Diskreetti matematiikka, syksy 2010 Harjoitus 7, ratkaisuista

Samankaltaiset tiedostot
Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 1,

X R Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 5, ratkaisuista

1 Joukkojen mahtavuuksista

811120P Diskreetit rakenteet

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 2, Osoita että A on hyvin määritelty. Tee tämä osoittamalla

Relaatioista. 1. Relaatiot. Alustava määritelmä: Relaatio on kahden (tai useamman, saman tai eri) joukon alkioiden välinen ominaisuus tai suhde.

Diskreetin matematiikan perusteet Malliratkaisut 2 / vko 38

Johdatus yliopistomatematiikkaan. JYM, Syksy2015 1/195

Miten perustella, että joukossa A = {a, b, c} on yhtä monta alkiota kuin joukossa B = {d, e, f }?

Vastaus 1. Lasketaan joukkojen alkiot, ja todetaan, että niitä on 3 molemmissa.

a k+1 = 2a k + 1 = 2(2 k 1) + 1 = 2 k+1 1. xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx

Valitsemalla sopivat alkiot joudutaan tämän määritelmän kanssa vaikeuksiin, jotka voidaan välttää rakentamalla joukko oppi aksiomaattisesti.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Kuvauksista ja relaatioista. Jonna Makkonen Ilari Vallivaara

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

missä on myös käytetty monisteen kaavaa 12. Pistä perustelut kohdilleen!

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9

Huom. muista ilmoittautua kokeeseen ajoissa. Ilmoittautumisohjeet kurssin kotisivuilla.

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

3. Kongruenssit. 3.1 Jakojäännös ja kongruenssi

Vieruskaverisi on tämän päivän luennolla työtoverisi. Jos sinulla ei ole vieruskaveria, siirry jonkun viereen. Esittäytykää toisillenne.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

KOMBINATORIIKKA JOUKOT JA RELAATIOT

Karteesinen tulo. Olkoot A = {1, 2, 3, 5} ja B = {a, b, c}. Näiden karteesista tuloa A B voidaan havainnollistaa kuvalla 1 / 21

DISKREETTIÄ MATEMATIIKKAA.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Matematiikka tutuksi Harjoitus 2, malliratkaisut

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä, todistuksia ym., osa I

Algebra I Matematiikan ja tilastotieteen laitos Ratkaisuehdotuksia harjoituksiin 3 (9 sivua) OT

[a] ={b 2 A : a b}. Ekvivalenssiluokkien joukko

5.6 Yhdistetty kuvaus

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Onko kuvaukset injektioita? Ovatko ne surjektioita? Bijektioita?

Ekvivalenssirelaatio. Määritelmä 2 Joukon A binäärinen relaatio R on ekvivalenssirelaatio, mikäli. Jos R on ekvivalenssirelaatio ja a A, niin joukkoa

Luonnollisten lukujen ja kokonaislukujen määritteleminen

KOMBINATORIIKKA JOUKOT JA RELAATIOT

Matematiikan johdantokurssi, syksy 2016 Harjoitus 11, ratkaisuista

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet

j(j 1) = n(n2 1) 3 + (k + 1)k = (k + 1)(k2 k + 3k) 3 = (k + 1)(k2 + 2k + 1 1)

(2n 1) = n 2

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

Relaation ominaisuuksia. Ominaisuuksia koskevia lauseita Sulkeumat. Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

a) Mitkä seuraavista ovat samassa ekvivalenssiluokassa kuin (3, 8), eli kuuluvat joukkoon

Diskreetin Matematiikan Paja Tehtäviä viikolle 2. ( ) Jeremias Berg

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuehdotuksia viikolle 2. ( ) Jeremias Berg

811120P Diskreetit rakenteet

Matematiikan peruskurssi 2

6 Relaatiot. 6.1 Relaation määritelmä

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

MAT Algebra 1(s)

Ensimmäinen induktioperiaate

Ensimmäinen induktioperiaate

Esitetään tehtävälle kaksi hieman erilaista ratkaisua. Ratkaisutapa 1. Lähdetään sieventämään epäyhtälön vasenta puolta:

