background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 1 / 9 

Techniki rozwiązywania problemów kombinatorycznych 

 

 

zasada mnożenia   

 

zasada równoliczności   

 

zasada szufladkowa Dirichleta   

 

zasada włączania-wyłączania 

 

funkcje tworzące 

Zasada mnożenia 

Jeżeli rozważane są funkcje  f : X 

 Y ,  

dla których  X =  X

1

 X

2

  i  Y = Y

1

 Y

2

   oraz spełnione są warunki  

X

1

 X

2

 = 

,  f (

 

X

1

 Y

1

  i  f (

 

X

2

 Y

2

 ,  

to 

|

 

Fun(XY)

 

| = |

 

Fun(X

1

Y

1

)

 

 |

 

Fun(X

2

Y

2

)

 

Jeżeli ponadto  Y

1

 Y

2

 = 

to 

|

 

Inj(XY)

 

| = |

 

Inj(X

1

Y

1

)

 

 |

 

Inj(X

2

Y

2

)

 

Przykład  

Jaka jest maksymalna liczba tablic rejestracyjnych typu WI07049? 

Tablica to zbiór 7 znaków X = {z

1

z

2

z

3

z

4

z

5

z

6

z

7

}, 

X

1

 = {z

1

z

2

},  X

2

 = {z

3

z

4

z

5

z

6

z

7

},  Y

1

 – zbiór liter,  Y

2

 – zbiór cyfr, 

| X

1

| = 2,  | X

2

| =5,  | Y

1

| = 26,  | Y

2

| = 10,    |Fun(XY)| = 26

2

 

⋅⋅⋅⋅

 10

5

 

Jaka jest maksymalna liczba tablic o różnych literach i różnych cyfrach? 

Inj(XY) | = 26

2

 

⋅⋅⋅⋅

 10

5

 

 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 2 / 9 

Zasada równoliczności 

Bij(XY

 

 

⇒  |

 

X

 

| = |

 

Y

 

Przykład  

Dlaczego podziałów liczby n na k składników jest tyle samo co 

podziałów liczby n o największym składniku równym 

Bo możemy wzajemnie jednoznacznie przyporządkować podziałowi 

liczby n na k składników jego podział sprzężony, który jest podziałem 

liczby n o największym składniku równym k

 

Zasada szufladkowa 

Dla skończonych zbiorów  X  i  Y , takich że  | X | > r 

 | Y |  dla r > 0 : 

dla każdej funkcji  f 

 Fun(XY) warunek | f

 

1

({y}) | > r  jest 

spełniony dla co najmniej jednego  y 

 Y

(jeśli wkładamy n przedmiotów do m pudełek i  n > r 

 m ,  to w 

przynajmniej jednym pudełku znajdzie się ponad r przedmiotów) 

Przykład  

Dlaczego na egzaminie dla 401 studentów, na którym każdy student 

może dowolnie wybrać do rozwiązania 7 zadań z 9, będzie co 

najmniej 12 studentów rozwiązujących ten sam zestaw zadań? 

Bo wszystkich zestawów, które mogą powstać jest 





7

9

= 36, a zatem 

liczba studentów 401 > 11 

 36 = 396  i w twierdzeniu  r = 11. 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 3 / 9 

Zasada włączania-wyłączania 

...

|

|

|

|

|

|

}

,...,

{

}

,

,

{

}

,...,

{

}

,

{

+

=

=

=

n

k

j

i

k

j

i

n

j

i

j

i

n

i

i

n

i

i

A

A

A

A

A

A

A

1

1

1

1

U

 

... + (

1)

n

1

A

1

 

 ... 

