Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Экзамен по Проценко.docx
Скачиваний:
27
Добавлен:
06.03.2016
Размер:
312.88 Кб
Скачать

Современное развитие

В начале XX века начала развиваться комбинаторная геометрия: были доказаны теоремы Минковского — Радона, Радона, Хелли, Юнга, Бляшке, а также строго доказанаизопериметрическая теорема. На стыке топологии, анализа и комбинаторики были доказаны теоремы Борсука — Улама и Люстерника — Шнирельмана. Во второй четверти XX века были поставлены проблема Борсука и проблема Нелсона — Эрдёша — Хадвигера. В 1940-х годах оформилась теория Рамсея. Отцом современной комбинаторики считается Пал Эрдёш, который ввёл в комбинаторику вероятностный анализ. Внимание к конечной математике и, в частности, к комбинаторике значительно повысилось со второй половины XX века, когда появились компьютеры. Сейчас это чрезвычайно содержательная и быстроразвивающаяся область математики.

2вопрос Операции над множествами. Суммой или объединением множеств иназывают множествоС, содержащее все те и только те элементы, которые принадлежат либо множеству А, либо множеству .Обозначают:C=A B.Операцию нахождения объединения называют сложением множеств.

Множество , которому принадлежат те и только те элементы, которые являются как элементами множества, так и элементами множества, называют пересечением множеств и.

Обозначают: C=A B.

Разностью множеств иназывают множество, содержащее те и только те элементы, которые принадлежат множествуи не принадлежат множеству.

Обозначают \.

Операцию нахождения разности множеств называют вычитанием множеств. Вычитание множеств не коммутативно и не ассоциативно, то есть, существуют множества ,итакие, что

\ В \ и \ (\С)(\) \С.

Теорема 3. Число элементов в объединении двух произвольных конечных множеств равно сумме чисел элементов в каждом из них, уменьшенной на число элементов в пересечении данных множеств, то есть n (A B) = n (A) + n (B) – n (A B).

 Докажем сначала, что для произвольных множеств A и B выполняется равенство A B=A (B \ A) (*).

Пусть x произвольный элемент множества A (B \ A). Тогда, по определению объединения, xA или x(B \ A). Применяя определение разности множеств, получим x A (xB xA). Отсюда, по дистрибутивности дизъюнкции относительно конъюнкции, имеем ( xA xB ) (xA xA ). Так как последнее выражение в скобках является тождественно истинным, то xAxB. Откуда по определению объединения получаем xA B. Таким образом, A (B \ A)A B.

Аналогично доказывается включение A B A (B \ A) и по теореме 1 равенство (*) доказано.

Теорема 2. Число элементов в объединении двух непересекающихся множеств равно сумме чисел элементов в каждом из них, то есть, если п(A)=a, n (B)=b и A B=, то n (A B)=a+b.

Замечание. Данное утверждение справедливо для любого конечного числа попарно непересекающихся конечных множеств.

n(A)=a(i=), AA=, ij (i,j=) n( A) =a.

Лемма 3. Для любых множеств А и В справедливо равенство:

n (B \ A) = n (B) – n (A B). (3)

 Согласно лемме 1 B=(AB)(B \ A). Следовательно, n(B)=n((A B)(B \ A)). По лемме 2 (A B)(B \ A)=. Следовательно, по теореме 1, имеем n(B)=n(A B)+n(B \ A).

Декартовым произведением множеств А и В называют множество АВ, состоящее из всех тех и только тех упорядоченных пар, в которых первая компонента является элементом множества А, а вторая – элементом множества В.

Операцию нахождения декартова произведения множеств называют умножением множеств.

Отсюда, n(B \ A)=n(B)–n(A B). Лемма 3 доказана.

Теорема 4. Число элементов в декартовом произведении двух произвольных конечных множеств равно произведению чисел элементов в каждом из них, то есть n (AB)=n (A) ∙ n (B).

 Рассмотрим произвольные конечные множества А и В.

Пусть n(A)=k, n(B)=l. Без ограничения общности рассуждений можно считать, что А={х, х, … , х} и В={y,y, … ,y}.

