Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
DM_6.pdf
Скачиваний:
158
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1.16 Mб
Скачать

элементных подмножеств, т.е. Cnr . Определим количество подмножеств

первого типа, которые содержат выделенный элемент. Поскольку элемент уже выбран, то надо выбрать r-1 объект из n-1 элемента множества, т.е. всего

способов Cnr11 . Рассмотрим подмножества, которые не содержат выделенный

элемент. По-прежнему требуется выбрать r объектов, но теперь из n – 1 объектов, учитывая, что один элемент не может быть выбран. Таким образом,

существуют Cnr1 способов сделать такой выбор. Складывая количество способов выбора в обоих случаях, получаем Cnr =Cnr11 + Cnr1 .

Заметим, что доказать эту теорему можно также методом математической индукции.

Теорема Вандермонда. Пусть m,n,r – положительные целые числа такие, что r min(m,n). Тогда

r

Cmr +n = Cmk Cnrk k =0

Доказательство. Cmr +n – это число способов выбрать r предметов из m+n

предметов. Предметы можно выбирать в два приема: сначала выбрать k предметов из первых m предметов, а затем выбрать недостающие r-k

предметов из оставшихся n предметов. Всего для этого существует Cmk Cnrk способов. Отсюда общее число способов выбрать r предметов составляет

r

 

Cmk

Cnrk .

k =0

 

6.4 Принцип включений – исключений.

Поставим задачу подсчитать количество элементов в объединении нескольких множеств. Для двух множеств мы имели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 U A2

 

=

 

A1

 

+

 

 

 

 

 

A2

 

 

 

A1 I A2

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим теперь объединение трех множеств. Обозначим

A1 U A2 = A и

применим предыдущую формулу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 U A2

U A3

 

=

 

A U A3

 

=

 

A

 

+

 

 

 

A3

 

 

 

 

A I A3

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

A1 U A2

 

+

 

 

A3

 

 

(A1 U

 

A2

 

)I A3

 

=

 

 

 

A1 U A2

 

+

 

A3

 

 

A1 I A3 U A2 I A3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя к

 

A1 U A2

 

 

и

 

A1 I A3 U A2 I A3

 

 

формулу для двух множеств,

 

 

 

 

 

приходим к следующему соотношению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 U A2 U A3 = A1 + A2 + A3 A1 I A2 A1 I A3 A2 I A3 + A1 I A2 I A3

Переходя к n (n>2) множествам A1,A2,…,An с использованием индуктивных соображений можно получить формулу

n

n

 

 

 

 

 

UAi

=

 

Ai

 

Ai I Aj

+

Ai I Aj I Ak

... +

 

 

i=1

i=1

 

 

 

 

1i< jn

 

1i< j<kn

 

 

21

+ (1)p+1

 

Ai

I Ai

I... I Ai

p

 

+... + (1)n+1

 

A1 I A2 I... I An

 

, (2)

 

 

 

 

 

 

1i1<i2 <...<ip n

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которая в словесной формулировке выглядит так:

чтобы найти количество элементов в объединении множеств, нужно сложить количества элементов в каждом множестве, затем вычесть количество элементов во всевозможных попарных пересечениях, прибавить количество элементов во всевозможных пересечениях по три и т.д.

Для доказательства формулы (2) необходимо показать, что в правой части каждый элемент множества A1 U A2 U... U An подсчитан и учтен ровно

один раз. Предположим, что элемент а принадлежит в точности р

 

 

 

 

n

 

 

множествам из набора А123,...,Аn. В сумме

Ai

элемент а учтен р

раз. В сумме

 

Ai I Aj

 

i=1

 

 

 

 

элемент а учтен всякий раз,

когда выбраны два

 

 

1i< jn

 

 

 

 

 

множества, содержащие элемент а. Существуют Cp2 способов выбрать такие

два множества.

Следовательно,

 

в сумме

 

Ai I Aj

 

элемент а учтен Cp2

 

 

 

 

Ai I Aj I Ak

 

1i< jn

 

 

 

 

 

 

 

 

раз. В сумме

 

 

элемент а учтен всякий раз, когда выбраны

 

 

1i< j<kn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cp3 способов выбрать

три множества,

содержащие элемент а. Существуют

 

 

такие три множества. Следовательно, в сумме

 

 

 

Ai I Aj I Ak

 

элемент а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1i< j<kn

 

 

 

 

 

 

 

учтен C3p раз. В сумме элементов всех возможных пересечений r множеств, где r p , элемент a учтен Cpr раз. Следовательно, в правой части формулы

(2) элемент а учтен p Cp2 + C3p ... + (1)i+1 Cip +... + (1)p+1 раз. Но

1 C1p + Cp2 C3p ... + (1)i Cip +... + (1)p Cpp = (1 1)p = 0

Поэтому

1 =C1p Cp2 + C3p ... + (1)i+1 Cip +... + (1)p+1

и получаем, что элемент a учтен в точности один раз.

