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
pqr¬rp ∧ ¬r(r → (¬q ↔ p)) ∨ (p ∧ ¬r)111?110?101?100?011?010?001?000?

在其真值表的 8 行中,(r → (¬q ↔ p)) ∨ (p ∧ ¬r) 在多少行为真?把这个数记作 N。

(r → (¬q ↔ p)) ∨ (p ∧ ¬r)
N =
2.命题逻辑与证明困难
∃x (¬F(x) ∧ G(x))∀x (F(x) ∧ ¬G(x))∃x (F(x) ∧ ¬G(x))∃x (F(x) → ¬G(x))

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

¬∀x (F(x) → G(x))
  1. 1∃x (¬F(x) ∧ G(x))
  2. 2∀x (F(x) ∧ ¬G(x))
  3. 3∃x (F(x) ∧ ¬G(x))
  4. 4∃x (F(x) → ¬G(x))
3.集合、关系与函数中等
1234

R = {(1, 2), (2, 1), (2, 3), (4, 3), (4, 4)} 是 {1, 2, 3, 4} 上的关系。 要使 R 对称,至少要添加多少个有序对 k?

R = {(1, 2), (2, 1), (2, 3), (4, 3), (4, 4)}
k =
4.集合、关系与函数困难

若 |A| = 5,|B| = 3,从 A 到 B 的函数 f: A → B 有多少个? 把这个数记作 N。

|A| = 5|B| = 3
N =
5.图论中等

一个连通图有 10 个顶点和 14 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 10|E| = 14
k =
6.图论困难
1231591427ABCDEF

迪杰斯特拉算法从 A 开始运行。点选在第 3 轮被确定(成为永久标号)的顶点;A 本身是第 1 轮。

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

求满足 x ≡ 3 (mod 8) 和 x ≡ 2 (mod 13) 的最小正整数 x。

x ≡ 3 (mod 8)x ≡ 2 (mod 13)
x =
8.数论与模运算困难

在 {0, 1, …, 63} 中,58x ≡ 4 (mod 64) 有多少个解 N?

58x ≡ 4 (mod 64)
N =

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

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

数出值为 1 的行数

(r → (¬q ↔ p)) ∨ (p ∧ ¬r): 0, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1
N = 6

答案

N = 6
2.命题逻辑与证明

答案: ∃x (F(x) ∧ ¬G(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 (F(x) → G(x)) ≡ ∃x (F(x) ∧ ¬G(x))

答案

∃x (F(x) ∧ ¬G(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: k = 2

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。

要添加的序对

{(3, 2), (3, 4)}

计数

k = 2

答案

k = 2
4.集合、关系与函数

答案: N = 243

函数与计数:函数 f: A → B 使 A 中每个元素在 B 中恰有一个像。不同元素有不同的像时 f 是单射(一一映射),B 中每个元素都是像时是满射(映上),两者都成立时是双射。当 |A| = m,|B| = n 时,共有 nᵐ 个函数,n!/(n − m)! 个单射(m ≤ n),以及由容斥原理得到的 Σ (−1)ᵏ·C(n, k)·(n − k)ᵐ 个满射。|𝒫(A)| = 2ᵐ,|A × B| = m·n。

计数

N = 35 = 243

答案

N = 243
5.图论

答案: k = 5

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

10 − 1 = 9

要去掉的边数

k = 14 − 9 = 5

答案

k = 5
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: 12, C: 3
2. C (3): E: 4
3. E (4): F: 6, B: 11
4. F (6): D: 10
5. D (10)
6. B (11)

轮 3

E

答案

E
7.数论与模运算

答案: x = 67

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 = 3 + 8k

第二个同余式

3 + 8k ≡ 2 (mod 13) → 8k ≡ 12 (mod 13)
k ≡ 5·12 ≡ 8 (mod 13)

结果

x = 3 + 8·8 = 67
x = 67
校核: 67 mod 8 = 3, 67 mod 13 = 2

答案

x = 67
8.数论与模运算

答案: N = 2

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)。

除以最大公约数

gcd(58, 64) = 2
29x ≡ 2 (mod 32)

解化简后的同余式

29−1 ≡ 21 (mod 32) → x ≡ 10 (mod 32)

模 64 下的解

x ∈ {10, 42}
N = 2

答案

N = 2

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