рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Комбинаторика с повторениями.

Комбинаторика с повторениями. - раздел Математика, КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКЕ   Одна Из Особенностей Комбинаторных Задач Заключается В Том, Ч...

 

Одна из особенностей комбинаторных задач заключается в том, что в ней исключительно большую роль играет точность формулировки. Обычно в задаче по комбинаторике необходимо определить количество способов или число вариантов какого-либо выбора. Варианты – это умозрительные понятия и их нельзя увидеть непосредственно, если нет полного перечня различных вариантов, описанных с помощью математических символов.

Рассмотрим для примера задачу: определить, сколькими способами можно распределить три конфеты между тремя детьми? Решение зависит от выбранного способа понимания задачи. Источником неопределенности является слово «распределить». Если считать конфеты одинаковыми, то справедливый вариант распределения дает 1 способ , т.е. каждый ребенок получил по одной конфете. Если же делить не поровну, то возможны варианты распределения: , , , , , , , , . Таким образом, «распределения» дают 10 различных вариантов. Если же дополнительно предположить, что все конфеты различные, то можно получить максимальное число «распределений» - 27 вариантов.

Таким образом, при решении задач важно точно понимать смысл слов «различные варианты». Нужно выяснить, важен ли порядок элементов в выбранном подмножестве, или важен только состав. Кроме того, важно понять, могут ли повторяться элементы, или они берутся в одном экземпляре. Комбинаторные формулы без повторений рассмотрены в §2. В данном параграфе будут рассмотрены формулы и задачи, в которых элементы множества при некотором выборе могут повторяться.

 

1) Перестановки с повторениями.

Пример 1. Сколькими способами можно переставить буквы в слове «мама»?

Решение. Комбинаторика позволяет считать словом любую комбинацию букв. Если бы в слове «мама» все буквы были бы различными, тогда количество перестановок было бы равно . Но при перестановке двух букв «м» или двух букв «а» будем получать одинаковые буквенные комбинации. Поэтому, их засчитывать не надо. Две буквы «м» можно переставить способами. Аналогично для букв «а». В итоге число перестановок букв данного слова без учета повторов окажется равным числу . При необходимости все способы можно перебрать.

Замечание. Обычно, если при решении задачи какие-либо варианты не нужно считать, то на это число делят. Этот подход является обратным к правилу умножения.

Перестановки с повторениями используются в тех задачах, в которых речь идёт не о единичных объектах, а о видах, классах, сортах элементов. Понятно, что внутри каждого вида элементы повторяются.

Пусть имеются предметы различных типов:

.

Сколькими способами можно переставить местами элемент первого вида, элементов второго вида, ..., элементов последнего вида?

Общее количество всех элементов в каждой перестановке равно: . Перестановки элементов внутри вида не меняет перестановку. Она изменится только в случае межвидовых перестановок. Будем рассуждать аналогично задаче в примере 1. Если бы все элементы были бы различными, то число всех перестановок равнялось бы . Но в силу того, что есть повторяющиеся объекты, получится меньшее число перестановок, потому что не нужно считать перестановки элементов первого вида, а их будет , не надо засчитывать перестановок элементов внутри второго вида и т.д.

Таким образом, число различных перестановок с повторениями находится по формуле:

, где . (1)

В знаменателе дроби стоят числа (число перестановок элементов первого вида, которые не нужно засчитывать), (число перестановок элементов второго вида) и т. д. Перестановки элементов первого типа, второго типа и т.д. можно делать независимо друг от друга, поэтому по правилу умножения элементы данной перестановки можно переставлять способами. Значит, число различных перестановок с повторениями будет равно указанному числу.

Например, перестановки букв в слове «математика» – это перестановки с повторениями. Анаграммы – есть перестановки с повторениями.

Замечание. Дробь, стоящая в правой части формулы (1), является целым числом.

Пример 2. Найти количество анаграмм слова «баобаб».

Решение. Всего – 6 букв. Вхождения букв: «б» - 3 раза, «а» - 2 раза, «о» - 1 раз. Используя формулу (1), имеем:

.

Замечание. Формула для числа перестановок с повторением содержит в себе, как частный случай, формулу для перестановок без повторений (при ). Кроме того, формула (1) содержит в себе формулу для числа сочетаний (при ): .

Действительно, если , то тогда , , …, , . Значит, , т.е. обычные перестановки без повторений – это частный случай перестановок с повторениями.

Если , то , или , тогда по определению и имеем:

.

Таким образом, если положить , то последнее равенство примет более естественный для формулы числа сочетаний вид:

.

 

2) Размещения с повторениями.

Определение размещений с повторениями аналогично определению числа размещений без повторений, но отличается существенно тем, что элементы в подмножествах могут повторяться.

Определение 1: Слова, составленные из букв, которые можно получить из повторяющихся букв, называют размещениями с повторениями.

Обозначают: .

Теорема 1: Число всех размещений из элементов по элементов с повторениями находится по формуле:

. (2)

Доказательство. Если имеется упорядоченных мест, для каждого из которых можно выбрать любой из объектов, то согласно комбинаторному принципу умножения, существует способов выбора объектов. Таким образом, число перестановок с повторением, когда объектов выбираются из объектов, равно , что и требовалось доказать.

Примеры. 1) Количество телефонных номеров, автомобильных номеров, комбинаций в секретном замке, генетический код. Во всех этих ситуациях в расстановках элементы могут повторяться. Количество комбинаций в секретном замке, число телефонных номеров, число автомобильных номеров, код Морзе, генетический код.

2) Разгадка генетического кода – крупнейшее достижение биологии ХХ века. Информация записана в гигантских молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Различные молекулы ДНК отличаются порядком 4-х азотистых оснований. Эти основания определяют порядок построения белков организма из двух десятков аминокислот, причём каждая аминокислота зафиксирована кодом из 3-х азотистых оснований.

