- •А.А. Хусаинов н.Н. Михайлова дискретная математика
- •Введение
- •1. Множества и отношения
- •1.1. Способы задания множеств
- •1.2. Операции и их свойства
- •Предложение. Пусть u – множество. Тогда для любых его подмножеств a, b и c верны равенства:
- •1.3. Решение уравнений с неизвестным множеством
- •1.4. Перечисление подмножеств
- •1.5. Отношения и функции
- •Операции над бинарными отношениями. Бинарным отношением между элементами множеств a и b называется произвольное подмножество r ab. Запись aRb (при a a, b b ) означает, что (a,b) r .
- •Обозначим IdA через Id. Легко видеть, что имеет место следующее
- •Нижняя грань обозначается через . Двойственно, как наименьший элемент множества , определяетсяверхняя грань .
- •Лемма 1. Если конечное частично упорядоченное множество (X,) является нижней полурешеткой и имеет наибольший элемент, то оно будет решеткой.
- •Теорема 1. Пусть X – конечное множество. Множество отношений эквивалентности на X с отношением включения является решеткой.
- •1.7. Математическое моделирование баз данных
- •Определение 1. (1nf) Файл находится в первой нормальной форме, если для него задано некоторое положительное целое число n и последовательность множеств (a1, , An) таких, что
- •Определение 2.
- •Определение 3. (2nf) Файл с первичным ключом находится во второй нормальной форме, если он находится в первой нормальной форме, и для любого атрибут Ak функционально полно зависит от атрибутов .
- •Третья нормальная форма
- •2. Комбинаторика
- •2.1. Размещения
- •2.2. Сочетания
- •Теорема 2. Число сочетаний из n по k равно .
- •Пример 2. Число неубывающих сюръекций n 1 равно .
- •Лемма 1. Пусть - число сочетаний с повторениями изn по k. Тогда равно числу неубывающих функций{1,2, , n-1} {0,1,2, , n}
- •Теорема 7. .
- •Следствие 1. Равно числу неубывающих функций
- •Формула включения и исключения Перечисление элементов объединения подмножеств. Обобщим формулу
- •Теорема 1. (Формула включения-исключения)
- •Теорема 2.
- •2.4. Разбиения
- •Лемма 1. .
- •Теорема 1.
- •Пример 2. Число s(4,2) равно 7, ибо все разбиения множества {1,2,3,4, 5, 6, 7} на два блока исчерпываются следующими:
- •Теорема 2. Имеют место следующие свойства чисел Стирлинга второго рода:
- •Теорема 3. ,n 0 .
- •2.5. Упражнения
- •Упорядоченные разбиения
- •Формула включения и исключения
- •Неупорядоченные разбиения
- •3. Производящие функции
- •3.1. Свойства производящих функций
- •3.2. Разбиения чисел
- •Лемма 1. Число разбиений p(n) равно количеству решений
- •Замечание. Частное от деления любых двух многочленов является производящей функцией некоторой возвратной последовательности, порядок которой равен степени знаменателя.
- •Получаем . Следующий шаг – разложение знаменателяK(X) в произведение (1 1x) (1 2x). В данном случае это можно сделать с помощью формулы Виеты. Поскольку имеют место равенства
- •3.5. Упражнения Свойства производящих функций
- •Решение рекуррентных уравнений
- •4.1. Эйлеровы графы
- •Теорема 1. Граф является эйлеровым тогда и только тогда, когда нечетную степень имеют не более двух вершин.
- •4.2. Простые графы и их свойства
- •Замечание. Теорема Эйлера имеет место и для графов, не являющихся простыми.
- •4.3. Хроматическое число и хроматическая функция графа
- •Теорема 1. Следующие свойства графа равносильны
- •Теорема 3. Хроматическая функция f (q) конечного графа с n вершинами является многочленом степени не более, чем n.
- •Число последовательностей из n-2чисел принадлежащих множеству{1, 2, ∙ ∙ ∙, n}равноnn-2, значит число нумерованных деревьев равноnn-2.
- •Для всякого элемента aa слово a есть терм;
- •В нормальной форме Бэкуса-Наура определение будет следующим:
- •Теорема 1. Числа Каталана равны .
- •4.6. Плоские графы Эйлерова характеристика. Двумерной клеткой мы будем называть часть поверхности, ограниченную некоторым криволинейным многоугольником.
- •Графы Куратовского. Далее мы рассмотрим следующие две задачи.
- •Следствие 1. Граф k5 не плоский.
- •Следствие 2. Граф k3,3 не плоский.
- •Лемма 2. Пусть (V,e) – плоский конечный граф. Тогда существует вершина VV такая, что d(V) 5. Здесь d(V) – степень вершины V.
- •Теорема 4. Для плоского связного графа существует правильная раскраска вершин в 5 цветов.
- •Теорема 5. Пусть p – число вершин, q – число ребер, r – число граней правильного многогранника. Тогда возможен один из следующих случаев, рассмотренных в таблице 4.1.