Запишем элементы А В в виде таблицы:

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y)

(x; y).

В этой таблице k строк и l столбцов. Следовательно, в ней содержится k l элементов.

Таким образом, n(AB)=n(A) ∙ n(B). Теорема доказана.

3 вопрос Правило суммы Если объект а можно выбрать m способами, а объект b можно выбрать k способами, отличными от способа выбора объекта a, то выбор «либо a, либо b» можно осуществить m+k способами.

Пример: Так как имеется 20 видов молочного шоколада с орехами «ALPEN GOLD», то существует 20 способов выбрать одну из плиток шоколада. Аналогично существует 14 способов выбора одной плитки шоколада «ВОЗДУШНЫЙ». Так как требуется выбрать шоколад «либо с орехами, либо пористый», то по правилу суммы получаем (20+14=34) тридцать четыре способа выбора одной плитки шоколада.

Правило произведения Если объект а можно выбрать n способами, а объект b можно выбрать m способами, то выбор «и a, и b» можно осуществить nm способами.

Пример: Так как существует 9 способов выбора книг по художественной литературе и 5 способов выбора блокнотов, то по правилу произведения «выбор книги и блокнота» («и a, и b») можно осуществить (9∙5=45) сорока пятью способами.

Ответ: 45 способов.

4 вопрос Факториал – это функция, определённая на множестве целых неотрицательных чисел , значение которой равно произведению целых неотрицательных чисел от 1 до данного числаn, то есть 1∙2∙3∙ …∙n; Обозначают символом n!.

По определению 0! = 1, 1! = 1.Обозначение n! впервые использовал французский математик Христиан Крамп (1760 – 1826 гг.) в 1808 году.

Перестановки без повторений. Определение. Упорядоченные подмножества длины n, составленные из элементов n-элементного множества, называют перестановками без повторений.

Число всех таких перестановок обозначают символом Р.

Теорема 6. Число различных перестановок из n элементов равно произведению последовательных натуральных чисел от 1 до n включительно, то есть Р=1 ∙2 ∙ 3 ∙ … ∙n=n!

При упорядочении n – элементного множества, какой-то элемент получит номер 1, какой-то номер 2 и так далее, какой-то из элементов получит номер n. Номер 1 может получить любой из элементов множества. Значит, выбор первого элемента можно осуществить n способами. Вторым может быть любой из оставшихся элементов, а значит, его можно выбрать (n – 1) способами. Третий элемент можно выбрать (n – 2) способами и т.д. Наконец, предпоследний можно выбрать двумя способами, а последний элемент только одним способом. По правилу произведения получаем, что общее число всевозможных перестановок из n элементов определяется по формуле: Р=n ∙ (n – 1) ∙ (n – 2) ∙ … ∙ 2 ∙ 1=n!..Теорема 6 доказана.

Задача 1. Сколько слов (не обязательно имеющих смысл) можно получить из букв слова «апельсин»?Р8=8!=1  2  3  4  5  6  7  8=40320 (перестановок).

5 вопрос Размещения без повторений. Определение. Всякое упорядоченное k – элементное подмножество n – элементного множества (kn) называют размещением из n элементов по k элементов.

Число различных размещений из n элементов по k элементов обозначают символом А.

Теорема 7. Число различных размещений из n элементов по k равно произведению k последовательных натуральных чисел, наибольшим из которых является n, то есть

А=n ∙ (n – 1) ∙ (n – 2) ∙ … ∙ (nk + 1) или .

Так же как при доказательстве теоремы 4 замечаем, что на первое место в упорядоченном k – элементном подмножестве n – элементного множества можно поставить любой из n элементов.

На второе место элемент можно выбрать (n–1) способами, на третье – (n–2) способами и так далее. На последнее k-ое место можно поставить любой из оставшихся n–(k–1)=nk+1 элементов.

По правилу произведения имеем:

А=n ∙ (n – 1) ∙ (n – 2) ∙ … ∙ (nk + 1).

Последнюю формулу можно записать иначе. Умножим и разделим правую часть равенства на 1 ∙ 2 ∙ 3 ∙ … ∙ (nk), тогда

= ==.доказана.