На основании этой теоремы докажем утверждение, известное как

Теорема о включении – исключении. Пусть А123,...,Аn — набор

конечных множеств. Количество элементов множества A1 I A2 I... I An определяется формулой

22

Доказательство. Из теории множеств известно, что

A1 I A2 I ... I An = A1 U A2 U ... U An = U \ (A1 U A2 U ... U A )

Это легко видеть, например, из диаграммы Эйлера

так что имеем соотношение

 

 

A1

I

A2

I... I

An

 

=

 

U

 

 

 

A1 U A2 U... U An

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заменяя в этом равенстве число

 

A1 U A2

U... U An

 

его представлением по

 

 

формуле (2), получаем требуемый результат.

Название этой теоремы подчеркивает использование последовательных включений и исключений элементов подмножеств. Формулы (2) или (3) называются формулами включения – исключения, а метод решения комбинаторных задач с их использованием называется методом включения – исключения. Этот метод обобщает правило суммы, которое было рассмотрено нами вначале темы «комбинаторика»

Пример. Рассмотрим слова длины n в алфавите {0,1,2}. Сколько имеется слов, в которых встречаются все три цифры?

Обозначим Ai множество всех слов длины n, в которых не встречается

цифра i, i=0,1,2.

 

Тогда

 

A

 

=

 

A

 

=

 

 

A

 

= 2n .

 

Кроме

того,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

A0 I A1

 

=

 

 

A0 I A2

 

=

 

A1 I A2

 

=1.

 

Наконец,

 

 

A0 I A1 I A3

 

= 0. В множество

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A0 U A1 U A3

входят слова, в которых отсутствует хотя бы одна цифра. По

принципу включений – исключений (формула (2))

 

 

 

Следовательно, число слов, в которых присутствуют все три цифры, равно

3n 3 (2n 1).

Иногда удобно формулу из теоремы включений и исключений трактовать в другом виде. Пусть подмножество Хi определяется наличием некоторого

свойства

Рi

у элементов

множества U.

Тогда подмножество

X = X1 U X 2 U... U X m

объединяет элементы из U, которые обладают хотя бы

одним из

свойств Pi. Дополнение

 

X

составляют

элементы, которые не

обладают

ни

одним

из свойств Рi,i=1,2,…,m. Пересечения вида

23

X = X i

I X i

I... I X i

объединяют элементы, обладающие одновременно

 

1

 

2

k

 

 

свойствами

 

Pi1 , Pi2 ,..., Pik

. Если обозначить число элементов в U через

|U| = n,

число элементов,

обладающих одновременно набором свойств

Pi

, Pi ,..., Pi

, через N (Pi , Pi ,..., Pi ), то для числа элементов, не обладающих ни

1

2

k

 

1

2

k

одним из свойств Рi,i=1,2,…,m, имеем формулу

Пример. Сколько натуральных чисел из первых 100 не делятся одновременно на 2, 3 и 5? Обозначим число натуральных чисел из первых

100,

делящихся

на два

через

N(P2). Это

число

легко найти:

N (P2 )=[100 / 2]=50 . Здесь квадратные скобки обозначают наибольшее целое

число,

не превосходящее

данное. Аналогично N (P3 )=[100 / 3]=33 ,

N (P5 )=[100 / 5]= 20 .

Далее

число

натуральных

чисел из

первых 100,

делящихся одновременно на 2 и 3, т. е. на наименьшее их кратное 6, равно

N (P2 , P3 )=[100 / 6]=16 .

Аналогично получим

N (P2 , P5 )=[100 /10]=10 ,

N (P3 , P5 )=[100 /15]= 6 .

Наконец, число всех натуральных чисел из первых

100, делящихся одновременно на 2, 3 и 5, равно

N (P2 , P3 , P5 )=[100 / 30]= 3 .

Теперь, применяя формулу включений и исключений, получим

Пример. В группе 23 студента. Из них 18 знают английский язык, 9 — немецкий и 6 — оба языка. Сколько студентов в группе не знают ни одного языка? Сколько студентов знают только один язык?

Решение. Пусть S— множество всех студентов, |S| = 23. Назначим свойства элементам s S : Р1 — знание английского языка, Р2 — знание немецкого языка. N(0) — количество студентов, не знающих языков (не обладают свойствами), N(1) — количество студентов, знающих только один язык.

Тогда N (0)= 23 N (P1 )N (P2 )+ N (P1 P2 )= 23 18 9 + 6 = 2

N (1)= (N (P1 )N (P1 P2 ))+ (N (P2 )N (P1 P2 ))=18 6 + 9 6 =15

Пример (задача о беспорядках). Перестановка a1a2…an чисел 1,2,…,n называется беспорядком, если ai i для всех i = 1, 2, …, n. Таким образом,

беспорядок – это перестановка, в которой ни один элемент не занимает «своего» места. Задача о беспорядках состоит в том, чтобы подсчитать число Dn перестановок – беспорядков. Например, D2=1 – два числа {1,2} образуют только один беспорядок (2,1). D3=2, поскольку беспорядками из трех чисел

24

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]