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
¬r ∨ q¬r → ¬q¬r ∧ qr ∨ ¬q

哪个公式与 r → q 在逻辑上等价?点选它。

r → q
  1. 1¬r ∨ q
  2. 2¬r → ¬q
  3. 3¬r ∧ q
  4. 4r ∨ ¬q
2.命题逻辑与证明困难
c¬cc ∧ ¬bb

已知前提 (a ∧ c) → b; a; ¬b。由它们可以推出哪个结论?点选它。

(a ∧ c) → ba¬b
  1. 1c
  2. 2¬c
  3. 3c ∧ ¬b
  4. 4b
3.集合、关系与函数中等
UFG3

在一个有 26 名学生的小组中,17 人会说法语 (F),6 人会说德语 (G),3 人两种都会。 有多少两个集合都不属于?

|U| = 26|F| = 17|G| = 6|F ∩ G| = 3
|(F ∪ G)′| =
4.集合、关系与函数困难

在 X = {1, 2, …, 14} 上,当 x ≡ y (mod 2) 时关系 x ~ y 成立。等价类 [1] 中有多少个元素?

X = {1, …, 14}x ~ y ⟺ 2 | (x − y)
|[1]| =
5.图论中等

完全图 K7 有多少条不同的哈密顿回路 H?只是起点或方向不同的回路算作同一条。

K7
H =
6.图论困难
714511181214ABCDEF

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 4 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

起点:A轮 4
  1. 1A
  2. 2B
  3. 3C
  4. 4D
  5. 5E
  6. 6F
7.数论与模运算中等

求欧拉函数 φ(17),即 1 到 17 中与 17 互素的整数个数。

n = 17 = 17
φ(17) =
8.数论与模运算困难
44c = me​ mod n?m = cd​ mod nm(n, e) = (133, 11)d

用 RSA 公钥 (n, e) = (133, 11) 加密消息 m = 44。求密文 c。

n = 133e = 11m = 44
c =

3溶液

1.命题逻辑与证明

答案: ¬r ∨ q

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)。

定律

a → b 只有在 a = 1 且 b = 0 时才为 0,所以它与 ¬a ∨ b 相同。
r → q ≡ ¬r ∨ q

用真值表检验

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

答案

¬r ∨ q

竖线之后的各列是按所示顺序排列的各个选项。

2.命题逻辑与证明

答案: ¬c

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。

所有前提都为真的行

a = 1, b = 0, c = 0: c = 0, ¬c = 1, c ∧ ¬b = 0, b = 0

结论

¬c (带合取的否定后件式)

答案

¬c
3.集合、关系与函数

答案: |(F ∪ G)′| = 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|。

各个区域

F ∩ G: 3
F − G: 17 − 3 = 14
G − F: 6 − 3 = 3
(F ∪ G)′: 26 − (14 + 3 + 3) = 6

答案

|(F ∪ G)′| = 6

答案

|(F ∪ G)′| = 6
4.集合、关系与函数

答案: |[1]| = 7

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

[1] = {1, 3, 5, 7, 9, 11, 13}
|[1]| = 7

答案

|[1]| = 7
5.图论

答案: H = 360

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。

计数

H = (7 − 1)!/2 = 720/2 = 360

答案

H = 360
6.图论

答案: E

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

1. A (0): B: 7, C: 14
2. B (7): C: 12, E: 21
3. C (12)
4. E (21): D: 22, F: 33
5. D (22): F: 30
6. F (30)

轮 4

E

答案

E
7.数论与模运算

答案: φ(17) = 16

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)。

素因数

17 = 17

欧拉函数值

φ(17) = 17 − 1 = 16

答案

φ(17) = 16
8.数论与模运算

答案: c = 74

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。

反复平方

11 = 8 + 2 + 1
441 ≡ 44 (mod 133)
442 ≡ 74 (mod 133)
444 ≡ 23 (mod 133)
448 ≡ 130 (mod 133)
4411 ≡ 44·74·130 ≡ 74 (mod 133)

密文

c = 74

答案

c = 74

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