Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабораторный Практикум по Дискрмат2

.pdf
Скачиваний:
359
Добавлен:
10.06.2015
Размер:
3.45 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Т.Р. АБДУЛЬМЯНОВ

АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ДИСКРЕТНАЯ МАТЕМАТИКА»

Казань 2011

УДК 519.6

ББК 22.19

А 13

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук, доцент Казанского федерального университета М.Г. Ишмухаметова; кандидат технических наук, доцент Казанского государственного энергетического университета С.Н. Паршин

Абдульмянов Т.Р.

А 13 Алгоритмы и методы решения задач дискретной математики с применением компьютерных вычислений: Лабор.

практикум / Т.Р. Абдульмянов. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. – 148с.

В лабораторном практикуме рассматриваются методы решения задач дискретной математики и алгоритмы, ориентированные на применение компьютерных вычислений. Каждая лабораторная работа содержит разобранные варианты и образцы решения, варианты задач для самостоятельного решения. Пособие предназначено для студентов направления подготовки 231300.6 «Прикладная математика» и направления подготовки 230100.62 «Информатика и вычислительная техника», изучающих курс «Дискретная математика».

УДК 519.6 ББК 22.19

©Абдульмянов Т.Р., 2011

©Казанский государственный энергетический университет, 2011

2

Лабораторная работа №1

ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД МНОЖЕСТВАМИ. ДЕКАРТОВО ПРОИЗВЕДЕНИЕ МНОЖЕСТВ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ОПЕРАЦИЙ НАД МНОЖЕСТВАМИ

Цель работы

При помощи основных операций над множествами построить требуемые множества. При помощи кругов Эйлера и при помощи аналитических рассуждений доказать равенство данных множеств.

Краткая теория

Множеством называется любая совокупность любых предметов, называемых элементами этого множества. Множества обозначаются заглавными буквами алфавита, элементы множества - строчными буквами. Если элемент a принадлежит множеству A, то такую принадлежность будем обозначать a A. Если множество A содержит конечное число

элементов a1, a2, … , an , то множество будем обозначать, заключая эти

элементы в фигурные скобки, то есть, A={a1, a2,…, an}. Такие множества называются конечными множествами. Множества, содержащие бесконечное число элементов называются бесконечными множествами. Число элементов множества называется мощностью множества. Множество, не содержащее ни одного элемента, называется пустым множеством и обозначается символом . Согласно определению понятия множество, существует такое множество, которое содержит все множества. Это множество называется универсальным и обозначается буквой U. Универсальное множество является особым по отношению ко всем другим множествам: совокупность двух любых различных множеств дает новое множество, тогда как совокупность универсального множества и любого другого множества образует снова универсальное множество.

Множество A называется подмножеством множества B, если каждый элемент множества A принадлежит также множеству B. Обозначается A B. Два множества A и B называются равными, если каждый элемент одного из них является также элементом другого множества и наоборот. Для доказательства равенства двух множеств, согласно определению равенства двух множеств, достаточно доказать, что каждое из этих множеств является подмножеством другого множества.

Пример. Множество {1, 3, 8} является подмножеством множества {–1, 0, 1, 3, 8, 15}. Множества {a, b, c} и {b, a, c} равны между собой.

3

Объединением двух множеств A и B называется новое множество, которое содержит как элементы множества A , так и элементы множества B. Символически это определение можно записать следующим образом:

A B {a a A или a B} .

Операции над множествами следует рассматривать, во-первых, как произвольно определяемые по нашему усмотрению. Во-вторых, операции могут выражать определенные, уже сложившиеся отношения между элементами некоторых двух множеств. Результаты операций изображают в виде тех или иных отношений между множествами при помощи кругов Эйлера-Венна. Для объединения двух множеств получим следующее изображение (заштрихованная область на рис 1.а):

а)

б)

Рис. 1. Объединение (а) и пересечение (б) множеств A и B

Пересечением двух множеств A и B называется множество, которое содержит только такие элементы, которые одновременно принадлежат и множеству A и множеству B. Символически эта операция определяется в следующем виде:

A B {a a A и a B} .

Пересечение A

B изображено на рисунке 1.б. Разностью двух

множеств A и B называется множество A \ B, содержащее те элементы из

множества

A, которые

не принадлежат множеству B, то

есть

 

 

 

 

 

A \ B {a

a

A и a

B}.