 A

n

 | = 

=

}

,...,

{

}

,...,

,

{

|

...

|

)

(

n

p

p

p

p

p

p

n

i

i

i

i

A

A

A

1

1

1

2

1

2

1

1

 

dla n = 3:  | A 

 B 

 C | = 

= | A | + | B | + | C | 

 | A 

 B | 

 | A 

 C | 

 | B 

 C | 

+

 | A 

 B 

 C | 

Zastosowanie zasady włączania-wyłączania do wyznaczenia liczby 

podzbiorów k-elementowych zbioru z powtórzeniami 

Rozważmy zbiór z powtórzeniami 

 X 

=

 

5

a, 2

b, 3

c 

>

 

Ile jest 7-elementowych podzbiorów zbioru X ? 

Wprowadźmy pomocniczy zbiór  

Y 

=

 

7

a, 7

b, 7

c 

Wśród 7-elementowych podzbiorów zbioru Y są takie, które są także 

podzbiorami zbioru X i takie, które nimi nie są. 

Oznaczmy przez P zbiór 7-elementowych podzbiorów zbioru Y : 

P | = 





+

7

1

7

3





7

9

= 36 

Podzbiorami zbioru X nie są te 7-elementowe podzbiory zbioru Y

które zawierają ponad 5 powtórzeń elementu a lub ponad 2 

powtórzenia elementu b, lub ponad 3 powtórzenia elementu c

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 4 / 9 

Rozważmy następujące zbiory: 

P

a

 –  zbiór 7-elementowych podzbiorów zbioru Y, które zawierają 

ponad 5 powtórzeń elementu 

P

b

 –  zbiór 7-elementowych podzbiorów zbioru Y, które zawierają 

ponad 2 powtórzenia elementu 

P

c

 –  zbiór 7-elementowych podzbiorów zbioru Y, które zawierają 

ponad 3 powtórzenia elementu 

Zbiór 7-elementowych podzbiorów zbioru Y, które nie są podzbiorami 

zbioru X to 

P

a

 

∪ 

P

b

 

∪ 

P

c

 , 

a zatem liczba 7-elementowych podzbiorów zbioru Y, które są 

podzbiorami zbioru X wynosi  | P | 

 | P

a

 

∪ 

P

b

 

∪ 

P

c

 | 

P

a

 

∪ 

P

b

 

∪ 

P

c

 | = | P

a

 | + | P

b

 | + | P

c

 | + 

 | P

a

 

 P

b

 | 

 | P

a

 

 P

c

 | 

 | P

b

 

 P

c

 | 

+

 | P

a

 

 P

b

 

 P

c

 | 

 

Każde  A 

 P

a

  może być zapisane jako  A = 

6

a, 0

b, 0

c 

> ∪ 

A', 

gdzie A' jest 1-elementowym podzbiorem zbioru 

1

a, 7

b, 7

c 

> :

 

P

a

 | = 





+

1

1

1

3





1

3

= 3 

Każde  B 

 P

b

  może być zapisane jako  B = 

0

a, 3

b, 0

c 

> ∪ 

B', 

gdzie B' jest 4-elementowym podzbiorem zbioru 

7

a, 4

b, 7

c 

> :

 

P

b

 | = 





+

4

1

4

3





4

6

= 15 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 5 / 9 

Każde  C 

 P

c

  może być zapisane jako  C = 

0

a, 0

b, 4

c 

> ∪ 

C', 

gdzie C' jest 3-elementowym podzbiorem zbioru 

7

a, 7

b, 3

c 

> :

 

P

c

 | = 





+

3

1

3

3





3

5

= 10 

P

a

 

 P

b

 | = 0, bo podzbiór należący do P

a

 

 P

b

 musiałby mieć co 

najmniej 9 elementów  

6

a, 3

b, ?

c 

>

P

a

 

 P

c

 | = 0, bo podzbiór należący do P

a

 

 P

c

 musiałby mieć co 

najmniej 10 elementów  

6

a, ?

b, 4

c 

>

P

b

 

 P

c

 | = 1, bo podzbiór należący do P

b

 

 P

c

 jest tylko jeden  

0

a, 3

b, 4

c 

>

P

a

 

 P

b

 

 P

c

 | = 0, bo podzbiór należący do P

a

 

 P

b

 

