Discrete Mathematics and Logic

Here you can find some learning material from Discrete Mathematics and Logic.
Mochi Cards
The Best way to learn for an Exam is through repetition. For that I have made some Flashcards for Mochi:
- DML-Flashcards
- Mochi Website: https://mochi.cards/
Inoffizielle Probeprüfung
Kahoots
Übung-1, Induktion, Modulo: https://create.kahoot.it/share/dml-u1/ccb2b6f7-7774-4f57-afd8-cea424f65b39
Übung-2, Logik: https://create.kahoot.it/share/dml-u2/9eb737d6-c0c2-4089-a1d5-5d974bd38050
Übung-3, Quantoren: https://create.kahoot.it/share/dml-u3/1f3ae5d3-d639-4be9-9521-9705090d2c23
Übung-4, Beweise: https://create.kahoot.it/share/dml-u4/4a4af20e-1c22-4540-a005-e0697b7b0035
Übung-5, Mengen: https://create.kahoot.it/share/dml-u5/350ddb62-9468-4e41-8a23-2f6cdda28197
Übung-6, Aquivalenzrelationen: https://create.kahoot.it/share/dml-u6/7874c502-f42f-4fde-b44e-27b077183ca1
Übung-7, Ordnungsrelationen: https://create.kahoot.it/share/dml-u7/d02b173d-5e5c-41ff-b660-25db1f04b67d
Übung-8, Funktionen, Relationen: https://create.kahoot.it/share/dml-u8/cceb269d-4719-47cd-aea1-068e69c3116c
Übung-9, Recap, Kombinatorik: https://create.kahoot.it/share/pk1-u9/712e31f5-d5f1-43a1-b41a-ec673ebac767
Übung-10, Kombinatorik, Abzählen: https://create.kahoot.it/share/dml-u10/dc5266ba-b978-466f-a8c7-fcb21d53477e
Übung-11, Inklusions-Exklusions-Prinzip, Schubfachschluss: https://create.kahoot.it/share/dml-u11/1c85daeb-936d-470b-b725-75217280f8f8
Übung-12, GraphenTheorie: https://create.kahoot.it/share/dml-u12/7b800937-cee2-47ec-b694-a373b8a192b2
Induktion
Aufgabe: Gaußsche Summenformel - Induktionsbeweis
Die Gaußsche Summenformel lautet: \[ \sum_{k=1}^{n} k = \frac{n(n+1)}{2} \]
Beweisen Sie die Gaußsche Summenformel für alle \(n ∈ ℕ\).
Wir beweisen die Gaußsche Summenformel durch vollständige Induktion.
IA: \(n = 0\)
\[ \sum_{k=1}^{0} k = 0 = \frac{0(0+1)}{2} \]
IS: \(n > 0\), (\(n-1 → n\))
Angenommen, die Formel gilt für \(n-1\), also \[ \sum_{k=1}^{n-1} k = \frac{(n-1)n}{2} \tag{IV} \]
Dann gilt:
\[ \begin{aligned} \sum_{k=1}^{n} k &= \sum_{k=1}^{n-1} k + n\\ &\stackrel{(IV)}{=} \frac{(n-1)n}{2} + n\\ &= \frac{n(n-1+2)}{2}\\ &= \frac{n(n+1)}{2}\\ \end{aligned} \]
Aufgabe: Fibonacci Folge - Induktionsbeweis
Die Fibonacci Folge ist definiert durch: \[ F_0 = 0, \quad F_1 = 1, \quad F_n = F_{n-1} + F_{n-2} \text{ für } n \geq 2 \]
Beweisen Sie die folgende Aussage für alle \(n \geq 0\) durch vollständige Induktion: \[ F_n \leq 2^{n-1} \]
Wir beweisen die Aussage durch vollständige Induktion.
IA: \(n = 0, 1\)
\[ F_0 = 0 \leq 2^{-1} = \frac{1}{2} \]
\[ F_1 = 1 \leq 2^{0} = 1 \]
IS: \(n > 1\), (\(n-2 ∧ n-1 → n\))
Angenommen, die Aussage gilt für \(n-2\) und \(n-1\), also \[ F_{n-2} \leq 2^{n-3}, \qquad F_{n-1} \leq 2^{n-2} \tag{IV} \]
Dann gilt: \[ \begin{aligned} F_n &= F_{n-1} + F_{n-2}\\ &\stackrel{(IV)}{≤} 2^{n-2} + 2^{n-3}\\ &= 2^{n-3}(2 + 1)\\ &= 2^{n-3} \cdot 3\\ &\leq 2^{n-1} \end{aligned} \]
Aufgabe: Teilbarkeit - Induktionsbeweis
Zeige, dass \(n^3 + 5n\) durch 6 teilbar ist für alle \(n \in \mathbb{N}\)
Wir nutzen die Äquivalenz relation \(≡_{\text{mod } 6}\)(modulo 6) über \(ℕ\).
dh: \(n^3 + 5n \equiv_{\text{mod } 6} 0 \qquad \forall n \in \mathbb{N}\)
Wir zeigen dies durch vollständige Induktion.
