Zadanie 2. Obliczyć rangę dowolnego elementu zbioru uporządkowanego N 0 N 0, gdy porządek jest zdefiniowany następująco: (a, b) (c, d) (a c b d)

Transkrypt

1 Matemaryka dyskretna - zadania Zadanie 1. Opisać zbiór wszystkich elementów rangi k zbioru uporządkowanego X dla każdej liczby naturalnej k, gdy X jest rodziną podzbiorów zbioru skończonego Y. Elementem najmniejszym, a więc o randze 0, jest zbiór pusty - jako zawarty w każdym innym podzbiorze zbioru Y. Elementami o randze 1 będą wszystkie podzbiory jednoelementowe, elementami o randze 2 będą podzbiory dwuelementowe. Ogólnie elementami o randze k będą te podzbiory zbioru Y, których moc jest równa k. Zadanie 2. Obliczyć rangę dowolnego elementu zbioru uporządkowanego N 0 N 0, gdy porządek jest zdefiniowany następująco: (a, b) (c, d) (a c b d) Elementem o randze 0 będzie oczywiście element najmniejszy, czyli para (0, 0). Dalej, zgodnie z definicją porządku, elementami o randze 1 będą elementy (0, 1) i (1, 0). Elementami o randze 2 będą pary postaci (0, 2), (2, 0) oraz (1, 1). Ogólnie ranga dowolnej pary (a, b) N 0 N 0 jest równa: a + b. Zadanie 3 Pokazać, że zbiór elementów ustalonej rangi jest antyłańcuchem. Niech (X, ) będzie zbiorem uporządkowanym. Niech T X będzie zbiorem elementów o ustalonej randze k. Weźmy dwa dowolne elementy a i b tego zbioru. Gdyby a i b należały do jednego łańcucha, to byłoby a b lub b a, ale to znaczyłoby, że elementy a i b nie są tej samej rangi. Więc a i b są nieporównywalne. Wobec dowoloności wyboru elementów a i b wnioskujemy, że każde dwa elementy ze zbioru T są nieporównywalne, ale to oznacza, że zbiór T jest antyłańcuchem. Zadanie 4. Pokazać, że jeśli (L, <) jest kratą, to działania i są łączne, przemienne oraz a a = a i a a = a. Jeśli krata jest skończona, to istnieją elementy najmniejszy i największy i są one elementami neutralnymi względem działań w tej kracie. Działania i są przemienne, gdyż a b = sup{a, b} = sup{b, a} = b a oraz a b = inf{a, b} = inf{b, a} = b a. Działania i są łączne, gdyż a (b c) = sup{a, sup{b, c}} = sup{a, b, c} oraz a (b c) = inf{a, inf{b, c}} = inf{a, b, c}. Ponadto a a = sup{a, a} = a oraz a a = inf{a, a} = a. Zakładamy, że krata jest skończona, czyli L <. Niech L = {x 1,..., x n }. Elementem najmniejszym jest element 0 = x 1... x n, elementem największym - 1 = x 1... x n. Niech teraz x i L. Wówczas: 0 = x 1... x n x i x i x i x 1... x n x i x i = x i a więc x i x 1... x n = x i. Analogicznie dla działania : x i x 1... x n = 1 x i = x i x i x i (x 1... x n ) x i bo a b a. A więc x i (x 1... x n ) = x i.

2 Zadanie 5. Pokazać, że jeśli (L, <) jest kratą rozdzielną, to każdy element może mieć co najwyżej jedno uzupełnienie. Załóżmy, że krata jest skończona. Niech a L i niech elementy e, f będą uzupełnieniami elementu a, czyli: a e = 1, a e = 0, a f = 1, a f = 0. e = e 0 = e (a f) = (e a) (e f) = 1 (e f) = e f f = f 0 = f (a e) = (f a) (f e) = 1 (f e) = f e skąd wynika, że e = f. Zadanie 6. Pokazać, że krata (30) jest izomorficzna (jako zbiór uporządkowany) z kratą P (3). (30) = {1, 2, 3, 5, 6, 10, 15, 30} P (3) = {Ø, {1}, {2}, {3}, {1, 2}, {1, 3}, {2, 3}, {1, 2, 3}}. Aby pokazać izomorficzność obu zbiorów należy określić odpowiednią funkcję zachowującą porządki w obu zbiorach. Funkcję f: (30) P (3) definujemy następująco: f(1) = Ø, f(2) = {1}, f(3) = {2}, f(5) = {3}, f(6) = {1, 2} f(10) = {1, 3}, f(15) = {2, 3}, f(30) = {1, 2, 3} Zadanie 7. Wyznaczyć wartości funkcji Möbiusa zbioru (12) = {1, 2, 3, 4, 6, 12} µ(i, i) = 1, i {1, 2, 3, 4, 6, 12}, µ(1, 2) = µ(2, 2) = 1 µ(1, 3) = µ(3, 3) = 1, µ(2, 6) = µ(3, 6) = µ(6, 6) = 1 µ(1, 6) = (µ(2, 6) + µ(3, 6) + µ(6, 6)) = 1 µ(2, 4) = µ(4, 4) = 1, µ(1, 4) = (µ(2, 4) + µ(4, 4)) = 0 µ(4, 12) = µ(12, 12) = 1, µ(6, 12) = µ(12, 12) = 1 µ(2, 12) = (µ(4, 12) + µ(6, 12) + µ(12, 12)) = 1 µ(3, 12) = (µ(6, 12) + µ(12, 12)) = 0 µ(1, 12) = (µ(2, 12) + µ(3, 12) + µ(4, 12) + µ(6, 12) + µ(12, 12)) = 0 Zadanie 8. Ile jest liczb naturalnych niepodzielnych przez 2, 3 i 5 w przedziałach: (0, 901), (0, 1001), (16, 1219) A = {x (0, 901): 2 x}, B = {x (0, 901): 3 x}, C = {x (0, 901): 5 x}. Wówczas: A = 450, B = 300, C = 180, A B = 150, A C = 90, B C = 60, A B C = 30. Stąd {x (0, 901): (x A B C)} = 240 Dla pozostałych przedziałów postępujemy analogicznie. A więc {x (0, 1001): (x A B C)} = 266 oraz {x (16, 1219): (x A B C)} = 321