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto, osa I

Johdatus yliopistomatematiikkaan. JYM, Syksy /197

Diskreetti matematiikka Toinen välikoe Vastauksia. 1. Olkoot X = {a, b, c, d} ja Y = {1, 2, 3}, sekä R, S X Y relaatiot

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Funktioista. Esimerkki 1

Tenttiin valmentavia harjoituksia

TIEA241 Automaatit ja kieliopit, kevät 2011 (IV) Antti-Juhani Kaijanaho. 16. maaliskuuta 2011

Salausmenetelmät. Veikko Keränen, Jouko Teeriaho (RAMK, 2006)

8 Joukoista. 8.1 Määritelmiä

isomeerejä yhteensä yhdeksän kappaletta.

Johdatus matematiikkaan

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 1 / vko 8

4.3. Matemaattinen induktio

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet

Lukujoukot luonnollisista luvuista reaalilukuihin

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

U β T. (1) U β T. (2) {,X} T. (3)

Miten osoitetaan joukot samoiksi?

Algebra I, Harjoitus 6, , Ratkaisut

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Yhteenveto ja esimerkkejä ym., osa I

Tietojenkäsittelyteorian alkeet, osa 2

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 3 / vko 10

Äärellisten mallien teoria

Matematiikan tukikurssi

Diskreetin Matematiikan Paja Ratkaisuhahmotelmia viikko 1. ( ) Jeremias Berg

Kaikki kurssin laskuharjoitukset pidetään Exactumin salissa C123. Malliratkaisut tulevat nettiin kurssisivulle.

Matemaattisten työvälineiden täydentäviä muistiinpanoja

DISKREETTI MATEMATIIKKA

MAT Algebra I (s) periodilla IV 2012 Esko Turunen

HY / Avoin yliopisto Johdatus yliopistomatematiikkaan, kesä 2015 Harjoitus 5 Ratkaisuehdotuksia

811120P Diskreetit rakenteet

RAKKAUS MATEMAATTISENA RELAATIONA

Johdatus matemaattiseen päättelyyn (5 op)

2017 = = = = = = 26 1

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

TIETOTEKNIIKAN MATEMATIIKKA

Äärellisten mallien teoria

Johdatus matematiikkaan

Esko Turunen Luku 3. Ryhmät

Transkriptio:

Diskreetti matematiikka, syksy 2010 Harjoitus 7, ratkaisuista 1. Olkoot (E, ) ja (F, ) epätyhjiä järjestettyjä joukkoja. Määritellään joukossa E F relaatio L seuraavasti: [ (x, y)l(x, y ) ] [ (x < x ) ((x = x ) (y y )) ] Osoita, että L on osittainen järjestys joukossa E F. Kyseessä on nk. leksikografinen järjestys eli aakkosjärjestys. Jos järjestykset ja ovat täydellisiä, niin onko myös L täydellinen järjestys? Ratkaisut. R) (x, y)l(x, y), sillä x = x ja y y. A) Osoitetaan, että voi olla molemmat (x, y)l(x, y ) ja (x, y )L(x, y) vain kun (x, y) = (x, y ). Oletetaan, että (x, y)l(x, y ). Jos x < x, niin ei voi olla x < x eikä x = x, eikä siis myöskään (x, y )L(x, y). Tällaisia tapauksia ei ole. Jos taas x = x ja y y, niin mikäli myös (x, y )L(x, y), olisi y y. Relaation antisymmetrisyydestä seuraa silloin y = y. Kaikkiaan siis (x, y) = (x, y ). T) Olkoot (x, y)l(x, y ) ja (x, y )L(x, y ). Silloin on voimassa: x < x tai (x = x ja y y ) ja x < x tai (x = x ja y y ). Onko siis (x, y)l(x, y )? Koska (x, y)l(x, y ), on kaksi vaihtoehtoa: 1) Jos x < x, on relaation transitiivisuuden nojalla x < x. 2) Jos x = x ja y y, on taas kaksi vaihtoehtoa: a) Jos x < x, kuten edellä, x < x. b) Jos x = x ja y y, niin x = x = x ja y y y, ja siten y y. Siis (x, y)l(x, y ) ja relaatio on transitiivinen. Väite: Jos molemmat komponenttirelaatiot ovat täysiä, niin myös tulo on täysi: Olkoot (x, y) ja (x, y ) E F mielivaltaisia. Nyt on x = x, x < x tai x > x. Olkoon x = x. Koska on täysi, on y y tai y y, ja siten (x, y)l(x, y ) tai (x, y )L(x, y). Kahdessa jälkimmäisessä relaatiot ovat vastaavasti (x, y)l(x, y ) tai (x, y )L(x, y). 2. Osoita, että olla yhtä mahtava kuin on ekvivalenssirelaatio minkä tahansa perusjoukon potenssijoukossa. Onko relaatio olla korkeintaan yhtä mahtava kuin puolestaan osittainen järjestys? Jos ei, niin miten siitä saataisiin sellainen? Ratkaisut. Olkoon X perusjoukko. Väite tarkoittaa, että yhtämahtavuus on ekvivalenssi joukossa P(X). Ensinnäkin lähtötilanne on kelvollinen, P(X) P(X), joten todella on relaatio joukossa P(X). (E1) on refleksiivinen: A A, koska identtinen kuvaus Id : A A, Id(x) := x, on näiden välinen bijektio. 1