Induktionsanfang (IA): \(n = 0\)
Für n = 0 gilt: \[0^3 + 5 \cdot 0 = 0 \equiv_{\text{mod }6} 0\]
Induktionsschritt (IS): \(n > 0\), \((n-1 \; → \; n)\)
Angenommen, die Aussage gilt bereits für n-1, also: \[(n-1)^3 + 5(n-1) \equiv_{\text{mod }6} 0 \tag{IV}\] Wir zeigen, dass die Aussage dann auch für n gilt: \[ \begin{aligned} n^3 + 5n &= (n-1+1)^3 + 5(n-1+1)\\ &= (n-1)^3 + 3(n-1)^2 + 3(n-1) + 1 + 5(n-1) + 5\\ &= (n-1)^3 + 5(n-1) + 3(n-1)^2 + 3(n-1) + 6\\ &\stackrel{IV}{\equiv_{\text{mod } 6}} 3(n-1)^2 + 3(n-1) + 6\\ &\equiv_{\text{mod } 6} 3(n-1)^2 + 3(n-1)\\ &\equiv_{\text{mod } 6} 3(n-1)((n-1)+1)\\ &\equiv_{\text{mod } 6} 3(n-1)n\\ &\stackrel{n(n-1)\equiv_{2} 0}{\equiv_{\text{mod } 6}} 0 \quad \end{aligned} \]
Aussagenlogik
Betrachten Sie die Funktion f(x) definiert als:
function f(x::Number) ::Number
if x > 0
return x
else
return 5
end
endDies kann durch die folgende logische Formel dargestellt werden: \[ (\underbrace{A}_{x > 0} → \underbrace{R_x}_{\text{return }x}) ∧ (\underbrace{¬A}_{x ≤ 0} → \underbrace{R_5}_{\text{return }5}) \]
Dies kann in eine disjunktive Normalform überführt werden:
\[ A ∧ R_x ∨ ¬A ∧ R_5 \]
- Überprüfen Sie, ob die disjunktive Normalform äquivalent zur ursprünglichen logischen Formel ist, mittels einer Wahrheitstabelle.
um Platz zu sparen, definieren wir:
- \(H_1 := A ∧ R_x\)
- \(H_2 := ¬A ∧ R_5\)
- \(L_1 := A → R_x\)
- \(L_2 := ¬A → R_5\)
| \(A\) | \(R_x\) | \(R_5\) | \(H_1\) | \(H_2\) | \(H_1 ∨ H_2\) | \(L_1\) | \(L_2\) | \(L_1 ∧ L_2\) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
We can see that \(H_1 ∨ H_2\) and \(L_1 ∧ L_2\) have the same truth values for all possible combinations of \(A\), \(R_x\), and \(R_5\), hence the disjunctive normal form is equivalent to the original logical formula.
- Überprüfen Sie, ob die disjunktive Normalform äquivalent zur ursprünglichen logischen Formel ist, mittels logischer Äquivalenzen.
\[ \begin{aligned} A ∧ R_x ∨ ¬A ∧ R_5 &\equiv \underbrace{(A ∨ ¬A)}_{\equiv w} ∧ (A ∨ R_5) ∧ (¬A ∨ R_x) ∧ (R_x ∨ R_5) &(2×\text{Distributivgesetz})\\ &\equiv (A ∨ R_5) ∧ (¬A ∨ R_x) ∧ \big((R_x ∨ R_5) ∨ \underbrace{(A ∧ ¬A)}_{\equiv f}\big) &(2×\text{tertium non datur, } 2×\text{Dominanzgesetze})\\ &\equiv (A ∨ R_5) ∧ (¬A ∨ R_x) ∧ (A ∨ R_5 ∨ R_x) ∧ (¬A ∨ R_x ∨ R_5) &(\text{Distributivgesetz})\\ &\equiv \underbrace{(A ∨ R_5) ∧ \big((A ∨ R_5) ∨ R_x\big)}_{\equiv\, A ∨ R_5} ∧ \underbrace{(¬A ∨ R_x) ∧ \big((¬A ∨ R_x) ∨ R_5\big)}_{\equiv\, ¬A ∨ R_x} &(\text{Kommutativität})\\ &\equiv (A ∨ R_5) ∧ (¬A ∨ R_x) &(\text{Absorption})\\ &\equiv (¬A → R_5) ∧ (A → R_x) &(\text{Implikationsumformung})\\ &\equiv (A → R_x) ∧ (¬A → R_5) &(\text{Kommutativität}) \end{aligned} \]