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}
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# Inhaltsverzeichnis
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- [Inhaltsverzeichnis](#inhaltsverzeichnis)
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- [Aussagenlogisches Rechnen](#aussagenlogisches-rechnen)
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- [Operatoren](#operatoren)
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- [Regeln](#regeln)
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- [Regeln der Doppelten Negation](#regeln-der-doppelten-negation)
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- [Absorption](#absorption)
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||
- [Kommutativität](#kommutativität)
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||
- [Assoziativität](#assoziativität)
|
||
- [Distributivität](#distributivität)
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||
- [Regeln von De Morgan](#regeln-von-de-morgan)
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||
- [Quantoren](#quantoren)
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- [Regeln](#regeln-1)
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- [Beweistechniken](#beweistechniken)
|
||
- [Beweis durch Implikation](#beweis-durch-implikation)
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||
- [Beweis durch Widerspruch](#beweis-durch-widerspruch)
|
||
- [Beweis durch (Gegen-)Beispiel](#beweis-durch-gegen-beispiel)
|
||
- [Beweis durch Kontraposition](#beweis-durch-kontraposition)
|
||
- [Beweis durch Äquivalenz](#beweis-durch-äquivalenz)
|
||
- [Wahrheitstabelle](#wahrheitstabelle)
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||
- [Normalformen](#normalformen)
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- [Negationsnormalform `NNF`](#negationsnormalform-nnf)
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||
- [Disjunktive Normalform `DNF`](#disjunktive-normalform-dnf)
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||
- [Konjunktive Normalform `KNF`](#konjunktive-normalform-knf)
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||
- [Ableitungsbaum](#ableitungsbaum)
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- [Mengen](#mengen)
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- [Syntax](#syntax)
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- [Operationen](#operationen)
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- [Subset $\subseteq$](#subset-subseteq)
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- [Vereinigung $\cup$](#vereinigung-cup)
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- [Schnittmenge $\cap$](#schnittmenge-cap)
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- [Differenz $\setminus$](#differenz-setminus)
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||
- [Komplement/Negation $\overline{A}$](#komplementnegation-overlinea)
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||
- [Symmetrische Differenz $\triangle$](#symmetrische-differenz-triangle)
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||
- [Mächtigkeit $\vert A \vert$](#mächtigkeit-vert-a-vert)
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||
- [Kartesisches Produkt $\times$](#kartesisches-produkt-times)
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||
- [Rechenregeln](#rechenregeln)
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- [Kommuntativität](#kommuntativität)
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- [Vordefinierte Mengen](#vordefinierte-mengen)
|
||
- [Potenzmenge $\mathcal{P}$](#potenzmenge-mathcalp)
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||
- [Partition](#partition)
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||
- [Unendlichkeit](#unendlichkeit)
|
||
- [Rechnen mit Unendlichkeit](#rechnen-mit-unendlichkeit)
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||
- [Relationen](#relationen)
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||
- [Äquivalenzklasse](#äquivalenzklasse)
|
||
- [Äquivalenzrelation](#äquivalenzrelation)
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||
- [Themen](#themen)
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- [Glossar](#glossar)
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# Aussagenlogisches Rechnen
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## Operatoren
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- $\neg A$
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Gesprochen: "Nicht $A$"
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- $A \wedge B$
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Gesprochen: "$A$ und $B$"
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- $A \vee B$
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Gesprochen: "$A$ oder $B$"
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- $A \Rightarrow B$
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Entspricht $\neg A \vee B$. Gesprochen: "$A$ impliziert $B$"
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- $A \Leftrightarrow B$
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Gesprochen: "$A$ äquivalent $B$"
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## Regeln
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### Regeln der Doppelten Negation
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$$\neg\neg A \Leftrightarrow A$$
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### Absorption
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$$A \wedge A \Leftrightarrow A$$
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$$A \vee A \Leftrightarrow A$$
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### Kommutativität