 P

c

 musiałby 

mieć co najmniej 13 elementów  

6

a, 3

b, 4

c 

>

Czyli  

P

a

 

∪ 

P

b

 

∪ 

P

c

 | = 3 + 15 + 10 – 0 – 0 – 1 + 0 = 27, 

27 podzbiorów 7-elementowych zbioru Y nie jest podzbiorami X

Liczba 7-elementowych podzbiorów zbioru X wynosi zatem 

P | 

 | P

a

 

∪ 

P

b

 

∪ 

P

c

 | = 36 – 27 = 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 6 / 9 

 

Zastosowanie zasady włączania-wyłączania 

do wyznaczenia liczby surjekcji 

Dla | X | = n, | Y | = m , 

| Sur(XY) | = 

=

m

n

m

s

m

n

!

,

 , 

ale spróbujmy ominąć odwołanie do liczb Stirlinga drugiego rodzaju. 

Przyjmijmy, że  Y = {y

1

y

2

, ..., y

m

}  i podzbiór  F

i

 

 Fun(XY)  jest 

zbiorem takich funkcji  , dla których  y

i

 

 f (X). 

Zatem zbiór  F

1

 

∪ 

F

2

 

∪ ... ∪ 

F

m

  jest zbiorem funkcji f 

 Fun(XY) , 

które nie są surjekcjami: 

m

n

s

,

= | Fun(XY) | 

 | F

1

 

∪ 

F

2

 

∪ ... ∪ 

F

m

 |,   

| Fun(XY) | = m

n

 

F

1

 

∪ 

F

2

 

∪ ... ∪ 

F

m

 | =

=

}

,...,

{

}

,...,

,

{

|

...

|

)

(

m

p

p

p

p

p

p

m

i

i

i

i

F

F

F

1

1

1

2

1

2

1

1

 

Należy zatem wyznaczyć liczności zbiorów  

i

p

p

p

F

F

F

...

2

1

dla  

i = 1, 2, ..., m  i  

{

} {

}

m

p

p

p

i

,...,

,...,

,

1

2

1

Zauważmy, że jeśli  f 

 

i

p

p

p

F

F

F

...

2

1

, to  

i

p

p

p

y

y

y

,...,

,

2

1

 

 f (X). 

Zatem 

i

p

p

p

F

F

F

...

2

1

= Fun(XY \ {

i

p

p

p

y

y

y

,...,

,

2

1

}) ; 

|

i

p

p

p

F

F

F

...

2

1

| = | Fun(XY \ {

i

p

p

p

y

y

y

,...,

,

2

1

}) | = 

n

i

m

)

(

 

Podzbiór {

i

p

p

p

y

y

y

,...,

,

2

1

} można wybrać ze zbioru Y na 





i

m

 sposobów, 

a zatem 

n

m

p

p

p

p

p

p

i

m

i

m

F

F

F

i

i

)

(

|

...

|

}

,...,

{

}

,...,

,

{





=

1

2

1

2

1

 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 7 / 9 

i ostatecznie 

F

1

 

∪ 

F

2

 

∪ ... ∪ 

F

m

 | = 

=





m

i

n

i

i

m

i

m

1

1

1

)

(

)

(

Liczba surjekcji  

m

n

s

,

= | Fun(XY) | 

 | F

1

 

∪ 

F

2

 

∪ ... ∪ 

F

m

 | = 

n

m

 

=





m

i

n

i

i

m

i

m

1

1

1

)

(

)

(

 = 

n

 + 

=





m

i

n

i

i

m

i

m

1

1

)

(

)

(

  

m

n

s

,

=

=





1

0

1

m

i

n

i

i

m

i

m

)

(

)

(

 

Porównując 

m

n

m!

=





1

0

1

m

i

n

i

i

m

i

m

)

(

)

(

 otrzymujemy wzór pozwalający bez 

rekurencji wyznaczać liczby Stirlinga drugiego rodzaju: 

=

=

=





=

1

0

1

0

1

1

1

m

i

n

i

m

i

n

i

i

i

m

i

m

i

m

i

m

m

m

n

!