Изобразим разность A \ B при помощи

кругов

 

 

 

 

 

 

Эйлера – Венна (рис. 2.а):

а)

б)

Рис. 2. Разность множеств A\B (а) и дополнение множества A (б)

4

Примеры. 1). Пусть A={a, b, c}, B={b, c, d, e}. Тогда A B={a, b, c, d, e}, A B={b, c}, A\B={a}, B\A={d, e}.

2). Пусть множества A и B это отрезки числовой прямой A=[1; 15],

B=(–1; 9]. Тогда A B=(–1; 15], A B=[1; 9], A\B=(9; 15], B\A=(–1; 1).

Дополнением множества A до универсального множества называется

 

 

 

 

множества U,

не

множество A всех элементов универсального

 

 

 

 

 

принадлежащих самому множеству A, то есть

A {a | a U и a

A} .

Универсальное множество U изображается в виде прямоугольника, тогда дополнение A будет иметь вид заштрихованной области, изображенной на рисунке 2.б.

6

2

 

3

9

Рис. 3. Декартово произведение множеств A B

Декартовым произведением двух множеств A и B называется

множество A

B всех упорядоченных пар элементов (a, b) таких, что a A и

b B, то есть A

B={(a, b)| a A и b B }.

Примеры. 1) Пусть A={1, 2}, B={–1, 0, 1}. Тогда

AB = {(1, –1), (1, 0), (1, 1), (2, –1), (2, 0), (2, 1)},

BA = {(–1, 1), (0, 1), (1, 1), (–1, 2), (0, 2), (1, 2)}.

2)Пусть A=[3, 9], B=[2, 6]. Изобразим эти множества на оси x и на оси y соответственно. Тогда множество точек, принадлежащих произведению A B, будет представлять собой прямоугольник с вершинами (3,2), (9,2), (3,6), (9,6) (заштрихованная область на рисунке 3).

Порядок выполнения работы

1.Для заданных множеств A, B, C при помощи основных операций над множествами построить множества А (В\С) и А\(В С). Изобразить эти множества на плоскости.

2.При помощи кругов Эйлера и при помощи аналитических рассуждений доказать равенство данных множеств.

5

3. Доказать равенство декартовых произведений множеств, при помощи аналитических рассуждений.

Образец выполнения заданий

а) Для заданных множеств A, B, C:

А={(x, y)| x2+y2 1}, B={(x, y)| (x – 1)2+y2 1}, C={(x, y)| x2 + (y – 1)2 1},

построить множества А (В\С) и А\(В С). Изобразить эти множества на плоскости.

б) Доказать равенство следующих множеств:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) A B = (А B )

 

A ; 2) А

В= А

(В\А); 3) А (В\С)=(А В)\С.

в) Докажите равенство декартовых произведений множеств:

 

 

 

 

(А

В) (С

В)=(А

С) ( В В).

Решение. а) Множества A, B, C являются кругами, в декартовой системе координат, с центрами в точках (0, 0), (1, 0), (0, 1) соответственно. Для того, чтобы построить множество А (В\С) необходимо сначала построить множество (В\С). Затем, полученное множество объединить с множеством А. В результате получим фигуру, изображенную на рисунке 4.а (темная часть рисунка). Построим множество А\(В С). Сначала построим объединение двух множеств В С (светлая часть рисунка 4.б). Затем найдем разность множества А и построенного множества. В результате получим искомое множество А\(В С) (темная часть рисунка

4.б).

С

С

А

3

В

A

3

B

а)

б)

 

х3

Рис. 4. Изображение множества А (В\С) (а) и множества А\(В С) (б); (темные части рисунков)

б) Докажем равенства множеств:

1) A B = (А B ) A ; 2) А В= А (В\А); 3) А (В\С)=(А В)\С.

6

Для доказательства этих равенств при помощи кругов Эйлера необходимо последовательно изобразить множества, обозначенные слева и справа от равенства. Затем сравнить полученные изображения. Совпадение рисунков будет означать равенство множеств. Изображения множеств выполняются аналогично пункту (а) данного задания и предлагается

выполнить самостоятельно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Докажем эти равенства при помощи аналитических рассуждений.

