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
pqrr ∨ ¬q(r ∨ ¬q) ∧ p(q ∧ ¬(r ∨ p)) ∨ ((r ∨ ¬q) ∧ p)111?110?101?100?011?010?001?000?

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

(q ∧ ¬(r ∨ p)) ∨ ((r ∨ ¬q) ∧ p)
N =
2.命题逻辑与证明困难
p¬rrp ∧ q

已知前提 p ∨ q; p → r; q → r。由它们可以推出哪个结论?点选它。

p ∨ qp → rq → r
  1. 1p
  2. 2¬r
  3. 3r
  4. 4p ∧ q
3.集合、关系与函数中等
123自反对称反对称传递

{1, 2, 3} 上的关系 R 画成了有向图(环表示 (x, x) ∈ R)。四个性质中恰有一个成立。点选它。

R = {(1, 2), (2, 1), (2, 3), (3, 2), (3, 3)}
  1. 1自反
  2. 2对称
  3. 3反对称
  4. 4传递
4.集合、关系与函数困难
x12345f(x)13552g(x)41315

{1, 2, 3, 4, 5} 上的函数 f 和 g 由各自的表给出。求 (g ∘ f)(4)。

f: 1 ↦ 1, 2 ↦ 3, 3 ↦ 5, 4 ↦ 5, 5 ↦ 2g: 1 ↦ 4, 2 ↦ 1, 3 ↦ 3, 4 ↦ 1, 5 ↦ 5
(g ∘ f)(4) =
5.图论中等

一棵树有 3 个度为 3 的顶点, 3 个度为 4 的顶点, 2 个度为 5 的顶点, 4 个度为 2 的顶点,其余所有顶点都是叶子(度为 1)。它有多少片叶子 L?

3 × deg 33 × deg 42 × deg 54 × deg 2
L =
6.图论困难
611207921513ABCDEF

求带权图的最小生成树的总权重 W。

|V| = 6|E| = 8
W =
7.数论与模运算中等

求 79 模 83 的逆元:满足 0 < x < 83 且 79·x ≡ 1 (mod 83) 的数 x。

a = 79n = 83
79−1 mod 83 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod ncm = cd​ mod nm(n, e) = (205, 19)d = ?

某个 RSA 密钥使用素数 p = 5 和 q = 41,公钥指数 e = 19。求私钥指数 d(0 < d < φ(n))。

p = 5q = 41e = 19
d =

3溶液

1.命题逻辑与证明

答案: N = 4

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

数出值为 1 的行数

(q ∧ ¬(r ∨ p)) ∨ ((r ∨ ¬q) ∧ p): 1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0
N = 4

答案

N = 4
2.命题逻辑与证明

答案: r

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

p = 1, q = 1, r = 1: p = 1, ¬r = 0, r = 1, p ∧ q = 1
p = 1, q = 0, r = 1: p = 1, ¬r = 0, r = 1, p ∧ q = 0
p = 0, q = 1, r = 1: p = 0, ¬r = 0, r = 1, p ∧ q = 0

结论

r (分情形证明)

答案

r
3.集合、关系与函数

答案: 对称

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。

自反

不成立: (1, 1) ∉ R

对称

成立

反对称

不成立: (1, 2), (2, 1) ∈ R

传递

不成立: (1, 2), (2, 1) ∈ R, (1, 1) ∉ R

答案

对称
4.集合、关系与函数

答案: (g ∘ f)(4) = 5

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。

内层函数

f(4) = 5

外层函数

g(5) = 5
(g ∘ f)(4) = 5

答案

(g ∘ f)(4) = 5
5.图论

答案: L = 17

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。

树的握手引理

L + 39 = 2(L + 12) − 2
L = 17

答案

L = 17

捷径:L = 2 + Σ (d − 2),对度 d ≥ 3 的顶点求和。

6.图论

答案: W = 39

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

DE (2): 取
AB (6): 取
BD (7): 取
CE (9): 取
AC (11): 跳过,会形成圈
BE (13): 跳过,会形成圈
EF (15): 取

总权重

W = 2 + 6 + 7 + 9 + 15 = 39

答案

W = 39
7.数论与模运算

答案: 79−1 mod 83 = 62

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·79 (mod 83)。

r = 83, t = 0
r = 79, q = 1, t = 1
r = 4, q = 19, t = −1
r = 3, q = 1, t = 20
r = 1, q = 3, t = −21

逆矩阵

1 ≡ −21·79 (mod 83)
x = 62
校核: 79·62 = 4898 = 59·83 + 1

答案

79−1 mod 83 = 62
8.数论与模运算

答案: d = 59

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 = 5·41 = 205
φ(n) = 4·40 = 160

扩展欧几里得算法

r = 160, t = 0
r = 19, q = 8, t = 1
r = 8, q = 2, t = −8
r = 3, q = 2, t = 17
r = 2, q = 1, t = −42
r = 1, q = 2, t = 59

私钥指数

d = 59
校核: 19·59 = 1121 = 7·160 + 1

答案

d = 59

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