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

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

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

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

(r ∧ q) → pr¬p
  1. 1p
  2. 2¬q
  3. 3q ∧ ¬p
  4. 4q
3.集合、关系与函数中等
UFGS

在一个有 57 名学生的小组中,28 人会说法语 (F),15 人会说德语 (G),28 人会说西班牙语 (S)。7 人会说法语和德语,16 人会说法语和西班牙语,4 人会说德语和西班牙语,2 人三种都会说。 有多少属于三个集合中的任何一个都不属于?

|U| = 57
|(F ∪ G ∪ S)′| =
4.集合、关系与函数困难

含 4 个元素的集合上共有多少个对称关系? 把这个数记作 N。

|X| = 4
N =
5.图论中等

一个连通图有 13 个顶点和 18 条边。必须去掉多少条边 k 才能剩下一棵生成树?

|V| = 13|E| = 18
k =
6.图论困难
1548473131ABCDEF

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 5 模 43 的逆元:满足 0 < x < 43 且 5·x ≡ 1 (mod 43) 的数 x。

a = 5n = 43
5−1 mod 43 =
8.数论与模运算困难
mc = me​ mod n39m = cd​ mod n?(n, e) = (1081, 5)d

某个 RSA 密钥使用 p = 23,q = 47,e = 5。解密密文 c = 39:求消息 m。

p = 23q = 47e = 5c = 39
m =

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

数出值为 1 的行数

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

答案

N = 6
2.命题逻辑与证明

答案: ¬q

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

结论

¬q (带合取的否定后件式)

答案

¬q
3.集合、关系与函数

答案: |(F ∪ G ∪ S)′| = 11

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

F ∩ G ∩ S: 2
F ∩ G 仅: 7 − 2 = 5
F ∩ S 仅: 16 − 2 = 14
G ∩ S 仅: 4 − 2 = 2

单个集合

F 仅: 28 − 5 − 14 − 2 = 7
G 仅: 15 − 5 − 2 − 2 = 6
S 仅: 28 − 14 − 2 − 2 = 10

答案

|F ∪ G ∪ S| = 46
|(F ∪ G ∪ S)′| = 57 − 46 = 11

答案

|(F ∪ G ∪ S)′| = 11
4.集合、关系与函数

答案: N = 1024

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 = 24 + 6 = 1024

答案

N = 1024
5.图论

答案: k = 6

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 = 18 − 12 = 6

答案

k = 6
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: 15, C: 4
2. C (4): B: 12, E: 8
3. E (8): D: 15, F: 21, B: 9
4. B (9)
5. D (15): F: 18
6. F (18)

轮 3

E

答案

E
7.数论与模运算

答案: 5−1 mod 43 = 26

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·5 (mod 43)。

r = 43, t = 0
r = 5, q = 8, t = 1
r = 3, q = 1, t = −8
r = 2, q = 1, t = 9
r = 1, q = 2, t = −17

逆矩阵

1 ≡ −17·5 (mod 43)
x = 26
校核: 5·26 = 130 = 3·43 + 1

答案

5−1 mod 43 = 26
8.数论与模运算

答案: m = 514

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。

私钥指数

n = 1081, φ(n) = 1012
d = 5−1 mod 1012 = 405

用反复平方法解密

405 = 256 + 128 + 16 + 4 + 1
391 ≡ 39 (mod 1081)
392 ≡ 440 (mod 1081)
394 ≡ 101 (mod 1081)
398 ≡ 472 (mod 1081)
3916 ≡ 98 (mod 1081)
3932 ≡ 956 (mod 1081)
3964 ≡ 491 (mod 1081)
39128 ≡ 18 (mod 1081)
39256 ≡ 324 (mod 1081)
39405 ≡ 39·101·98·18·324 ≡ 514 (mod 1081)

消息

m = 514
校核: 5145 mod 1081 = 39

答案

m = 514

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