(E2) on symmetrinen: Jos A B, on olemassa bijektio A B. Sen käänteiskuvaus B A on bijektio ja siten B A. (E3) on transitiivinen: Olkoot A B ja B C. Silloin on olemassa bijektiot f : A B ja g : B C. Määrittelyistään johtuen nämä voidaan yhdistää funktioksi g f : A C, joka bijektioiden yhdistettynä funktiona on bijektio. Siis A C. Näin ollen on ekvivalenssirelaatio potenssijoukossa. Vastaavalla tavalla voidaan todistaa relaatiolle : olla korkeintaan yhtä mahtava kuin, refleksiivisyys ja transitiivisuus (injektioiden kompositio on injektio). Antisymmetrisyys ei kuitenkaan sellaisenaan ole voimassa, esimerkiksi joukossa Y := {1, 2, 3, 4} osajoukoille on {1, 2} {2, 4} ja {2, 4} {1, 2}, vaikka {1, 2} {2, 4}. Asia korjautuu (vaikka toki idea hiukan muuttuukin) ottamalla käyttöön yhtämahtavuusrelaation määräämät ekvivalenssiluokat, ts. niputtamalla yhdeksi alkioksi kaikki keskenään samankokoiset (yhtämahtavat) joukot. Esimerkiksi yllä osajoukon {1, 2} määräämä ekvivalenssiluokka on joukko, jonka alkioina ovat kaikki joukon Y = {1, 2, 3, 4} kaksialkioiset joukot. Joukon A määräämää ekvivalenssiluokkaa merkittiin A. Yllä siis ({1, 2}) = {{1, 2}, {1, 3}, {1, 4}, {2, 3}, {2, 4}, {3, 4}}. Merkitään joukon X osajoukkojen yhtämahtavuusrelaatiossa määräämien ekvivalenssiluokkien tekijäjoukkoa, nk. kardinaalilukuja, Varustetaan E relaatiolla ˆ : E := P(X) / = { (A) A P(X)}. H ˆ K H H, K K, joille H K. Väite. Pari (E, ˆ ) on osittain järjestetty joukko. Refleksiivisyys ja transitiivisuus siirtyvät koskemaan myös näitä ekvivalenssiluokkia. Antisymmetrisyyskin on nyt voimassa: Oletetaan, että H ˆ K ja K ˆ H ja osoitetaan, että H = K. Tämä taas edellyttää, että löydämme näistä keskenään yhtä mahtavat alkiot H H ja K K, siis sellaiset, joiden välillä on bijektio. 2