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Operanden können beliebig vertauscht werden:
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$$A \wedge B \Leftrightarrow B \wedge A$$
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$$A \vee B \Leftrightarrow B \vee A$$
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### Assoziativität
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**Identische** Operationen können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden:
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$$(A \wedge B) \wedge C \Leftrightarrow A \wedge (B \wedge C)$$
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$$(A \vee B) \vee C \Leftrightarrow A \vee (B \vee C)$$
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### Distributivität
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**Unterschiedliche** Operationen können "ausmultipliziert" werden:
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$$A \wedge (B \vee C) \Leftrightarrow (A \wedge B) \vee (A \wedge C)$$
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$$A \vee (B \wedge C) \Leftrightarrow (A \vee B) \wedge (A \vee C)$$
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### Regeln von De Morgan
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$$\neg(A \wedge B) \Leftrightarrow \neg A \vee \neg B$$
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$$\neg(A \vee B) \Leftrightarrow \neg A \wedge \neg B$$
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## Quantoren
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- $\forall x\, A(x)$
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Gesprochen: "Für alle $x$ gilt $A(x)$"
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- $\forall x \in M A(x)$
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Gesprochen: "Für alle $x$ aus der Menge $M$ gilt $A(x)$
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- $\exists x\, A(x)$
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Gesprochen: "Es gibt ein $x$ mit $A(x)$"
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- $\exists x \in M A(x)$
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Gesprochen: "Es gibt ein $x$ aus der Menge $M$ mit $A(x)$"
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$\forall x \forall y\, A(x,y) \Leftrightarrow \forall{x,y}\, A(x,y)$ und $\exist x \exist y\, A(x,y) \Leftrightarrow \exist{x,y}\, A(x,y)$
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> ***Hinweis:***
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> Die Bezeichnung fär die Symbole $\forall$ und $\exist$ sind _Allquantor_ und _Existenzquantor_.
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### Regeln
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- Vertauschungsregel für unbeschränkte Quantoren
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$\forall x\, A(x) \Leftrightarrow \neg\exist x\, \neg A(x)$
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- Vertauschungsregel für beschränkte Quantoren
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$\forall x \in K\, A(x) \Leftrightarrow \neg\exist x \in K \neg A(x)$
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- Beschränkter und unbeschränkter Allquantor
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$\forall x \in K A(x) \Leftrightarrow \forall x(x \in K \Rightarrow A(x))$
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- Beschränkter und unbeschränkter Existenzquantor
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$\exist x K A(x) \Leftrightarrow \exist x(x \in K \wedge A(x))$
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# Beweistechniken
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## Beweis durch Implikation
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Anwendbar bei Formeln in der Form:
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$$A \Rightarrow B$$
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1. Zwingende Voraussetzungen für die Bedingung $A$ erfassen
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2. Prüfen, ob $B$ richtig ist
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> ***Beispiel:***
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> $A$: "$x$ und $y$ sind gerade."
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> $B$: "$x \cdot y$ ist gerade."
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>
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> Damit $x$ und $y$ gerade sind, müssen sie ein Produkt von $2$ sein. Die Behauptung ist also:
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>
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> $x = 2 \cdot n_x$ und $y = 2 \cdot n_y$
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>
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> $n_x$ und $n_y$ sind hierbei **beliebige** natürliche Zahlen.
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>
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> Für den Nachweis ergibt sich folgendes für $B$:
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> $$x \cdot y = (2 \cdot n_x) \cdot (2 \cdot n_y) = 22 \cdot (n_x \cdot 2 \cdot n_y)$$
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> Da das Ergebnis ein vielfaches von $2$ ist, heisst das, dass $x \cdot y$ gerade ist und somit die Aussage $A \Rightarrow B$ wahr ist.
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## Beweis durch Widerspruch
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Anwendbar bei einfachen Aussagen.
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Der Merksatz ist hierbei: "Wenn die Aussage _nicht nicht wahr_ ist, ist sie _wahr_."
