Дискретная математика Введение Discretus лат — прерывистый прерывный В

“Дискретная математика”

Введение Discretus (лат)- “прерывистый”(“прерывный”) В отличии от непрерывный - понятия, которые встречаются в различных разделах математики (например, “Непрерывная функция”) В Дискретную математику включают разделы: “Множества”, ”Математическая логика”, ”Теория графов”. Результаты, полученные в различных разделах дискретной математики, являются основопологающими для других математических дисциплин.

1. Множества Множество - совокупность объектов любой природы, обладающих некоторым общим свойством Множества обозначают A, B, C, . . . X, Y, Z. Объекты, объединенные одним общим свойством, называют элементами множества и обозначают a, b, c, . . . x, y, z. Запись a A означает, что элемент "a" принадлежит множеству А Множество, число элементов которого конечно, называют конечным и бесконечным в противном случае. Конечные множества разделяются на счетные и несчетные. Если элементы бесконечного множества можно пронумеровать с помощью натурального ряда чисел, то оно называется счетным и несчетным в противном случае. Так множество четных чисел - счетное, множество действительных чисел - несчетное.

Конечные и счетные множества называются дискретными множествами. Дискретная математика - математика дискретных множеств. Если каждый элемент множества А есть вместе с тем элемент множества В, то множество А называется частью, или подмножеством множества В и обозначается А В. Если А В и В А, то множества А и В называются равносильными и обозначаются А=В. Множество, не содержащее ни одного элемента, называется пустым и обозначается V, . Любое множество есть подмножество самого себя. Такое подмножество так же, как и пустое, называют несобственными подмножествами в отличии от всех других подмножеств, которые называют собственными.

Пример. Пусть А={а 1, а 2, а 3}. Подмножества {а 1, а 2, а 3} и V - несобственные подмножества А. Собственные: {а 1}, {а 2}, {а 3}, {а 1, а 2}, {а 1, а 3}, {а 2, а 3}. Число подмножеств любого конечного множества, содержащего “n” элементов, равно 2 n. Множество всех элементов, которые могут встретиться в данном исследовании, называют универсальным и обозначают “U”. На множествах определены следующие операции. Объединением, или суммой множеств А и В называется множество С, элементы которого принадлежат хотя бы одному из множеств А или В. С=А В={ci : ci A или ci B} Пересечением множеств А и В называется множество С, элементы которого принадлежат как множеству А, так и множеству В. С=А В={ci : ci A и ci B} Дополнением множества А есть множество, элементы которого принадлежат универсальному множеству U и не принадлежат А. С= ={ci : ci U и ci А}

Данные три основные операции обладают следующими свойствами:

Названные операции и свойства к ним могут быть проиллюстрированы диаграммами Эйлера-Венна: Абстрактная алгебраическая система подмножеств некоторого универсального множества с введенными для них операциями объединения, пересечения, дополнения, обладающая перечисленными выше свойствами, образует Булеву алгебру.

К операциям над множествами относятся также: Разность множеств А В - множество, состоящее из элементов множества А и не принадлежащих множеству В. С=А В={ci : ci A и ci B} Очевидно, что справедлива формула Симметрическая разность Эти операции можно проиллюстрировать на диаграммах Эйлера-Венна (рис. 1. 1. 2).

Отношения на множествах

Бинарные отношения

Функциональные бинарные отношения. Отображения множеств.

Типы отображений и связанные с ними функции:

2. Математическая логика представляет собой формальный математический аппарат, изучающий различные способы логических рассуждений.

2. 1 Алгебра Высказываний Простейшую из формальных логических теорий называют алгеброй высказываний. Из высказываний состоит любое логическое рассуждение. Высказывание - предложение, относительно которого можно утверждать, истинно оно или ложно. Так, предложение "5>1", "13 делится на 5" - высказывания. Но "Который час? ", "Да здравствует математика!" - не являются высказываниями в связи с данным определением. Если высказывание истинно (ложно) в любой логической ситуации, то оно называется тождественно истинным (ложным), или логической константой, обозначаемой соответственно И(Л). Высказывания, истинные в одних логических ситуациях и ложные в других, называются переменными высказываниями. Все приведенные выше высказывания представляют собой так называемые элементарные высказывания.