- •4.7. Упражнения Свойства графов
- •Хроматическое число и хроматическая функция графа
- •20.Найти хроматическую функцию графа An , приведенного на рис. 4.16.
- •Деревья
- •5. Конечные частично упорядоченные множества
- •5.1. Диаграмма Хассе частично упорядоченного множества
- •Пример 1. На рис. 5.1 показана диаграмма Хассе множества p({0,1,2}) подмножеств множества {0,1,2}, упорядоченное отношением .
- •5.2. Функция Мебиуса
- •Определение 1. Функцией Мебиуса : XXz называется функция, определенная по формуле
- •5.3. Формула обращения
- •5.5. Упражнения Диаграмма Хассе
- •Функция Мебиуса
- •Расчетно-графическое задание
- •Пример решения задачи 1
- •Контрольная работа
- •Варианты заданий
- •Примеры решения задачи 1
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 2
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 3
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 4
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 5
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 6
- •Варианты заданий
- •Пример решения задачи 7
- •Экзаменационные вопросы и задачи Вопросы
- •Литература
- •Содержание
Упорядоченные разбиения
Десять человек разбились на 5 групп по 2 человека в каждой. Скольким способами это можно сделать?
Указание. Упорядоченных разбиений 10!/(2!2!2!2!2!), при перестановках групп получаются одинаковые разбиения, отсюда искомое число = 10!/(2!2!2!2!2!)/5! = 13579 = 945.
В группе 20 студентов. Одному человеку положено выдать надбавку к стипендии в размере 1000 рублей. Двум – по 500, трем по 300. Сколькими способами это можно сделать?
Сколько существует шашечных позиций, состоящих из 10 белых и 10 черных шашек?
Сколько различных слов можно составить с помощью перестановок всех букв слова МАТЕМАТИКА. Словом называется произвольная конечная последовательность букв.
Оценить сверху число шахматных позиций, содержащих все фигуры и пешки?
В урне находится kшаров. Каждый шар может иметь либо белый, либо черный, либо красный цвет. Какова вероятность того, что один шар белый, один – черный ? (а остальные красные.)
Ответ: k(k-1)/3k.
Найти коэффициент при в разложении степенив сумму однородных одночленов.
Найти (x1+x2+x3)4.
Сколько путей, составленных из направленных отрезков единичной длины существует в трехмерной решетке из (0,0,0) в (p,q,r). Вектора отрезков равны (1,0,0) , (0,1,0), (0,0,1).
Формула включения и исключения
Сколько чисел из принадлежащих множеству {1, 2, , 1000} не делится ни на 10, ни на 12, ни на 9?
Группа из 20 студентов сдает зачеты по математике, физике и информатике. Множество студентов, сдавших математику и физику совпадает с множеством студентов, сдавших математику и информатику, и совпадает с множеством студентов, сдавших физику и информатику. Каждый студент сдал по крайней мере один зачет. Найти число студентов, сдавших все зачеты, если математику сдали 15, физику – 16, информатику – 17.
Неупорядоченные разбиения
Найти число разбиений множества {1,2,3,4,5,6,7} на 3 блока.
Найти число разбиений множества, состоящего из 8 элементов.
Найти число сюръекций {1,2,3,4,5,6,7}{1,2,3,4}.
Вывести формулу для числа сюръекций {1, 2, ,m}{1, 2,,n} с помощью формулы включения и исключения для подсчета числа несюръективных отображений |U1Un| , гдеUi–множество отображений, образ которых не содержит элементi.
3. Производящие функции
Пусть {ak} – последовательность чисел, где k0 пробегают неотрицательные целые значения.Производящей функциейa(x)последовательности {ak} называется сумма ряда. Иногда сумма берется по всем натуральнымk1. Это происходит в случаях, когда числоa0 не определено.
Например, производящая функция для последовательности (гдеприk>n), будет равна .
Имеет место обобщение бинома Ньютона
.
Производящие функции применяются для решения рекуррентных уравнений, возникающих при анализе алгоритмов [2]. Для знакомства с решением рекуррентных уравнений рекомендуем небольшую книгу Маркушевича [11]. Для дальнейшего изучения – книги [15] и [18].
3.1. Свойства производящих функций
Степенные ряды можно почленно интегрировать и дифференцировать внутри круга сходимости. В частности, дифференцируя бином Ньютона, получаем
,.
Пример 1. Вычислим производящие функции некоторых последовательностей. С этой целью сначала вспомним формулу для суммы бесконечной геометрической прогрессии
.
С помощью этой формулы найдем производящую функцию для последовательности an=1, которая будет равна. Почленное дифференцирование полученного равенства
1 + x + x2 + + xn + = .
приводит к производящей функции для последовательности an=n+1:
1 + 2x + 3x2 + +(n+1)xn + = .
Почленное интегрирование приводит к производящей функции последовательности
x+++ += =ln(1x)
Имеют место следующие свойства производящих функций:
1) Сумме последовательностей соответствует сумма производящих функций;
2) Производящая функция последовательности
cn = a0 bn + a1 bn-1 + + an b0
равна произведению производящих функций последовательностей {an }и{bn}.