3 Zadanie 9. Pokazać, że zbiór (n) wszystkich dzielników naturalnych liczby naturalnej n, uporządkowany przez relację podzielności jest kratą rozdzielną. Pokazać, że (n) jest algebrą Boole a wtedy i tyklo wtedy, gdy n jest liczbą bezkwadratową (tzn. niepodzielną przez kwadrat żadnej liczby pierwszej). 1 Mamy pokazać, że zbiór ( (n), ) jest kratą rozdzielną. Zauważmy, że w tej kracie a b = NW W (a, b) oraz a b = NW D(a, b). Niech a, b, c (n) = {k N: k n}. Wówczas: a (b c) = NW D(a, NW W (b, c)) = = NW W (NW D(a, b), NW D(a, c)) = (a b) (a c) a (b c) = NW W (a, NW D(b, c)) = = NW D(NW W (a, b), NW W (a, c)) = (a b) (a c) 2 ( ) Załóżmy, że (n) jest algebrą Boole a i przypuśćmy, że n nie jest liczbą bezkwadratową, tzn: p n p 2 n P zbiór liczb pierwszych p P Ponieważ (n) jest algebrą Boole a, to każdy element ma swoje uzupełnienie, a więc istnieje taki element a (n), że a p = 1 oraz a p = 0. A więc (NW W (p, a) = n oraz NW D(p, a) = 1, skąd wynika następujący fakt: NW W (p, a) = pa = n a = n p = pk gdzie k jest liczbą naturalną (ostatnia równość wynika z faktu, że p 2 n). A więc NW D(p, a) = NW D(p, n/p) = p i dostajemy sprzeczność, gdyż NW D(p, a) 1 ( ) Załóżmy, że n jest liczbą bezkwadratową, czyli n = p 1... p s. Niech k (n) co oznacza, że k n. Pokażemy, że uzupełnieniem elementu k jest element k = n/k. Oczywiście NW D(k, k ) = 1, gdyż liczby pierwsze wystepujące w rozkładzie liczby k są różna (żadna się nie powtarza) od liczb z rozkładu k (co wynika z faktu, że n jest liczbą bezkwadratową). A więc NW W (k, k ) = k k = n. Zadanie 10. Łańcuch (C i ), i = 1,..., n podzbiorów pewnego skończonego zbioru nazywamy zupełnym, jeśli C i = i. Wyznaczyć liczbę łańcuchów zupełnych zawartych w P (n). Wyznaczyć liczbę łańcuchów zupełnych w P (n) zawierających ustalony zbiór k- elementowy. Dla n = 3, P = {0, 1, 2} przykładem łańcucha zupełnego jest: {0}, {0, 1}, {0, 1, 2}. Łatwo zauważyć, że ilość wszystkich łańcuchów zupełnych w zbiorze P (n) wynosi n!. Ilość wszystkich łańcuchów zupełnych zawierających ustalony zbiór k-elementowy wynosi k!(n k)!.

