реферат Конспект по дискретной математики

Дискретная математика

                                  Введение

Общество 21в. – общество  информационное.  Центр  тяжести  в  решении  задач
переместился от задач вычислительной  математики  к  задачам  на  дискретных
структурах. Математика нужна не как метод  расчета,  а  как  метод  мышлению
средство формирования и организации…
Такое владение  математикой  богатой  культуры,  понимание  важности  точных
формулировок.
В дисциплине мало  методов,  но  много  определений  и  терминов.  В  основе
дискретной математике 4 раздела:
1. Язык дискретной математики;
2. Логические функции и автоматы;
3. Теория алгоритмов;
4. Графы и дискретные экстремальные задачи.

Теория алгоритмов и формальных систем является центральной в  дисциплине.  В
настоящие  время  от  нее   возникли   ответвления,   например,   разработка
алгоритмических языков программирования.

Одной  из  важнейших  проблем  в  дискретной  математики  является  проблема
сложности вычислений.

Теория сложности вычислений помогает оценить расход  времени  и  памяти  при
решении  задач  на  ЭВМ.  Теория  сложности  позволяет  выделить  объективно
сложные задачи (задачи перебора) и неразрешимые задачи.

Мы  будем  заниматься  решением  задач   реальной   размерности   с   учетом
ограниченности временных и емкостных ресурсов ЭВМ.


                        Множества и операции над ними

Одно из основных понятий математики – множество.

Определение:
Множеством  называется   совокупность,   набор   предметов,   объектов   или
элементов.

Множество обозначают: M,N …..
m1, m2, mn – элементы множества.

                                  Символика
A ( M – принадлежность элемента к множеству;
А ( М – непринадлежность элемента к множеству.

Примеры числовых множеств:
      1,2,3,… множество натуральных чисел N;
      …,-2,-1,0,1,2,… - множество целых чисел Z.
          [pic] множество рациональных чисел а.
      I – множество иррациональных чисел.
      R – множество действительных чисел.
      K – множество комплексных чисел.

Множество А называется подмножеством  В,  если  всякий  элемент  А  является
элементом В.
А ( В – А подмножество В (нестрогое включение)

Множества А и В равны, если их элементы совпадают.

A = B

Если А ( В и А ( В то А ( В (строгое включение).

Множества бывают конечные и бесконечные.

|М| - мощность множества (число его элементов).

Конечное множество имеет конечное количество элементов.

Пустое множество не содержит элементов: M = (.

Пример: пустое множество:

1) множество действительных корней уравнения x2+1=0 пустое: M = (.
2) множество (, сумма углов которого ( 1800 пустое: M = (.

Если дано множество Е и множество и мы рассматриваем все  его  подмножества,
то множество Е называется униварсельным.

Пример: Если за Е взять множество книг то его  подмножества:  художественные
книги, книги по математике, физики, физики …

Если универсальное множество  состоит из n элементов, то  число  подмножеств
= 2n.

Если [pic],  состоящее  из  элементов  E,  не  принадлежащих  А,  называется
дополненным.

Множество можно задать:
     1) Списком элементов {a,b,c,d,e};
     2) Интервалом 1<x<5;
     3) Порождающей процедурой: xk=(k  sinx=0;


                          Операции над множествами


1)  Объединение  множеств  А  и  В  (союз  или).  Множество,  состоящие   из
   элементов, которые принадлежат  хотя  бы  одному  из  множеств  А  или  В
   называется объединенным.



   А ( В


   Отношение множеств наглядно иллюстрируется с помощью диаграмм Венна.

   Диаграмма  Венна  –  это  замкнутая  линия,  внутри  которой  расположены
   элементы множества.

                                             Объединение двух множеств
   Объединение системы множеств можно записать
   [pic]   - объединение системы n множеств.

   Пример:   объединение    множеств,   когда   они
   заданы списком.

   A = {a,b,d}  B = {b,d,e,h} AUB = {a,b,c,d,e,h}



2)  Пересечением  множеств  А  и  В   называется  множество,  состоящие   из
элементов принадлежащих   одновременно множествам А и В.


A (B



                       Пересечение прямой и плоскости

1) если прямые  ||  пл., то множество пересечений – единственная точка;
2) если прямые II пл., то M ((;
3) если прямые совпадают, то множество пересечений = множество прямой.

Пересечение системы множеств: [pic]
4) Разностью 2-х множеств А и В  называется  множество,  состоящее  из  всех
   элементов А, не входящих в В.

С = А \ В



                                          A \ B
         А \ В



A = {a,b,d}; B = {b,c,d,h} C = A \ B={a}.

В отличии от предыдущих операций разность: 1) строго двухместна;
                                          2) не  коммутативна,  т.е.  A\B  (
   B\A.

