電気通信大学 情報理工学研究科 情報学専攻 2023年8月実施 選択問題 離散数学

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• 谓词逻辑
• 像与原像
• 基数
• 数学归纳法

Author

祭音Myyura (co-authored with GPT 5.6 SOL)

Description

問1

前提が偽のときの含意 $p\Rightarrow q$ について、二つの誤った真理値表を論理式で表し、空欄 1〜9 を選択肢から埋めよ。

$p$	$q$	A さんの表	B さんの表
T	T	T	T
T	F	F	F
F	T	F	F
F	F	F	T

A さんの表は $p\,[1]\,[2]$、B さんの表は $(p\,[3]\,[4])\land(\neg p\,[5]\,[6])$ と表される。これらは $p,q$ に関して [7] であり、[8] 命題がその [9] と同値になるという問題がある。選択肢は $0:\lor$、$1:\land$、$2:q$、$3:\neg q$、$4:$逆、$5:$裏、$6:$対偶、$7:$対称、$8:$任意の、$9:$ある、である。

問2

正の整数上の述語 $p(x)$ を「$x$ は偶数」とし、

$$\exists x\,p(x)\land\exists x\,q(x) \Rightarrow\exists x\,(p(x)\land q(x))$$

の真偽を、$q(x)$ が奇数、素数、4 の倍数、$x<1$ を表す各場合に答えよ。さらに次の四式を、恒真・恒偽・いずれにもなる、のいずれかに分類せよ。

$$\begin{aligned} (2)\quad &\forall x\,(p(x)\lor q(x))\Rightarrow (\forall x\,p(x)\lor\forall x\,q(x)),\\ (3)\quad &\exists x\forall y\,p(x,y)\Rightarrow\forall y\exists x\,p(x,y),\\ (4)\quad &\exists x\,\neg p(x)\Longleftrightarrow\forall x\,p(x),\\ (5)\quad &\neg\forall x\,(p(x)\Rightarrow q(x)) \Longleftrightarrow\exists x\,(p(x)\land\neg q(x)). \end{aligned}$$

問3

写像 $f:A\to B$ と $P\subseteq A$ に対する

$$f(A-P)\mathrel{?}f(A)-f(P)$$

の包含関係を選び、その証明の空欄を埋めよ。原卷 PDF 9 ページ の証明手順を、次の数式で要約する（原文の逐語転載ではない）。$b\in B$ に対し、

$$\begin{aligned} b\in f(A)-f(P) &\Longleftrightarrow b\in f(A)\land b\notin f(P)\\ &\ [19]\quad\exists a\in A:\ f(a)=b\land a\notin P\\ &\ [20]\quad\exists a\in A-P:\ f(a)=b\\ &\ [21]\quad b\in f(A-P). \end{aligned}$$

$[18]$ の候補は $0:\subseteq$, $1:\supseteq$、$[19]$–$[21]$ の候補は $0:\Longleftrightarrow$, $1:\Longleftarrow$, $2:\Longrightarrow$ である。両向きが成り立つ箇所では同値記号を選ぶ。さらに $A=B=\mathbb R$、$P=[-1,1]$ とし、$f(x)=x^3-x^2,2^x,\sin x$ の各場合に等号が成り立つか答え、等号を保証する $f$ の性質を選べ。

問4

$|A|=m,|B|=n$ とする。$m,n$ の大小関係ごとに写像 $A\to B$ に可能な単射・全射の性質を選べ。また、写像、全単射、単射の総数を求め（公式 PDF 11 ページ で「全単射」を確認）、$S(u,v)$ を $u$ 元集合から $v$ 元集合への全射数とするとき

$$n^m=\sum_{k=1}^n{n\choose k}S(m,k)\qquad(m\ge n\ge1)$$

を証明せよ。

問5

Pascal の関係

$${n+1\choose k+1}={n\choose k+1}+{n\choose k}$$

を示し、数学的帰納法により

$${n\choose k}\le\frac{n^k}{2^{k-1}}\qquad(0\le k\le n)$$

を証明せよ。

题目描述

题目依次考查命题与量词逻辑、像集与差集的关系、有限集合间映射的计数，以及组合恒等式和组合数不等式的归纳证明；选择题空格需同时给出选项编号与内容。

Kai

問1

A さんの表は $p\land q$、B さんの表は

$$(p\lor\neg q)\land(\neg p\lor q)$$

の真理値表である。したがって空欄は

空欄	選択肢	内容
1	1	$\land$
2	2	$q$
3	0	$\lor$
4	3	$\neg q$
5	0	$\lor$
6	2	$q$
7	7	対称
8	8	任意の
9	4	逆