4 Zadanie 11. Udowodnić, że jeżeli przedziały [a, b] i [c, d] zawarte w pewnym lokalnie skończonym zbiorze uporządkowanym są izomorficzne, to µ(a, b) = µ(c, d) Załóżmy, że [a, b] = [c, d]. Niech f: [a, b] [c, d] będzie izomorfizmem. A więc dla każdych x, y [a, b] prawdziwa jest równoważność: x [a,b] y f(x) [c,d] f(y) Niech k = [a, b] = [c, d]. Indukcja względem k. Jeśli k = 1, to a = b i c = d. A więc µ(a, a) = µ(c, c) = 1. Załóżmy, że dowodzona implikacja zachodzi dla k = n 1. Niech [a, b] = [c, d] = n. A więc µ(a, b) = µ(a, z) = µ(c, f(z)) = µ(c, d) a z<b gdyż [a, z] < n i [c, f(z)] < n. c f(z)<d Zadanie 12. Wskazać pokrycie minimalną liczbą łańcuchów zbioru uporządkowanego: a) P (5) b) I 4 I 5, gdzie I n = {1,..., n} z naturalnym porządkiem. (a) Minimalna ilość łańcuchów potrzebna do pokrycia zbioru P (5) wynosi 10, gdyż taka jest ilość elementów w maksymalnym antyłańcuchu zbioru P (5) (b) Minimalna ilość łańcuchów potrzebna do pokrycia zbioru I 4 I 5 wynosi 4: ((1, 1), (1, 2), (1, 3), (1, 4), (1, 5), (2, 5), (3, 5), (4, 5)) ((1, 1), (2, 1), (2, 2), (2, 3), (2, 4), (2, 5), (3, 5), (4, 5)) ((1, 1), (2, 1), (3, 1), (3, 2), (3, 3), (3, 4), (3, 5), (4, 5)) ((1, 1), (2, 1), (3, 1), (4, 1), (4, 2), (4, 3), (4, 4), (4, 5)) Zadanie 13. Czy każdy łańcuch w zbiorze A = {(x, y) Z Z: x 0 x + y 0} jest skończony. Czy długości łańcuchów w tym zbiorze są wspólnie ograniczone. Dla każdej liczby naturalnej n podać przykład nieskończonego podzbioru zbioru A, w którym maksymalna długość łańcucha wynosi n. Nie każdy łańcuch w zbiorze A jest skończony, np. nieskończony jest łańcuch (0, 0), ( 1, 0), ( 2, 0),.. Wobec tego długość łańcuchów w zbiorze A nie może być wspólnie ograniczona. Nieskończony podzbiór zbioru A, w ktorym maksymalna długość łańcucha wynosi 1, to na przykład: P 1 = ((0, 1), (1, 2),..., (n, n 1),...) Nieskończony podzbiór zbioru A, w ktorym maksymalna długość łańcucha wynosi 2, to na przykład: P 2 = P 1 (0, 2), (1, 3),..., (n, n 2),...) Ostatecznie nieskończony podzbiór P n A, w ktorym maksymalna długość łańcucha wynosi n, to na przykład: P n = P 1... P n 1 (0, n), (1, n 1),..., (n, 2n),...)

5 Zadanie 14. Niech (P, ) będzie zbiorem uporządkowanym. Określmy dwie funkcje: η(a, b) = ζ(a, b) = Wyznaczyć wartości funkcji η ζ oraz ζ η Rozwiązanie. Załóżmy, że a b. Niech a = b, wtedy: Jeśli [a, b] = 2, to { 1, [a, b] = 2 0, ( [a, b] = 2) { 1, a b 0, (a b) η ζ(a, b) = η(a, a)ζ(a, a) = 0 ζ η(a, b) = ζ(a, a)η(a, a) = 0 η ζ(a, b) = η(a, a)ζ(a, b) + η(a, b)ζ(b, b) = 1 ζ η(a, b) = ζ(a, a)η(a, b) + ζ(a, b)η(b, b) = 1 Niech teraz [a, b] > 2. Zauważmy, że dla wszystkich c [a, b] jest c b, a więc dla wszystkich c jest ζ(c, b) = 1. Stąd η(a, c)ζ(c, b) = η(a, c) W przedziale [a, b] istnieje co najmniej jeden element c, taki że [a, c] = 2. Stąd wartość powyższej sumy jest równa mocy zbioru: {c [a, b]: [a, c] = 2} Rozpatrzmy teraz splot ζ η. Dla wszystkich c [a, b] mamy a c, a więc ζ(a, c) = 1, dla c [a, b]. Stąd ζ(a, c)η(c, b) = η(c, b) W przedziale [a, b] istnieje co najmniej jeden element c, taki że [c, b] = 2. Stąd wartość powyższej sumy jest równa mocy zbioru: {c [a, b]: [c, b] = 2}

6 Zadanie 15. Pokazać, że krata X = (a k(1) 1... a k(n) n ), jako zbiór uporządkowany przez relację podzielności (a 1,..., a n są liczbami pierwszymi), jest izomorficzna z iloczynem kartezjańskim Z = (a k(1) 1 )... (a k(n) n ). Niech Zauważmy najpierw, że ilość elementów w obu zbiorach jest taka sama. Ponadto jeśli x X, to x = a u(1) 1... a u(n). Określmy funkcję f: X Z następująco: n f(x) = f(a u(1) 1... a u(n) n ) = (a u(1) 1,..., a u(n) n ) Tak określona funkcja zachowuje porządki w obu zbiorach. Niech x, y X i niech x = a u(1) 1... a u(n) n, y = a v(1) 1... a v(n) n. Załóżmy, że x y. Wtedy u(1) v(1),..., u(n) v(n). Zatem f(x) f(y). Copyright c Grzegorz Gierlasiński