4) дополнение [pic]
   E – универсальное множество.
   [pic]-- дополнение

Операции объединения, пересечения и дополнения называются Булевыми.

                  Основные законы операций над множествами.

Некоторые свойства (, ( похожи на  алгебраические  операции,  однако  многие
свойства операций над множествами все же отличаются.


                              Основные свойства


1) AUB=BUA; A(B=B(A – переместительный закон объединения и пересечения.
2) (АUB)UC = AU(BUC); (A(B)(C=A((B(C) – сочетательный закон.
3) АU(=A, A((=(, A \ (=A, A \ A=(
   1,2,3 – есть аналог в алгебре.
   3.а)   ( \ A = ( - нет аналога.
4) [pic](; E \ A =[pic]; A \ E=(; AUA=A; A(A=A; AUE=E; A(E=A;
   5.а) свойства 1-4 очевидны и не нуждаются в доказательствах.
5) A((BUC)=(A(B)(A(C) – есть аналогичный распределительный закон (
   относительно U.


                        Прямые произведения и функции


Прямым декартовым “х” множеством А и В называется множество всех пар  (a;b),
таких, что а(А, b(B.

С=AхВ, если А=В то С=А2.

Прямыми «х» n множеств  A1x,…,xAn  называется  множество  векторов  (a1,…an)
таких, что a1(A1,…, An(An.

Через теорию множеств введем понятие функции.

Подмножество F(Mx x My называется функцией, если для каждого  элемента  х(Mx
найдется y(Му не более одного.
(x;y)(F,    y=F(x).

Соответствие  между  аргументом  и  функцией  можно  изобразить  с   помощью
диаграммы Венна:



   Определение: Между множествами MX и MY установлено взаимноодназночное
соответствие, если каждому х(MX  соответствует 1 элемент y(MY и обратное
справедливо.
Пример:   1)  (х,у) в круге

       2) x = sinx
           R( R                                                [pic]

Пусть даны две функции  f: A(B и g: B(C, то функция y:A(C называется
композицией функций  f и g.

Y=f o g        o – композиция.

Способы задания функций:

1) таблицы, определены для конечных множеств;
2) формула;
3) графики;

Способы 1-3 частные случаи выч. процедуры.

Пример процедуры, не относящейся к 3 способам задания функций n!

Взаимнооднозначное соответствие и мощности множеств.

Определение: Множества равномощны |A|=|B| если между ними
взаимнооднозначное соответствие.

Теорема: Если для конечного множества А мощность равна |A| то количество
всех подмножеств 2|A|=2n.
Множества равномощные N называются счетными, т.е. в них можно выполнить
нумерацию элементов. N – множество натуральных чисел.

Множество N2 – счетно.

                               Доказательство


Разобьем N2 на классы
К 1-ому классу отнесем N1 (1;   1)



Ко 2-му классу N2 {(1;2), (2;1)}
К i-му классу Ni    {(a;b)| (a+b=i+1}
Каждый класс будет содержать i пар.

Упорядоченный классы по возрастанию индекса i, а пары внутри класса
упорядоченные по направлению первого элемента а.

Занумеруем последовательность классов, что и доказывает счетность множества
N2.

Аналогично доказывается счетность множеств N3,…,Nk.

Теорема Кантора:
Множество всех действительных чисел на отрезке [0;1] не является счетным.


                               Доказательство

Допустим это множество счетно изобразим его числа десятичными дробями.

1-я   0, a11, a12 ….
2-я   0, а21, a22 ….
………………….

Возьмем произвольное число 0,b1,b2,b3
b1 ( a11, b2 ( a22, …
Эта дробь не может выйти в  последовательность          т.к.  отличается  от
всех чисел, значит нельзя пронумеровать числа на отрезке [0;1].
Множество нечетно и называется континуальным, а его мощность континуум.

Метод, используемый  при  доказательстве,  называется  диагональным  методом
Кантора.


                                  Отношение

Пусть дано R(Mn – n местное отношение на множество М.

Будем изучать двухместные или бинарные отношения. Если а  и  b  находятся  в
отношении R, то записывается а R b.

Проведем отношение на множество N:
А) отношение ( выполняется для пар (7,9)  (7,7_
Б) (9,7) не выполняется.

Пример отношения на множество R

А)  отношение  находится  на  одинаковом  расстоянии  от  начала   координат
выполняется для пар    (3; 4) и  (2; (21)
Б) (3; 4) и (1; 6) не выполняется.

Для задания бинарных отношений  можно  использовать  любые  способы  задания
множеств.
Для конечных множеств используют матричный способ задания множеств.