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Der Vorgang ist hierbei, die ursprüngliche Aussage zu negieren und zu beweisen, dass die negierte Aussage **unerfüllbar** ist.
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> ***Beispiel:***
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> $A$: "Es gibt keine grösste natürliche Zahl."
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> $\neg A$: "Es gibt **eine** grösste natürliche Zahl."
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>
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> $m$ sei dei grösste natürliche Zahl. Für jede natürliche Zahl $x$ gibt es ein Inkrement, welches man mit Hilfe von $x + 1$ errechnen kann. So gibt es auch für $m$ ein Inkrement $m + 1$, welches um $1$ grösser ist als $m$. Somit sit die negierte Aussage $\neg A$ **unerfüllbar**. $A$ ist wahr.
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## Beweis durch (Gegen-)Beispiel
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Anwendbar bei Aussagen mit Quantoren ($\forall$ "für alle" und $\exists$ "existiert").
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Die Strategie hierbei ist, ein anwendbares Beispiel (im Falle $\exists$) oder Gegenbeispiel (im Falle $\forall$) zu finden.
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> ***Beispiel:***
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> $A$: "Es existieren Zahlen, welche kein Quadrat einer natürlichen Zahl sind."
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>
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> Dies lässt sich an dem Beispiel $2$ beweisen. $2$ ist weder ein Quadrat von $1$ ($1^2 = 1$) noch von $2$ ($2^2 = 4)$.
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## Beweis durch Kontraposition
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Anwendbar bei Aussagen in der Form $A \Rightarrow B$
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Es gilt für diese Strategie, die dazugehörige Kontraposition $\neg B \Rightarrow \neg A$ zu belegen.
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> ***Beispiel:***
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> $A$: "Für jede natürliche Zahl $n$ gilt: $(n^2 + 1 = 1) \Rightarrow (n = 0)$
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>
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> Die Kontraposition dazu lautet wie folgt:
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> $A'$: "Für alle Zahlen, die **nicht** $0$ sind gilt $n^2 + 1 \not= 1$
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>
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> Da alle Zahlen $> 0$ ein Quadrat haben, das grösser als $0$ ist, gilt: $n^2 + 1 > 1$.
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> Daraus folgt, dass Aussage $A$ wahr ist.
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## Beweis durch Äquivalenz
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Anwendbar für Aussagen der Form $A \Leftrightarrow B$
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Die Strategie ist hierbei, zu beweisen, dass $A \Rightarrow B$ gilt und $B \Rightarrow A$ gilt.
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> ***Beispiel:***
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> $A: (n^2 + 1 = 1) \Leftrightarrow (n = 0)$
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>
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> Wenn $n = 0$ ist, ergibt sich aus $(n^2 + 1 = 1)$ folgendes: $(0^2 + 1 = 1) = (0 + 1 = 1)$. Damit ist $A \Rightarrow B$ bewiesen.
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||
>
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> Die einzige Situation in der $(n^2 + 1 = 1)$ oder eher $(n^2 = 0)$ ergibt, ist, wenn $n$ $0$ entspricht. Damit ist auch $B \Rightarrow A$ bewiesen.
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## Wahrheitstabelle
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Folgend ein Beispiel einer Wahrheitstabelle:
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| $a$ | $b$ | $c$ | $b \vee c$ | $a \Rightarrow (b \vee c)$ |
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| :---: | :---: | :---: | :--------: | :------------------------: |
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||
| $0$ | $0$ | $0$ | $0$ | $1$ |
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||
| $0$ | $0$ | $1$ | $1$ | $1$ |
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||
| $0$ | $1$ | $0$ | $1$ | $1$ |
|
||
| $0$ | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ |
|
||
| $1$ | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ |
|
||
| $1$ | $0$ | $1$ | $1$ | $1$ |
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||
| $1$ | $1$ | $0$ | $1$ | $1$ |
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| $1$ | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ |
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## Normalformen
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Normalformen beinhalten generell nur `AND`s ($\wedge$), `OR`s ($\vee$) und `NOT`s ($\neg$)
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### Negationsnormalform `NNF`
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Die Negationsnormalform (`NNF`) ist die Form einer Formel, in der nur atomare (nicht aufteilbare) Teilformeln negiert sind.