である。

問2

(1)

空欄	選択肢	真偽
10	0	偽
11	1	真
12	1	真
13	1	真

奇数の場合だけ、前件は真であるが偶数かつ奇数の正整数は存在しない。

(2)〜(5)

空欄	選択肢	判定
14	2	真にも偽にもなる
15	1	常に真
16	0	常に偽
17	1	常に真

ここで 15 は $\exists x\forall y\,p(x,y)\Rightarrow\forall y\exists x\,p(x,y)$、 17 は量化記号の否定と含意の定義から直ちに従う。

問3

(1)、(2)

$$\boxed{f(A-P)\supseteq f(A)-f(P)}.$$

したがって 18 は選択肢 $1$（$\supseteq$）である。証明の矢印は

空欄	選択肢	内容
19	2	$\Rightarrow$
20	0	$\Longleftrightarrow$
21	0	$\Longleftrightarrow$

となる。実際、$b\in f(A)-f(P)$ なら、$b=f(a)$ となる $a\in A$ は $P$ に属さないので $b\in f(A-P)$ である。

(3)

空欄	選択肢	内容
22	0	成り立つ
23	0	成り立つ
24	1	成り立たない
25	3	単射

$f(x)=x^3-x^2$ の場合、

$$f([-1,1])=[-2,0],\qquad f(\mathbb R-[-1,1])=(-\infty,-2)\cup(0,\infty)$$

なので等号が成り立つ。$2^x$ は単射なので等号が成り立つ。$\sin x$ では左辺が $[-1,1]$ となるため等号は成り立たない。

問4

(1)

選択肢は $0$：全単射、$1$：全射でも単射でもない、$2$：全射だが単射でない、$3$：単射だが全射でない、である。

条件	ありうる選択肢
(a) $m=n$	$\boxed{0,1}$
(b) $m>n$	$\boxed{1,2}$
(c) $m\le n$	$\boxed{0,1,3}$

上表は、各大小関係を満たす $m,n$ 全体について「ありうる性質」を列挙している。固定した小さな集合では選択肢が減る。例えば $m=n=1$ では全単射のみ、$m>n=1$ では全射だが単射でないもののみである。空集合を許す場合も、$m=n=0$ は唯一の全単射、$m=0<n$ は唯一の単射、$n=0<m$ は写像そのものが存在しない。

(2)

写像の総数は

$$\boxed{n^m}.$$

全単射は $m=n$ の場合に限り存在し、その総数は

$$\boxed{ \begin{cases} n!,&m=n,\\ 0,&m\ne n. \end{cases}}$$

単射の総数は

$$\boxed{ \begin{cases} \dfrac{n!}{(n-m)!},&m\le n,\\ 0,&m>n. \end{cases}}$$

(3)

写像 $A\to B$ を像の要素数 $k$ で分類する。像となる $k$ 元を選ぶ方法が ${n\choose k}$ 通り、その集合への全射が $S(m,k)$ 通りなので

$$n^m=\sum_{k=1}^n{n\choose k}S(m,k).$$

問5

(1)

$0\le k<n$ では

$$\begin{aligned} {n\choose k+1}+{n\choose k} &=\frac{n!}{(k+1)!(n-k-1)!} +\frac{n!}{k!(n-k)!}\\ &=\frac{(n+1)!}{(k+1)!(n-k)!} ={n+1\choose k+1}. \end{aligned}$$

$k=n$ では ${n\choose n+1}=0$ として、両辺とも $1$ である。

(2)

$n=1$ では $k=0,1$ の双方で成立する。$n=t$ で成立すると仮定する。

$k=0,1,t+1$ は直接成立する。$2\le k\le t$ では Pascal の関係と帰納法の仮定より

$$\begin{aligned} {t+1\choose k} &={t\choose k}+{t\choose k-1}\\ &\le\frac{t^k}{2^{k-1}}+\frac{t^{k-1}}{2^{k-2}}\\ &=\frac{t^{k-1}(t+2)}{2^{k-1}}\\ &\le\frac{(t+1)^k}{2^{k-1}}, \end{aligned}$$

ただし最後は $(t+1)^k\ge t^k+2t^{k-1}$ を用いた。よってすべての $n$ で成立する。