Матрица  бинарного  отношения  на  множество  M={1;2;3;4},   тогда   матрица
отношения С равна

|       |  |1 |2 |3 |4 |
|       |  |  |  |  |  |
|С=     |  |  |  |  |  |
|       |1 |1 |1 |1 |1 |
|       |2 |0 |1 |1 |1 |
|       |3 |0 |0 |1 |1 |
|       |4 |0 |0 |0 |1 |



Отношение          Е          заданные          единичной           матрицей
называется отношением равенства.



Отношением назовется обратным к отношением R, если ajRai тогда и только
тогда, когда ajRai обозначают R-1.


                             Свойства отношений

   1. Если aRa ==> очн. рефлексивное и матрица содержит на главной диагонали
      единицу
      если ни для какого а не … ==> отношение антирефлексивное
      главная диагональ содержит нули
      Пр. отношнний
                       ( рефлексивное
                       < антирефлексивное
   2.   Если из aRb следует bRa, ==> отношение  R  симметричное.  В  матрице
   отношения элементы
         сумм Cij=Cji. Если из aRb и bRa  следует  a=b  ==>  отношение  R  –
   антисимметричное.
         Пр. Если а ( b и b ( a ==> a=b
   3. Если дано ( a,b,c из aRb и aRc следует aRC  ==>  отношение  называемое
      транзитивным.
   4. Отношение называется отношением эквивалентности, если оно рефлексивно,
      симметрично и транзитивно.
      Пр. отношение равенства E

   5.    Отношение  называется  отношением  нестрогого  порядка,  если   оно
   рефлексивно,
         антисимметрично  и  транзитивно.  Отношение  называется  отношением
   строгого порядка,
         если оно антирефлексивно, антисимметрично и транзитивно.
         Пр.      а) отношение ( u ( для чисел отношение нестрогого
            б) отношение < u > для чисел отношение строгого

           Лекция: Элементы общей алгебры
           Р. Операции на множествах

Множество М вместе с заданной на нем совокупностью операций ( = {(1,…,  (m},
т.е. система     А = {М1;(1,…, (m} называется алгеброй. ( - сигнатура.

Если M1(M и если  значения  ((  M1),  т.е.  замкнуто  ==>  A1={М1;(1,…,  (m}
подалгебра A.
Пр. 1. Алгебра (R;+;*) – называется полем действительных чисел обе  операции
бинарные и
      поэтому тип этой алгебры (2;2)
   2. B=(Б;(;() – булева алгебра. тип операций (2;2;1)
Р. Свойства бинарных алгебраических операций
     запись a(b.
1.  (a(b)(c=a((b(c) – ассоциативная операция
     Пр. +,x – сложение и умножения чисел ассоциативно
2.  a(b = b(a – коммутативная операция
     Пр. +,x – коммутат.
            –; : – некоммут.
      умножение мат A(B ( B(A – некоммутативно.
3.   a((b(c) = (a(b) ((a(c) –дистрибутивность слева
      (a(b)(c) = (a(с) ((b(c) –дистрибутивность справа.
      Пр.  (ab)e=aebe  –  возведение  в  степень  дистрибутивного  отношения
произведения справа
      но не abc ( abac


                         Р. Гомоморфизм и изоморфизм



Алгебры с разными членами имеют различные строения.  Алгебры  с  одинаковыми
членами имеют сходство. Пусть даны две алгебры  A=(K;  (I)  и  B=(M;  (I)  –
одинакового типа.
Пусть отображение Г:K(M при условии Г((I)=  (I(Г),  (1)  т.е.  результат  не
зависит от последовательности возможных операций: Или сначала вып.  операции
(I b А и затем  отображении  Г,  или  сначала  отображение  Г,  или  сначала
отображение Г и затем отображение (I в В.
Тогда условие (1) называется Гомоморфизмом алгебры А в алгебру В.
Когда существует  взаимооднозначный гомоморфизм его  называют  изоморфизмом.
В этом случае существует обратное отображение Г-1.
Мощности изоморфных алгебр равны.
      Пр. Алгебры (QN; +) и (Q2; +) – отображение типа и условие (1)
   запишется как 2(а+b)=2а+2b.
Отношение изоморфизма является отношением эквивалентности на множестве
алгебр, т.е вычисление рефлексивное, симметричности и транзитивности.
Изоморфизм важнейшее понятие в математике. Полученные соотношения в алгебре
А автоматически  …. на изоморфные алгебры.



-----------------------
А


В


A


C


B

A

B

Объединение трех множеств:

AUB         AUB



А



В


А

В


С


В

А

А

В


A


B

                                    A \ B


а) взаимнооднозначное соответствеие (отображение)

а) не взаимнооднозначное соответствеие (отображение)

Мх

My

x=2 ( y=2

y=2 ( x=2..4



не взаимнооднозначное соответствие.

2

     2        3         4

y

X

-(/2

(/2

1-ый элемент          1-го множества

1-ый элемент
2-го множества

}

1

1



С=


101
010
001