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> ***Beispiel:***
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> $$(A \wedge (\neg B \vee (C \vee D)))$$
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> Merke, dass nur $B$, welches _atomar_ ist, negiert ist.
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### Disjunktive Normalform `DNF`
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Die Disjunktive Normalform ist eine Umformung der Formel, in der alle Belegungen für die die Formel $true$ ergibt, mit einander "verodert" werden.
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> ***Beispiel:***
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> Die `DNF` für die Formel $\neg A \wedge (B \vee C)$ lautet folgendermassen:
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>
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> $$(\neg A \wedge \neg B \wedge C) \vee (\neg A \wedge B \wedge \neg C) \vee (\neg A \wedge B \wedge C)$$
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||
>
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||
> ***Herleitung:***
|
||
> Schritt 1: Wahrheitstabelle aufstellen:
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> | $A$ | $B$ | $C$ | $B \vee C$ | $\neg A \wedge (B \vee C)$ |
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||
> | :---: | :---: | :---: | :--------: | :------------------------: |
|
||
> | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ |
|
||
> | $0$ | $0$ | $1$ | $1$ | $1$ |
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||
> | $0$ | $1$ | $0$ | $1$ | $1$ |
|
||
> | $0$ | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ |
|
||
> | $1$ | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ |
|
||
> | $1$ | $0$ | $1$ | $1$ | $0$ |
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||
> | $1$ | $1$ | $0$ | $1$ | $0$ |
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||
> | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ | $0$ |
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||
>
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> Schritt 2: $1$-Stellen aufschreiben:
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> - $\neg A \wedge \neg B \wedge C$
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> - $\neg A \wedge B \wedge \neg C$
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||
> - $\neg A \wedge B \wedge C$
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||
>
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> Schritt 3: Formeln für $1$-Stellen "verodern":
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> $$(\neg A \wedge \neg B \wedge C) \vee (\neg A \wedge B \wedge \neg C) \vee (\neg A \wedge B \wedge C)$$
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### Konjunktive Normalform `KNF`
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Bei der Konjunktiven Normalform wiederum, werden alle negierten Belegungen, in denen die gegebene Formel $false$ ergibt miteinander "geandet".
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> ***Beispiel:***
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> Der `KNF` von $B \vee (A \wedge C)$ ist:
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||
> $$(A \vee B \vee C) \wedge (A \vee B \vee \neg C) \wedge (\neg A \vee B \vee C)$$
|
||
>
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||
> ***Herleitung:***
|
||
> Schritt 1: Wahrheitstabelle aufstellen:
|
||
> | $A$ | $B$ | $C$ | $A \vee C$ | $B \vee (A \wedge C)$ |
|
||
> | :---: | :---: | :---: | :--------: | :-------------------: |
|
||
> | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ |
|
||
> | $0$ | $0$ | $1$ | $0$ | $0$ |
|
||
> | $0$ | $1$ | $0$ | $0$ | $1$ |
|
||
> | $0$ | $1$ | $1$ | $0$ | $1$ |
|
||
> | $1$ | $0$ | $0$ | $0$ | $0$ |
|
||
> | $1$ | $0$ | $1$ | $1$ | $1$ |
|
||
> | $1$ | $1$ | $0$ | $0$ | $1$ |
|
||
> | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ | $1$ |
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||
>
|
||
> Schritt 2: $0$-Stellen aufschreiben **und negieren**:
|
||
> - $\neg A \wedge \neg B \wedge \neg C$
|
||
> Negation: $A \vee B \vee C$
|
||
> - $\neg A \wedge \neg B \wedge C$
|
||
> Negation: $A \vee B \vee \neg C$
|
||
> - $A \wedge \neg B \wedge \neg C$
|
||
> Negation: $\neg A \vee B \vee C$
|
||
>
|
||
> Schritt 3: Negierte Ausdrücke mit `AND`s verketten:
|
||
> $$(A \vee B \vee C) \wedge (A \vee B \vee \neg C) \wedge (\neg A \vee B \vee C)$$
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## Ableitungsbaum
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Der Ableitungsbaum bietet einen übersichtlichen Weg um Gleichungen in der Aussagenlogik zu lösen.