Задача 1. Сколькими способами можно распределить 5 путёвок в различные дома отдыха, если отдохнуть желают двенадцать человек?

Решение. Так как из 12 человек надо выбрать 5, а затем распределить между ними различные путёвки, то искомое число способов определяется по формуле: А = .

А===8 ∙ 9 ∙ 10 ∙ 11 ∙ 12=95 040 (способов).

Ответ: 95 040 способов.

6 вопрос Сочетания без повторений. Определение. Всякое k-элементное подмножество n-элементного множества (kn) называют сочетанием без повторений из n элементов по k.

Число различных сочетаний из n элементов по k обозначают символом C.

Теорема 8. Число сочетаний из n элементов по k элементов определяется по формуле: C=.

 Формула для числа сочетаний легко получается из формул для числа размещений и числа перестановок. Действительно, составив сначала все сочетания из n элементов по k, а затем, переставив всеми возможными способами элементы, входящие в каждое сочетание, получим все размещения из n–элементов по k–элементов. Но из каждого такого сочетания можно составить k! перестановок. То есть справедлива формула:

k! C=A C==.Теорема 8 доказана.

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

д) Правило симметрии.

Если 0 k n, то верно равенство: C=C.

 Известно, что C=.

Найдём C===.

Следовательно, C=C.

Утверждение доказано.

е) Для k,n: 0k n, верно равенство:

(n + 1) C=(k + 1) C.

(n + 1) C==;

(k + 1)C==== =.

Следовательно, (n + 1) C=(k + 1) C.

Утверждение доказано.

ж) Правило Паскаля.

k, n: 0 k n верно равенство: C=C + C.

Найдем C:

C===;

Найдем C: C===.

Найдём C + C:

C + C=+==

= ==C.

7 вопрос Перестановки с повторениями

Определение. Перестановкой с повторениями из m элементов состава k1, k2,…,km называют кортеж длины суммы k1+k2+…+km, где k1 – число повторений одного элемента множества, k2 – число повторений другого элемента множества и т.д., km – количество повторений оставшегося элемента множества.

Обозначают: .

Теорема 10. Число различных перестановок с повторениями данного состава (n1, n, ..., n) вычисляют по формуле

, где n =n1 +n+...+ nт.

 Рассмотрим одну перестановку и заменим в ней все одинаковые элементы разными. Тогда число различных перестановок, которые можно составить из рассматриваемой нами перестановки, по правилу произведения равно n1, n, ..., n. Проделав это для каждой перестановки, получим n! перестановок.

Следовательно, ∙n1!∙n2∙…∙nm! = n!.

Теорема доказана.

Задача. Сколькими способами можно расставить белые фигуры: 2 коня, 2 слона, 2 ладьи, ферзя и короля на первой линии шахматной доски?

Решение. В этой задаче надо найти число кортежей длины 8, имеющих заданный состав (2, 2, 2, 1, 1). Число таких кортежей, то есть перестановок с повторениями, равно 5040.

.

Ответ: 5 040 способами.

8 вопрос Определение. Размещением с повторениями из k элементов по m элементов называют кортеж, составленный из m элементов k-элементного множества. Число всевозможных размещений с повторениями из k элементов по m элементов обозначают .

Теорема 7. Число всевозможных размещений с повторениями из k элементов по m элементов подсчитывают по формуле: .

 Доказательство проведем методом математической индукции по k, где kчисло элементов в размещении при фиксированном значении т. Прежде всего заметим, что размещения с повторениями по k элементов могут быть получены из размещений по (k–1) элементу присоединением еще одного элемента. Так как к каждому размещению по (k–1) элементу можно присоединить любой из имеющихся т элементов, то каждое размещение по (k–1) элементу порождает т различных размещений по k элементов, то есть .

1. При k = 1 каждое размещение состоит только из одного элемента, а число элементов равно т, значит, и число размещений равно т. Итак, , что соответствует формуле.

2. Допустим, что для некоторого числа k равенство справедливо.

3. Найдем число размещений с повторениями из т элементов по k + 1. Пользуясь формулой ,

получаем: =т∙m=m.

