UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i Eksamensdag: 28. november 2014 Tid for eksamen: 08.15 12.15 Oppgavesettet er på 6 sider. Vedlegg: Tillatte hjelpemidler: INF1080 Logiske metoder for informatikk Ingen Ingen Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Det er mulig å få 100 poeng totalt, og for hver oppgave er det angitt det maksimale antall poeng. Det er mange oppgaver, så pass på at du bruker tiden din godt. Hvis du bruker 20 minutter på 10 poeng, så vil du ha 3 timer og 20 minutter til alle oppgavene, og da vil du ha 40 minutter til å se over alt til slutt. Husk at det faktisk er noen som skal lese veldig nøye det du skriver. Sørg for at det du skriver er klart, tydelig og enkelt å forstå, både når det gjelder form og innhold. Sjekk at begrunnelsene dine er gode. Lykke til! (Fortsettes på side 2.)
Oppgave 1 Mengdelære (10 poeng) La A = {x}, B = {y, {x}} og C = {x, y, {x, y}}. (a) [2 poeng] Skriv ned alle delmengdene til C. (b) [2 poeng] Er følgende påstander sanne eller usanne? 1. A B 2. B C 3. A B 4. B C (c) [4 poeng] Regn ut: 1. A \ B 2. B \ A 3. A B 4. B C (d) [2 poeng] Hva er kardinaliteten til B (A C)? Begrunn svaret ditt. Oppgave 2 Hypoteser og moteksempler (10 poeng) Her kommer det noen påstander som du må ta stilling til. For hver påstand skal du finne ut om den er sann eller usann. Hvis du mener at påstanden er sann, så gi et kort argument for hvorfor. Hvis du mener at den er usann, så finn et moteksempel eller forklar hvorfor det ikke kan være slik. (a) [2 poeng] Hvis F og G er to formler, så er det alltid slik at enten (F G) eller (G F) er oppfyllbar. (b) [2 poeng] Det fins en utsagnlogisk formel F slik at envher utsagnslogisk formel er en logisk konsekvens av F. (c) [2 poeng] Det fins en utsagnslogisk formel som både er oppfyllbar og falsifiserbar. (d) [2 poeng] Det fins to uendelige mengder, A og B, slik at både A B og A B. (e) [2 poeng] Det fins to forskjellige mengder, A og B, slik at både A B og B A. 2
Oppgave 3 Utsagnslogikk (10 poeng) (a) [4 poeng] Se på formelen P (Q R). Hvilke av følgende formler er ekvivalente med denne? 1. P (Q R) 2. P (Q R) 3. (P (Q R)) 4. (P Q) (P R) 5. (P Q) (P R) 5. (Q R) P (b) [6 poeng] Vi kan definere et nytt konnektiv,, for «impliserer ikke» ved hjelp av følgende sannhetsverditabell. F G (F G) 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1. Finn en måte å uttrykke (F G) på kun ved hjelp av konnektivene og. Med andre ord, finn en formel som kun inneholder F og G og konnektivene og og som er ekvivalent med (F G). Begrunn svaret ditt. 2. Finn en måte å uttrykke (F G) på ved hjelp av kun. Begrunn svaret ditt. Oppgave 4 Relasjoner og funksjoner (10 poeng) La F være mengden av alle filmer som ble vist i norsk kino i løpet av 2013, og la T = {1, 2, 3, 4, 5, 6} være mengden av mulige terningkast. Anta at Kraken er en av filmene, altså at Kraken F. (a) [2 poeng] Hva er definisjonen av «en funksjon fra F til T»? (b) [3 poeng] Hvilke av følgende relasjoner fra F til T er funksjoner? 1. 2. { Kraken, 4 } 3. { f, 6 f F} 4. F {1, 2} (c) [2 poeng] La f være en funksjon fra F til T. La relasjonen R på F være slik at xry hvis og bare hvis f(x) = f(y). Er dette en ekvivalensrelasjon? Begrunn svaret ditt. (d) [3 poeng] La f være en funksjon fra F til T som før. La relasjonen S på F være slik at xsy hvis og bare hvis forskjellen mellom f(x) og f(y) er maksimalt 1, dvs. f(x) f(y) { 1, 0, 1}. Er dette en ekvivalensrelasjon? Begrunn svaret ditt. 3