Oletuksesta seuraa, että on olemassa alkiot H 1, H 2 H ja K 1, K 2 K, joille H 1 K 1 ja K 2 H 2. Tämä tarkoittaa, että on olemassa injektiot f : H 1 K 1 ja g : K 2 H 2. Kunkin ekvivalenssiluokan alkioiden välillä on bijektiot, siis erityisesti bijektiot h : H 1 H 2 ja k : K 1 K 2. Yhdistetty funktio k f : H 1 K 2 on silloin injektio, samoin h 1 g : K 2 H 1. Välihuomautus. Samalla tuli sivutuotteena todistetuksi, että H ˆ K jos ja vain jokaiselta H H on injektio jokaiselle K K. Loppusilaus saadaan seuraavasta yleisestä ongelmasta: Onko totta, että jos A B ja A B, niin A B? Tähän vastaa Cantorin, Schröderin ja Bernsteinin lause. Lause (Cantor-Schröder-Bernstein). Jos A, B X ja on olemassa injektiot A B ja B A, niin on olemassa bijektio A B. Todistus. Olkoot f : A B ja g : B A injektioita. Määäritellään kaikilla n N: C 1 := A \ g(b) C n+1 := g ( f(c n ) ) Määritellään edelleen C := n=1c n ja funktio h : A B, { f(x), kun x C h(x) := g 1 (x), kun x A \ C. Selvästikin h todella on funktio, koska f on funktio ja g on injektio. Osoitetaan h bijektioksi. 1) h on injektio. Olkoot x 1, x 2 A, x 1 x 2. Erotetaan kolme tapausta. a) Jos x 1, x 2 C, funktion f injektiivisyyden nojalla myös h(x 1 ) = f(x 1 ) f(x 2 ) = h(x 2 ). b) Jos x 1, x 2 A\C, funktion g injektiivisyyden nojalla h(x 1 ) = g 1 (x 1 ) g 1 (x 2 ) = h(x 2 ). c) Jos lopuksi x 1 ja x 2 ovat eri joukoissa, olkoon esimerkiksi x 1 C ja x 2 A \ C. Tällöin x 1 C n jollakin n N, jolloin h(x 1 ) f(c n ). Jos nyt olisi myös h(x 2 ) f(c n ), niin g(h(x 2 )) = g(g 1 (x 2 )) = x 2 g(f(c n )) = C n+1, mikä on vastoin oletustamme x 2 A \ C. Siis nytkin h(x 1 ) h(x 2 ). 2) h on surjektio. Olkoon y B mielivaltainen. On osoitettava, että jollekin x A on h(x) = y (tai että alkukuvajoukko h 1 (y) ). Tapauksessa y f(c n ) jollakin n N löytyy triviaalisti alkukuva joukosta C n A. Oletetaan siis, että y / f(c n ) kaikilla n N, eli että y B \ n=1f(c n ). Näytetään, että g(y) A \ C, ja että h(g(y)) = y. Selvästi g(y) / C 1 joukon C 1 määrittelyn mukaan. Edelleen millään n N ei voi olla g(y) C n+1, koska C n+1 = g ( f(c n ) ) ja g oli injektio, seuraisi y f(c n ). Siis g(y) A \ C ja h(g(y)) = g 1 (g(y)) = y. Näin on konstruoitu bijektio h : A B. 3