Таким образом, доказываемая формула справедлива для k=1 и из ее справедливости для некоторого k следует и справедливость для (k+1). Теорема. доказана.

Задача. Сколько различных трехзначных чисел можно составить из цифр 1, 2, 3, 4, 5?

Решение. Так как порядок следования цифр в числе существенен, цифры могут повторяться, то это размещения с повторениями из 5 элементов по 3, а их число равно (чисел).

Ответ: 125 чисел.

9 вопрос Определение. Набор из к элементов, составленный из повторяющихся элементов m элементного множества, называют сочетанием с повторениями из m по к.

Сочетание с повторениями из m элементов по к обозначают символом .

Теорема 9. Число всевозможных сочетаний с повторениями из к элементов по m элементов подсчитывают по формуле:

.

 Фактически нам надо выяснить, сколько различных составов могут иметь кортежи длины к из m элементов. Любой состав кортежа длины к из т элементов имеет вид (к1, к 2, к3,... ,кт), где к1, к2, ..., кmнеотрицательные целые числа, сумма которых равна к. Заменяя каждое из чисел кj (1<j<к) соответствующим количеством единиц и разделяя нулями единицы, отвечающие различным числам, получаем кортеж из (т –1) нулей и к единиц. При этом каждому составу отвечает одна и только одна запись с помощью нулей и единиц, а каждая такая запись задает один и только один состав. Поэтому число различных составов равно числу перестановок с повторениями из (т –1) нулей и к единиц, то есть

=Р(т–1,к)=.

Теорема доказана.

Задача. В кондитерском магазине продавались четыре сорта пирожных: эклеры, песочные, наполеоны и слоеные. Сколькими способами можно купить 7 пирожных?

Решение. Покупка не зависит от того, в каком порядке укладывают купленные пирожные в коробку. Покупки будут различными, если они отличаются количеством купленных пирожных хотя бы одного сорта. Следовательно, количество различных покупок равно числу сочетаний четырех видов пирожных по семь.

(способов)

Ответ: 120 способов.

10 вопрос Треугольник Паскаля является, пожалуй, одной из наиболее известных и изящных числовых схем во всей математике. Блез Паскаль, французский математик и философ, посвятил ей специальный «Трактат об арифметическом треугольнике». Впрочем, эта треугольная таблица была известна задолго до 1665 года – даты выхода в свет трактата.

В треугольнике Паскаля прослеживаются следующие закономерности.

1. Члены всякой строки треугольника Паскаля сначала возрастают (до середины строки), а затем − убывают.

Например, 1<4<6, 6>4>1 (четвертая строка); 1<5<10, 10>5>1 (пятая строка).

2. Всякая строка треугольника Паскаля симметрична относительно своей середины (то есть члены всякой строки треугольника Паскаля, равноудаленные от ее краев, равны между собой).

Формально это свойство записывается в виде упоминавшегося нами равенства .

3. Сумма членов n-й строки треугольника Паскаля равна 2.

То есть . Это можно рассматривать как следствие формулы бинома Ньютона, если положить. Важно, однако, разобраться в теоретико-множественной интерпретации данного свойства. Число равно количеству m-элементных подмножеств n-элементного множества. Поэтому левую часть формулы бинома Ньютона можно рассматривать как число всех подмножеств n-элементного множества (включая пустое подмножество и само n-элементное множество).

4. Всякое непустое множество имеет столько подмножеств с четным числом элементов, сколько и подмножеств с нечетным числом элементов; иными словами, при n≤1

C + C + C + …=C + C + C + …

Данное соотношение получается применением формулы бинома Ньютона к левой части тождества (1 – 1)п=0.

С помощью утверждения 3 можно конкретизировать:

C + C + C + … = C + C + C + …=2.

5. Крайние члены треугольника Паскаля равны 1. Каждый же из остальных членов равен сумме двух смежных с ним членов, стоящих в предыдущей строке.

Например (см. строку с номером п=4),

4=1 + 3; 6=3 + 3; 4=3 + 1.

В общем случае (при 1≤m≤п) C=C + C.

6. .

Это получается при .

7. .

Получается применением формул и.

Пример. Разложить по формуле бинома Ньютона двучлен

Решение.