Логические Высказывания Обозначим элементарные высказывания латинскими буквами A, B, C, . . . , X, Y, Z. . . Конъюнкция. Обозначается А В (А&В, АВ), читается: А и В. Получили сложное высказывание, составленное из двух элементарных. Значение истинности или ложности высказывания, являющегося конъюнкцией двух элементарных высказываний А и В, задается следующей истинностной таблицей: A B А В И И Л Л Л И Л Л Таблица 2. 1. 1

Все рассматриваемые в дальнейшем логические связи будут задавать с помощью аналогичных истинностных таблиц. Чаще пользуются более удобным обозначением: "И" - 1, "Л" - 0. В этих обозначениях истинностная таблица конъюнкции будет иметь вид A 1 0 0 0 Таблица 2. 1. 2 0 0 1 1 А В 1 B 0 Итак, конъюнкция двух элементарных множеств истинна тогда и только тогда, когда оба элементарных высказывания истинны.

Дизъюнкция. Обозначается А В, читается: А или В. При этом разделительный смысл союза "или" исключается. Истинностная таблица дизъюнкции имеет вид: А B А В 1 1 0 0 0 Таблица 2. 1. 3 Дизъюнкция двух элементарных высказываний является ложным высказыванием тогда и только тогда, когда оба высказывания, ее составляющие, ложны. Отрицание. Единственная логическая операция, относящаяся к одному высказыванию, - унарная, в отличии от остальных - бинарных. Обозначается : (>А, ~А), читается: не А. Истинностная таблица имеет вид: Таблица 2. 1. 4

Импликация. Обозначается А В (А В), читается: если А, то В. При этом А называют посылкой, В - следствием. Импликация задается следующей истинностной таблицей: Таблица 2. 1. 5 Импликация ложна тогда и только тогда, когда посылка А истинна, а следствие В - ложь. Двойная импликация. Обозначается А В (А В), читается: А тогда и только тогда, когда В. Задается следующей истинностной таблицей: Таблица 2. 1. 6 Двойная импликация является истинностным высказыванием тогда и только тогда, когда высказывания А и В, ее составляющие, принимают одинаковое значение истинности или ложности.

Приведем пример Пусть А и В - элементарные высказывания: А - "Этот четырехугольник - параллелограмм", В - "Этот четырехугольник - ромб". Образуем из этих двух элементарных высказываний сложные, используя перечисленные логические связки. Сложное высказывание А В, очевидно, читается так: "Этот четырехугольник есть параллелограмм и ромб". Значения истинности и ложности этого высказывания определяется таблицей 2. 1. 1. Это высказывание считают истинным в том и только в том случае, когда оба высказывания А и В - истинны. Дизъюнкция указанных высказываний А В читается: "Этот четырехугольник есть параллелограмм или ромб". Значение истинности и ложности этого высказывания определяется таблицей 2. 1. 2. Очевидно, для импликации и двойной импликации получим соответственно А В: "Если этот четырехугольник есть параллелограмм, то он - ромб"; А В "Этот четырехугольник есть параллелограмм тогда и только тогда, когда он - ромб". Значение истинности или ложности этих высказываний определяется таблицами 2. 1. 4 и 2. 1. 5. Отрицание к А, т. е. , есть высказывание: "Неверно, что этот четырехугольник есть параллелограмм" или "Этот четырехугольник не параллелограмм". Пользуясь указанными логическими связками, их истинностными таблицами, можно построить сколь угодно сложное высказывание и найти его истинностную таблицу.

3. Теория Графов 3. 1 Графы Бинарное отношение на конечном множестве X есть ориентированный конечный граф (орграф) R X 2. Таким образом, всякий орграф определяется множествами: X={x 1, x 2, …, xn} – множеством вершин графа и множеством упорядоченных пар (кортежей) R={|xi. Rxj} – множеством дуг графа. Общепринято обозначать орграфы в виде G(X, U), где X – множество вершин орграфа; U – множество дуг орграфа, или в виде G(X, ГX), где ГX = {Гx 1, Гx 2, …, Гxn} – множество образов элементов множества X, т. е. отображение X в X, понимая термин отображения как точечно-множественное отображение.

Наряду с орграфами в приложениях рассматриваются неориентированные графы. Неориентированный граф является частным случаем орграфа, в котором для каждой дуги существует ей параллельная и противоположно направленная дуга , т. е. бинарное отношение R обладает свойством симметрии. Если, кроме того, бинарное отношение R обладает свойством рефлексивности, то соответствующий ему ориентированный граф есть орграф-толерантность, содержащий дуги типа петля для всех вершин графа. При геометрической реализации неориентированного графа вместо двух дуг и , соединяющих вершины xi и xj, употребляется одно ребро (xi, xj), не имеющее ориентации. На рис. 3. 1. 1 приведены геометрические реализации орграфов (слева) и их неориентированных аналогов – неориентированных графов (справа).