3. Muodosta bijektio a) joukkojen N ja Z b) joukkojen N ja Q välille. Tämä todistaa kyseiset joukot yhtämahtaviksi. Vihje. a) Ajattele joukkoja lukusuoralla. b) Asettele (positiiviset) rationaaliluvut (päättymättömään) taulukkomuotoon (Cantor). Ratkaisut. a) Määritellään f(1) := 0, f(2n) = n, f(2n+1) = n, n N. N:... 8 6 4 2 1 3 5 7 9 11... Z:... -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5... b) Cantorin diagonaaliprosessi: Jokainen positiivinen rationaaliluku esiintyy (ainakin kerran) taulukossa Määritellään f(1) = 0. Luvut 2n kuvataan taulukkoon, luvut 2n+1 vastaavaan negatiiviseen taulukkoon. Taulukossa ohitetaan ne luvut, jotka ovat jo esiintyneet. 4. Olkoot A ja B X. Ilmoita joukkojen A ja B karakterististen funktioiden avulla a) joukon A \ B karakteristinen funktio. b) joukon (A \ B) (B \ A) karakteristinen funktio. Ratkaisut. a) Koska A \ B = A B = A (X \ B), saadaan Lausetta 10.6.1 soveltaen: b) Koska (A \ B) (B \ A) =, on χ A\B = χ A χ X\B = χ A (1 χ B ). χ (A\B) (B\A) = χ (A\B) + χ (B\A) = χ A (1 χ B ) + χ B (1 χ A ) = χ A + χ B 2χ A χ B. 5. Yliopiston ylioppilaskunnan syyskekkerit pidettiin vanhempien ihmisten suosiossa olevassa tanssipaikassa. Yhteensä paikalla oli 100 osallistujaa, joista 60 oli miehiä ja loput naisia. O- sallistujista alle kolmekymppisiä oli 30, joista 10 miehiä. Lisäksi tiedetään, että osallistujista vain 40 oli opiskelijoita, näistä 20 oli miehiä, 15 alle kolmekymppisiä ja 5 alle kolmekymppisiä miehiä. Kuinka monta osallistujista oli a) yli kolmekymppisiä naisia? 4

b) yli kolmekymppisiä ei-opiskelijanaisia? Ratkaisu. Olkoot: E := {osallistujat}, A := {miehet}, B := {ikä < 30} ja C := {opiskelijat}. Tällöin #E = 100, #A = 60, #B = 30 ja #C = 40. Edelleen tiedetään, että #(A B) = 10, #(A C) = 20, #(B C) = 15 ja #(A B C) = 5. Käytetään summa- ja erotusperiaatetta: Yli kolmekymppisten naisten joukko on A B ja näistä muut kuin opiskelijat on A B C. Siis a) #(A B) = #E #A #B + #(A B) = 100 60 30 + 10 = 20. b) #(A B C) = #E #A #B #C + #(A B) + #(A C) + #(B C) #(A B C) = 100 60 30 40 + 10 + 20 + 15 5 = 10. 6. Kuinka monessa luvuista 1000, 1001,..., 9999 on peräkkäin kaksi samaa numeroa? Ratkaisu. Käytetään summa- ja erotusperiaatetta: määritellään joukot A 1 := {n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 = n 2, n 1 0} A 2 := {n 1 n 2 n 3 n 4 n 2 = n 3, n 1 0} A 3 := {n 1 n 2 n 3 n 4 n 3 = n 4, n 1 0}. Kysymyksen vastaus on #(A 1 A 2 A 3 ). Nyt #A 1 = #A 2 = #A 3 = 9 1 10 10 = 900, #(A 1 A 2 ) = #(A 1 A 3 ) = #(A 2 A 3 ) = 9 1 1 10 = 90, #(A 1 A 2 A 3 ) = 9 1 1 1 = 9, joten #(A 1 A 2 A 3 ) = 3 i=1 #A i 1 i<j 3 #(A i A j ) + #(A 1 A 2 A 3 ) = 3 900 3 90 + 9 = 2439. 7. Todista: Jos #X = n, niin X voidaan jakaa kahdeksi ekvivalenssiluokaksi 2 n 1 1 eri tavalla. Vihje: Induktiotodistus joukon alkiomäärän suhteen. Ratkaisu. Ekvivalenssiluokkiin jako = ositus. Jos n = 1, on asia selvä: kaksiosaisia osituksia ei ole, mutta niinpä 2 1 1 1 = 1 1 = 0. Olkoon siis n 2. Joukon X 2-osaisia osituksia on p(n, 2) kappaletta. Osoitetaan, että p(n, 2) = 2 n 1 1 arvoilla n 2. 1) n = 2 : p(2, 2) = 1 = 2 2 1 1, OK. 2) n = k : Olkoon p(k, 2) = 2 k 1 1 jollakin k 2. 3) n = k+1 : Palautuskaavan ja induktio-oletuksen mukaan p(k+1, 2) = 2p(k, 2) + p(k, 1) = 2 (2 k 1 1) + 1 = 2 k 1. Induktioperiaatteen nojalla väite on tosi kaikilla n 2, ja siten alkuosan nojalla kaikilla n N. 5