 

 

 

 

 

 

1) Согласно определению равенства двух множеств, возьмем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

произвольный элемент x из множества

 

A

B и докажем,

что элемент x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

принадлежит также множеству (А

 

B )

A . В самом деле, по определениям

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

основных операций над множествами из того, что x

 

 

 

A

 

B получим x

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и x

 

 

B . Следовательно, x

 

 

A

и x

 

 

 

А

 

B . Тогда,

по

определению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пересечения, x (А

B ) A .

Обратно, пусть x (А

 

B )

A .

Тогда x

 

A и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

А B . Так как x

A, то x

 

B . Следовательно, x

 

 

A и x

 

B . Тогда x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( A

 

B ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Докажем равенство А

В= А (В\А). Пусть элемент x

 

А B. Тогда,

согласно определению операции объединение, x

А либо x B,

либо x

принадлежит одновременно двум множествам А и B. Если x

А или

одновременно двум множествам А и B, то, согласно определению операции

объединение, будет принадлежать и множеству А

 

(В\А).

Если же x

не

принадлежит множеству А, то будет принадлежать множеству B, так как x А B. В этом случае, согласно определению разности двух множеств, x

В\А и по определению объединения множеств x

А (В\А).

 

 

 

Докажем обратное утверждение. Предположим, что x

 

А (В\А).

Тогда, согласно определению объединения двух множеств, x

А либо x

В\А, либо x принадлежит одновременно двум этим множествам. Если x

А

или x принадлежит одновременно двум множествам, то x

А

B. Если же

x не принадлежит А, то x

В\А,

так как x

А

(В\А).

Тогда x

B и,

следовательно, x

А

B.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Докажем равенство А

(В\С)=(А В)\С.

Предположим,

что

x

А (В\С). Тогда x

А и x

В\С. Следовательно, по определению разности

множеств, x В и x

С. Откуда x

А

B и x

С. Тогда,

по определению

разности множеств, x

(А

В)\С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Докажем обратное утверждение. Пусть x

(А

В)\С. Тогда x

А

B и

x С. Следовательно, x

А, x

B и x

С. Тогда x

А и x

В\С. Откуда

получим, что x

А (В\С).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Докажем равенство декартовых произведений множеств:

 

 

 

 

(А

В)

(С

В)=(А С)

( В

В).

 

 

 

 

Согласно определению декартова произведения двух множеств, каждый элемент произведения представляет собой упорядоченную пару (x, y).

Пусть пара (x, y)

(А

В)

(С

В). Тогда, по определению декартова

произведения, x

А

B и

y

C B. По определению пересечения

7

множеств получим x

А и x B, y

C и y

B. Следовательно, пара (x, y)

А

С и (x, y)

В В. Тогда (x, y)

(А С) ( В В).

Докажем обратное утверждение. Пусть (x, y)

(А С) ( В В). Тогда

(x, y)

А С и (x, y)

В В. По определению декартова произведения x

А, y

C и x

B, y

B. Тогда x

А B и y

C

B. Следовательно, (x, y)

(А

В) (С

В).

 

 

 

 

Вопросы для самопроверки

1.Определите понятие множество.

2.Перечислите и определите основные операции над множествами.

3.Что изображают при помощи кругов Эйлера-Венна?

4.Что называется универсальным множеством?

5.Что собой представляет геометрически декартово произведение двух, трех множеств?

Литература: [3], гл.1, с. 9–12; [2], Часть 2, с. 38–51; [7], гл. 1, стр. 9–16.

Задания для самостоятельной работы

а) Для заданных множеств A, B, C построить множества А (В\С)

и А\(В С). Изобразить эти множества на плоскости.

 

Вариант 1.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

1}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x2

y}.

 

Вариант 2.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

9}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| y

x2}.

 

Вариант 3.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

1}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x

y2}.

 

Вариант 4.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

4}, B={(x, y)| x2+y2

1}, C={(x, y)| x

y2}.

 

Вариант 5.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

4}, B={(x, y)| (x 2)2+y2

1}, C={(x, y)| x2

y}.

Вариант 6.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+(y

2)2

1}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x2

y}.

Вариант 7.

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| (x+2)2+y2

1}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| y

x2}.