Oppgave 5 Førsteordens logikk (10 poeng) Vi antar som vanlig at a, b og c er konstanter og at x, y og z er variabler. (a) [2 poeng] Angi både mengden av frie variabler og mengden av bundne variabler i følgende formler. 1. P(x) 2. x R(x, x) 3. ( x R(x, y)) ( y R(x, y)) (b) [3 poeng] La oss skrive UV(φ) for mengden av variabler som forekommer i en førsteordens formel φ, men ikke bundet av en eksistenskvantor ( ) for den variablen. Dvs. alle variabler som er enten er frie eller som er bundet av en universell kvantor ( ). For eksempel har vi følgende. UV ( x y P(x, y, z) ) = {x, z} Følgende er en rekursiv definisjon av UV. Definisjonen har noen hull markert med 1, 2 etc. Angi hva det er som mangler. (Vi antar at FV(t), mengden av frie variabler i en term, allerede er definert.) UV(P(t 1,..., t n )) = FV(t 1 ) FV(t n ) UV(φ ψ) = UV(φ) UV(ψ) UV(φ ψ) = UV(φ) 1 UV(ψ) UV(φ ψ) = UV(φ) 2 UV(ψ) UV( φ) = 3 UV( x φ) = UV(φ) 4 {x} UV( 5 ) = 6 (c) [2 poeng] Forklar forholdet mellom formelen x, y (R(x, y) R(y, x)) og et utsagn «... [noe med R]... er en symmetrisk relasjon». Hint: i forklaringen vil du trenge begrep som «modell», «tolkning» og «er sann». (d) [3 poeng] Gitt et førsteordensspråk uten konstant- eller funksjonssymboler, men med to unære relasjonssymboler P og Q. Angi en modell M slik at M = x Px y Qy M = x (Px Qx) Oppgave 6 Grafteori (10 poeng) (a) [3 poeng] Forklar hva en Eulervei og en Eulerkrets er. (b) [3 poeng] Hva er summen til gradene til nodene i en komplett graf med n noder? Forklar kort (eller bevis) hvorfor det er slik. (c) [2 poeng] Tegn en graf med fire noder hvor nodene har grader 1, 1, 1 og 1, eller forklar hvorfor det ikke fins noen slik graf. 4
(d) [2 poeng] Tegn en graf med fire noder hvor nodene har grader 1, 2, 2 og 3, eller forklar hvorfor det ikke fins noen slik graf. Oppgave 7 Kombinatorikk (10 poeng) (a) [3 poeng] Hvor mange funksjoner finnes det fra mengden {1, 2,..., n}, hvor n er et positivt heltall, til {0, 1}? Gi en kort begrunnelse for svaret ditt. (b) [3 poeng] La S være mengden {1, 2, 3, 4}. Hvor mange funksjoner fra S til S fins det, og hvor mange av disse er bijeksjoner? Gi en kort begrunnelse for svaret ditt. (c) [4 poeng] La S være mengden {1, 2, 3, 4, 5}. Hvor mange delmengder av av S med tre elementer fins det? Gi en kort begrunnelse for svaret ditt. Oppgave 8 Regulære språk (10 poeng) Vi definerer et språk over alfabetet {a, b, c} som inneholder strengene på følgende form: Alle strenger består av ett eller flere «segmenter.» Hvert segment består av én a og etter det enten en rekke på én eller flere b eller en rekke på én eller flere c. Noen strenger i språket er altså abbbb, abacab, abbaccc (a) [3 poeng] Angi et regulært uttrykk som beskriver språket. (b) [3 poeng] Finn en grammatikk som beskriver språket. (c) [4 poeng] Angi en deterministisk, endelig tilstandsmaskin som aksepterer språket. Husk å markere både starttilstanden, og alle aksepterende tilstander. 5
Oppgave 9 Rekursive funksjoner (10 poeng) (a) [3 poeng] Hvilke av følgende systemer med ligninger utgjør en korrekt rekursiv definisjon av en funksjon f : N N? 1. f(0) = 2 og f(n + 1) = f(n) 2 f(n) for alle n N. 2. f(n + 1) = f(n) 2 for alle n N. 3. f(0) = 1, f(1) = 2, f(2) = 3, og så videre. 4. f(0) = 1, f(1) = 3, og f(n) = 2f(n 2) for alle n N med n 2. (b) [2 poeng] For de definisjonene i oppgavedel (a) som er korrekte, regn ut f(4). (c) [3 poeng] La g(n) være produktet av de første n positive oddetallene: g(1) = 1 g(2) = 1 3 g(3) = 1 3 5 g(4) = 1 3 5 7... Gi en rekursiv definisjon av g. Du får bruke 1 som basistilfelle. (d) [2 poeng] Definer en rekursiv funksjon f som tar en streng som argument, og som erstatter alle vokaler x i den strengen med a. F.eks. vil f(tre små kinesere) = tra sma kanasara og f(logikk) = lagakk. Oppgave 10 Induksjonsbevis (10 poeng) (a) [4 poeng] Gitt følgende rekursive definisjon for f: Bevis ved induksjon at f(0) = 2 og f(n + 1) = f(n) 2 f(n) for alle n N. f(n) = 2 for alle n N. (b) [4 poeng] Gitt følgende rekursive definisjon for g, Vis at g(0) = 1, g(n + 1) = 3 g(n) for alle n N. { 1 hvis n er et partall g(n) = 2 hvis n er et oddetall (c) [2 poeng] Bruk (b) til å vise at g(n) = g(g(g(n))) for alle n N. 6