

答案: N = 6

真值表:含 n 个不同变量的公式有 2ⁿ 行,每一行对应真值的一种组合(1 = 真,0 = 假)。由内向外进行,给每个子公式单独一列。¬a 把值取反;a ∧ b 只有在两者都为 1 时才为 1;a ∨ b 只有在两者都为 0 时才为 0;a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0;a ↔ b 在两边相等时为 1。

逐行写出真值表

a = 1, b = 1, c = 1: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 0, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 0, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 1, b = 1, c = 0: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 0, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 1, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 1, b = 0, c = 1: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 1, a ∧ ¬b = 1, c → (a ∧ ¬b) = 1, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 1, b = 0, c = 0: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 1, a ∧ ¬b = 1, c → (a ∧ ¬b) = 1, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 0, b = 1, c = 1: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 0, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 0, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 0, b = 1, c = 0: a ∨ c = 0, ¬(a ∨ c) = 1, ¬b = 0, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 1, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0
a = 0, b = 0, c = 1: a ∨ c = 1, ¬(a ∨ c) = 0, ¬b = 1, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 0, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 1
a = 0, b = 0, c = 0: a ∨ c = 0, ¬(a ∨ c) = 1, ¬b = 1, a ∧ ¬b = 0, c → (a ∧ ¬b) = 1, ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0, ¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)) = 0

数出值为 1 的行数

¬(a ∨ c) → ¬(c → (a ∧ ¬b)): 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 0
N = 6

答案

N = 6
2.命题逻辑与证明

答案: ∃x ∀y ¬R(x, y)

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 ∃y R(x, y) ≡ ∃x ∀y ¬R(x, y)

答案

∃x ∀y ¬R(x, y)

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: |(L ∪ T ∪ W)′| = 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

L ∩ T ∩ W: 3
L ∩ T 仅: 10 − 3 = 7
L ∩ W 仅: 16 − 3 = 13
T ∩ W 仅: 17 − 3 = 14

单个集合

L 仅: 33 − 7 − 13 − 3 = 10
T 仅: 28 − 7 − 14 − 3 = 4
W 仅: 35 − 13 − 14 − 3 = 5

答案

|L ∪ T ∪ W| = 56
|(L ∪ T ∪ W)′| = 62 − 56 = 6

答案

|(L ∪ T ∪ W)′| = 6
4.集合、关系与函数

答案: N = 8

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。

数出自由选择的个数

N = 22 + 1 = 8

答案

N = 8
5.图论

答案: k = 1

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。

生成树的边数

13 − 1 = 12

要去掉的边数

k = 13 − 12 = 1

答案

k = 1
6.图论

答案: W = 46

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。

克鲁斯卡尔算法

BD (5): 取
AC (7): 取
DE (9): 取
AB (10): 取
BE (14): 跳过,会形成圈
DF (15): 取

总权重

W = 5 + 7 + 9 + 10 + 15 = 46

答案

W = 46
7.数论与模运算

答案: x = 11

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)。

第一个同余式

x = 2 + 3k

第二个同余式

2 + 3k ≡ 3 (mod 4) → 3k ≡ 1 (mod 4)
k ≡ 3·1 ≡ 3 (mod 4)

结果

x = 2 + 3·3 = 11
x = 11
校核: 11 mod 3 = 2, 11 mod 4 = 3

答案

x = 11
8.数论与模运算

答案: d = 113

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。

模数与欧拉函数值

n = 17·31 = 527
φ(n) = 16·30 = 480

扩展欧几里得算法

r = 480, t = 0
r = 17, q = 28, t = 1
r = 4, q = 4, t = −28
r = 1, q = 4, t = 113

私钥指数

d = 113
校核: 17·113 = 1921 = 4·480 + 1

答案

d = 113

ExamProblems · examproblems.com/courses/discrete-mathematics