8

Вариант 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

x2}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x2+(y+2)2

1}.

 

 

 

Вариант 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

x2}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x2+(y+2)2

1}.

 

 

 

Вариант 10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| 1

x

4, 1

y

3}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x+y

0}.

 

 

Вариант 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)|

4

x

1, 1

y

3}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x y}.

 

 

Вариант 12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

 

x}, B={(x, y)|

3 x, y

1}, C={(x, y)| x2+y2

4}.

 

 

 

 

Вариант 13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

4}, B={(x, y)| y

x}, C={(x, y)| 1 x 3,

3

y

1}.

 

 

Вариант 14.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| 1

y

3, x

Р}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x2+(y

1)2

1}.

 

Вариант 15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| (x 1)2+y2

1}, B={(x, y)| 1

x

3, y

}, C={(x, y)| x2+y2

4}.

 

Вариант 16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+y2

4}, B={(x, y)| x2+(y+1)2 1}, C={(x, y)|

3

y

 

1, x

}.

Вариант 17.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)|

3

x

1, y

}, B={(x, y)| (x+1)2+y2 1}, C={(x, y)| x2+y2 4}.

Вариант 18.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| (x+1)2+y2

4}, B={(x, y)| (x

1)2+y2

4}, C={(x, y)| x2

y}.

 

Вариант 19.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| x2+(y

1)2

4}, B={(x, y)| x2+(y+1)2

4}, C={(x, y)| y2

x}.

 

Вариант 20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

x}, B={(x, y)| (x

1)2+(y 1)2 1}, C={(x, y)| (x+1)2+(y+1)2

9}.

Вариант 21.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

 

x}, B={(x, y)| (x+1)2+(y

1)2 1}, C={(x, y)| (x

1)2+y2 9}.

Вариант 22.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y

x}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x 0, y

0}.

 

 

 

 

 

Вариант 23.

9

А={(x, y)| y

x}, B={(x, y)| x2+y2 1}, C={(x, y)| x

0, y

0}.

 

Вариант 24.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y x}, B={(x, y)| x2+y2

1}, C={(x, y)| x

0, y

0}.

 

Вариант 25.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А={(x, y)| y x}, B={(x, y)| x2+y2

4}, C={(x, y)| x

0, y

0}.

 

 

 

б) Доказать равенство следующих множеств.

 

 

Вариант 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) A B = (А B ) A ; 2) А\В=(А\В)\В; 3) (А В)\С=(А\С) (В\С).

Вариант 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) A B = (А В ) А ; 2) А\В=(А В)\В; 3) (А В)\С=(А\С) (В\С).

Вариант 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) А\ B = ( A

В) А; 2)

 

A В=В

( A \ B ); 3) (А

В)\С=(А

В)\(А С).

Вариант 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) А\В=А\(А

В); 2) А

В=(В\ A )

А; 3) (А В)\С=(А В)\(В

С).

Вариант 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) В\А=(А В)\А; 2) А

В=( A В)

А; 3) (А\В) С=(А

С)\(В С).

Вариант 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)В\А=В\(А В); 2) А В=( A В) А; 3) (А\В) С=(А С)\(В\С).

Вариант 7.

2)В\А=(А В) A ; 2) А В=(В\ A )\ B ; 3) А (В\С)=(А В)\(А С).

Вариант 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

 

A В=( A

 

B )

В; 2) А В=В\( A \ B ); 3) А\(В С)=(А\В) (А\С).

Вариант 9.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

В\ A =( A

В) А; 2) А

 

В=(В\ A )\ A ; 3) А\(В С)=(А\В) (А\С).

Вариант 10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

А B =(А

В)

B ; 2)

B \ A =(А\В) А; 3) (А\В)\С=(А\В)\(С\В).

Вариант 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

А B =( A

 

B )

А; 2) B \ A =(А

 

 

В)

 

 

B ; 3) А\(В С)=(А\С)\(В\С).

Вариант 12.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

А В=В\(В\С); 2) B \ A =( A B ) А; 3) А\(В\С)=(А\В) (А С).

Вариант 13.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

 

A В=(А

В)

A ; 2) B \А=(А

 

B )

 

A ; 3) (А\В)\С=(А\С)\(В\С).

10