)!

(

)

(

)

(

)

(

)

(

!

 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 8 / 9 

 

Zastosowanie zasady włączania-wyłączania 

do wyznaczenia liczby nieporządków 

S

n

  

  zbiór wszystkich permutacji zbioru  { 1, 2, ..., n } 

Każdy element  f 

 S

n

  możemy zapisać w postaci tablicy: 





=

)

(

...

)

(

)

(

...

n

f

f

f

n

f

2

1

2

1

 

Nieporządkiem nazywamy taką permutację  f 

 S

n

 ,  

dla której  f (i

 i  dla każdego  i 

 { 1, 2, ..., n } 

D

n

  

  zbiór wszystkich nieporządków w zbiorze  { 1, 2, ..., n } 

| D

n

 | = ? 

Przyjmijmy, że  A

i

 = { f 

 S

n

 :  f (i) = i  }  dla i 

 { 1, 2, ..., n }. 

W zbiorze   A

1

 

∪ 

A

2

 

∪ ... ∪ 

A

n

  są wszystkie permutacje f 

 S

n

 , które 

nie są nieporządkami, a zatem | D

n

 | = | S

n

 | 

 | A

1

 

∪ 

A

2

 

∪ ... ∪ 

A

n

 |. 

S

n

 | = n! , 

A

1

 

∪ 

A

2

 

∪ ... ∪ 

A

n

 | = 

=

}

,...,

{

}

,...,

,

{

|

...

|

)

(

n

p

p

p

p

p

p

n

i

i

i

i

A

A

A

1

1

1

2

1

2

1

1

Należy zatem wyznaczyć liczności zbiorów  

i

p

p

p

A

A

A

...

2

1

dla  

i = 1, 2, ..., n   i   

{

} {

}

m

p

p

p

i

,...,

,...,

,

1

2

1

i

p

p

p

A

A

A

...

2

1

 jest zbiorem wszystkich takich permutacji  

f 

 S

n

 , dla których   f (p

j

) = p

j

  dla  j = 1, 2, ..., i , a zatem 

|

i

p

p

p

A

A

A

...

2

1

| = (n – i)! 

background image

WYŻSZA SZKOŁA INFORMATYKI STOSOWANEJ I ZARZĄDZANIA WIT 

MATEMATYKA  DYSKRETNA (8) 

J.Sikorski 

Strona 9 / 9 

Podzbiór { p

1

p

2

, ..., p

i

 } można wybrać ze zbioru { 1, 2, ..., n } na 





i

n

 

sposobów, a zatem  

)!

(

|

...

|

}

,...,

{

}

,...,

,

{

i

n

i

n

A

A

A

n

p

p

p

p

p

p

i

i





=

1

2

1

2

1

 

i ostatecznie 

A

1

 

∪ 

A

2

 

∪ ... ∪ 

A

n

 | = 

=





n

i

i

i

n

i

n

1

1

1

)!

(

)

(

 . 

Liczba nieporządków  | D

n

 | = | S

n

 | 

 | A

1

 

∪ 

A

2

 

∪ ... ∪ 

A

n

 | =  

n

 

=





n

i

i

i

n

i

n

1

1

1

)!

(

)

(

 = n

=





n

i

i

i

n

i

n

1

1

)!

(

)

(

 = 

=

n

i

i

i

n

0

1

!

!

)

(

 . 

| D

n

 | = 

=

n

i

i

i

n

0

1

!

)

(

!

 

 

Na przykład 

Dla  n = 5  liczba nieporządków 

| D

n

 | = 

+

+

!

!

!

!

!

!

5

1

4

1

3

1

2

1

1

1

1

5

 = 44 

spośród wszystkich 5! = 120 permutacji, czyli ponad 36% 

36787944

0

1

1

0

,

!

)

(

 →

=

=

e

i

S

D

n

n

i

i

n

n