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Folgend ein Beispiel:
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Es sei $(x \Rightarrow y) \wedge z$ mit folgender Belegung:
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- $B(x) = \top$
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- $B(y) = \bot$
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||
- $B(z) = \top$
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Der dazugehörige Ableitungsbaum ist dann:
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```mermaid
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flowchart BT
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op3(("∧: 0"))
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||
op2(("∨: 0"))
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||
op1(("¬: 0"))
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x["x: 1"]
|
||
y["y: 0"]
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||
z["z: 1"]
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x --- op1
|
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op1 --- op2
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||
y --- op2
|
||
op2 --- op3
|
||
z --- op3
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||
```
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# Mengen
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||
Mengen haben keine Sortierung und keine doppelten Elemente.
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> ***Hinweise:***
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> - Mengen heissen "disjunkt", wenn sie **keine gemeinsamen** Elemente beinhalten.
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## Syntax
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$M = \{ x \in \N | x > 5\}$
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- $\in$
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||
Gesprochen: "Element von"
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||
- $\notin$
|
||
Gesprochen: "Nicht Element von"
|
||
- $|$
|
||
Gesprochen: "Für die gilt"
|
||
|
||
"$M$ ist die Menge aller $x$, für die gilt, dass $x > 5$ ist."
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||
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||
$M = { 5, 6, 7, 8, ... }$
|
||
|
||
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## Operationen
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### Subset $\subseteq$
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||
### Vereinigung $\cup$
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||
Die Vereinigung "Union" beschreibt die Zusammenfassung zweier Mengen:
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||
### Schnittmenge $\cap$
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||
Die Schnittmenge "Intersection" zweier Mengen:
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||
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||
### Differenz $\setminus$
|
||
Beschreibt die Differenzmenge zweier Mengen:
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||
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||
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|
||
$A \setminus B$ gesprochen: "$A$ ohne $B$"
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||
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||
### Komplement/Negation $\overline{A}$
|
||
Das Komplement einer Menge $A$ wird wie folgt geschrieben:
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||
$$\overline{A}$$
|
||
|
||
Sie beschreibt alle Elemente, die _nicht_ in der Menge $A$ vorkommen:
|
||
|
||
|
||
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||
### Symmetrische Differenz $\triangle$
|
||
Die Vereinigung zweier Mengen abzüglich deren Schnittmenge:
|
||
|
||
|
||
|
||
$A \triangle B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$ gesprochen "$A$ ohne $B$ vereinigt mit $B$ ohne $A$"
|
||
|
||
### Mächtigkeit $\vert A \vert$
|
||
Die Mächtigkeit $\vert A \vert$ beschreibt, wieviele Elemente eine Menge $A$ beinhaltet.
|
||
|
||
> ***Beispiel:***
|
||
> $\vert \{1, 78, 28\} \vert = 3$
|
||
|
||
### Kartesisches Produkt $\times$
|
||
Das Kartesische Produkt ist eine Menge aller Folgen, die aus den Elementen der beiden Mengen gebildet werden können.
|
||
|
||
Beispiel:
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||
$$A = \{a, b\}$$
|
||
$$B = \{2, 3, 4\}$$
|
||
$$A \times B = \{a, b\} \times \{2, 3, 4\} = \{(a, 2), (a, 3), (a, 4), (b, 2), (b, 3), (b, 4)\}$$
|
||
|
||
Die Mächtigkeit von $A \times B$ ist gleich $\vert A \vert \cdot \vert B \vert$
|
||
|
||
> ***Hinweis:***
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||
> **Folgen** sind sortiert das bedeutet folgendes:
|
||
> $$A \times B \not = B \times A$$
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||
## Rechenregeln
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### Kommuntativität
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## Vordefinierte Mengen
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||
- $\N$: Natürliche Zahlen - Zahlen $\geq 0$
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||
- $\Z$: Alle ganzen Zahlen (positiv und negativ)
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||
|
||
## Potenzmenge $\mathcal{P}$
|
||
Die Potenzmenge gibt alle möglichen Kombinationen aus einer gegebenen Menge zurück. Die Funktion $\mathcal{P}(x)$ ist folgendermassen definiert:
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||
|
||
$$\mathcal{P}(A) := \{x | x \subseteq A \}$$
|
||
|
||
> ***Beispiel:***
|
||
> $$\mathcal{P}(\{0, 1\}) = \{\emptyset, \{0\}, \{1\}, \{0, 1\}\}$$
|
||
|
||
> ***Bemerkung:***
|
||
> Die Mächtigkeit einer Potenzmenge errechnet sich folgendermassen:
|
||
> $$|\mathcal{P}(A)| = 2^{|A|}$$
|
||
|
||
## Partition
|
||
Eine Partition einer Menge $A$ ist eine Menge von Teilmengen von $A$.
|
||
|
||
Diese Teilmengen müssen folgende Bedingungen erfüllen:
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||
- Die Mengen dürfen nicht leer sein
|
||
- Teilmengen dürfen untereinander keine gemeinsamen Elemente haben
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||
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||
## Unendlichkeit
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||
Unendliche Mengen sind unter folgenden Bedingungen abzählbar oder überabzählbar:
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||
|
||
- Abzählbar unendlich, wenn sie gleich mächtig wie $\N$ sind
|
||
- Überabzählbar unendlich, wenn sie mächtiger als $\N$ sind
|
||
|
||
### Rechnen mit Unendlichkeit
|
||
$A$ sei eine abzählbar unendliche und $B$ eine überabzählbar unendliche Menge:
|
||
|
||
- $A \cup B$ ist **abzählbar**, da im Ergebnis nur Elemente aus der abzählbaren Menge $A$ enthalten sind.
|
||
- $A \cap B$ ist **überabzählbar**, da alle Elemente der überabzählbaren Menge $B$ im Ergebnis enthalten sind
|
||
- $B \setminus A$ ist **überabzählbar**, da von der überabzählbaren Menge $B$ nur die abzählbaren Elemente abgezogen werden.
|
||
|
||
# Relationen
|
||
DAG ("discrete acyclic graph") ein "gerichteter azyklischer Graph" ist ein Graph, in dem keine Zyklen enthalten sind:
|
||
|
||
Folgendes ist ein DAG:
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||
|
||
```mermaid
|
||
flowchart LR
|
||
a((A))
|
||
b((B))
|
||
c((C))
|
||
d((D))
|
||
e((E))
|
||
f((F))
|
||
g((G))
|
||
a --> b
|
||
b --> c
|
||
c --> e
|
||
b --> e
|
||
b --> d
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g --> d
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d --> e
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e --> f
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```
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Folgendes ist **kein** DAG:
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```mermaid
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flowchart LR
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a((A))
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b((B))
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c((C))
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d((D))
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e((E))
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f((F))
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a --> b
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b --> c
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d --> b
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c --> e
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e --> f
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e --> d
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```
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## Äquivalenzklasse
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Eine Äquivalenzklasse beinhaltet alle Elemente, welche einer Klasse zugeordnet werden können
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## Äquivalenzrelation
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# Themen
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- Chinesischer Restsatz
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- Euklidischer Algorithmus (ggt, kgv berechnen)
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# Glossar
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| Bezeichnung | Beschreibung |
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| Knotenmenge | Die Menge aller Elemente (Knoten), die in einem Graphen vorkommen. |
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| Wahrheits-Konstanten | $\top$ steht für `true`, $\bot$ für `false`. |