В одной хромосоме содержится несколько десятков миллионов азотистых оснований. Число различных комбинаций, в которых они могут идти друг за другом столь велико, что ничтожной доли этих комбинаций хватит для зашифровки всего многообразия живых организмов за время существования жизни на земле, оно равно , где – число оснований в хромосоме.

3) Пусть имеется множество . Требуется составить его двухэлементные подмножества.

Решение. Если считать, что в этих подмножествах важен только состав, то имеем таких подмножества: , , .

Если считать, что в подмножествах важен состав и порядок элементов, то имеем таких подмножеств:

, , , , , .

В таких парах порядок элементов будет важен, если например, речь идет о координатах точек на плоскости.

Если же в построенных подмножествах элементы могут повторяться, то имеем таких подмножеств:

, , , , , , , , .

Замечание. Выше было показано, что перестановки без повторений являются частным случаем размещений без повторений. Для формул с повторениями дело обстоит иначе. Формула числа перестановок с повторениями не является частным случаем формулы числа размещений с повторениями.

Действительно, когда речь идет о повторениях в упорядоченном или неупорядоченном наборе объектов, то возможны две противоположные ситуации:

1) каждый объект должен повторяться в наборе строго заданное число раз;

2) нет никаких ограничений на число повторений объектов, кроме общего их числа в наборе.

В этом отличие перестановок с повторениями и размещений с повторениями. Объединяет их другое – это упорядоченные наборы. Отметим, что для неупорядоченных наборов ситуация с фиксированным набором каждого объекта бессодержательна, поскольку в таком случае это один вариант.

Размещение с повторениями – термин достаточно явный и удобный. В случае «сочетаний с повторениями» с ясностью не все благополучно. Хотя если перестановки и размещения могут быть с повторениями, то имеет смысл поговорить и о сочетаниях с повторениями.

Замечание. Формула для числа перестановок с повторениями не является частным случаем формулы для числа размещений с повторениями. Их может объединять только то, что в обоих случаях имеют место упорядоченные наборы.

 

3) Сочетания с повторениями.

Пусть имеются предметы различных типов. Сколько комбинаций можно сделать из них, если не принимать во внимание порядок элементов? Эту задачу в общем виде можно решать точно так же, как задачу с пирожными.

Пример 3. В кондитерском магазине продаются пирожные 4 сортов: наполеон, эклеры, песочные и слоеные. Сколькими способами можно купить 7 пирожных? Пирожные одного сорта считаются неразличимыми.

Решение. Зашифруем каждую покупку с помощью нулей и единиц. Напишем столько единиц, сколько куплено наполеонов, затем пишем 0, чтобы отделить пирожные одного типа от другого и т.д. Тогда каждой покупке будет соответствовать последовательность из семи единиц и трех нулей в различном порядке. Число всех таких покупок тогда будет равно числу перестановок с повторением:

.

Заметим, что в рассматриваемой последовательности длины 10 из пирожных и разделителей нет никаких ограничений для расстановки разделителей (т.е. нулей). Они могут стоять в начале и в конце последовательности, любые два разделителя могут оказаться рядом. Действительно, здесь мы предполагаем, что покупка может быть абсолютно произвольной (пирожные могут оказаться только одного вида).

Таким образом, задача сводится к выбору трех позиций для разделителей из десяти возможных. Этот выбор можно сделать числом способов, равным . Получили тот же результат.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКЕ

ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ... имени ВЛАДИМИРА ДАЛЯ... Фесенко Т Н...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Комбинаторика с повторениями.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

ПО ДИСКРЕТНОЙ МАТЕМАТИКЕ
(для студентов специальности «Прикладная математика», «Информатика», «Системный анализ», «Компьютерные системы и сети»)

Прямое произведение множеств. Бинарные отношения.
  Пусть и - произвольные элементы. Из элементов

Представление бинарных отношений графами.
Понятие графа используется в математике для наглядного представления бинарных отношений, заданных на конечных множествах. Граф представляет собой конечный набор точек плоскости (

И порядка. Фактор-множество.
  В данном параграфе будут рассмотрены некоторые виды бинарных отношений. Рассмотрим непустое множество и зададим на нём бинар

Булевы алгебры.
  Определение 1: Пусть - отношение порядка на множестве

Определение 7: Дистрибутивная решетка с отличными друг от друга 0 и 1, в которой всякий элемент имеет дополнение, называется булевой алгеброй.
Отметим, что теория решеток и теория булевых алгебр – это самостоятельные разделы алгебры. Определение 8: Линейно упорядоченное множество, удовлетворяющее условию мини

Мощность множества. Сравнение мощностей.
  Пусть даны конечные множества и , число элементов которых равно

Определение 2: Множества, обладающие одинаковой мощностью, называются равномощными (эквивалентными).
Два конечных множества будут равномощными, если в них содержится одинаковое число элементов. Если имеем дело с бесконечными множествами, то вопросы, связанные с мощностями, решаются путём установле

Определение 3: Множество, эквивалентное множеству чисел натурального ряда, называется счетным.
Натуральный ряд чисел – это счётное множество. Все множества, равномощные множеству , имеют такую же мощность. Теорема 4:

Трансфинитная индукция.
  Понятие мощности множества является обобщением понятия количества элементов конечного множества. А число элементов во множестве – это натуральное число. Но над натуральными числами

Определение 3: Если два линейно упорядоченных множества изоморфны, то их называют подобными множествами.
Подобие для линейно упорядоченных множеств - есть бинарное отношение между линейно упорядоченными множествами, являющееся отношением эквивалентности. Фактор-множество по этому отношению эквивалентн

Задачи для самостоятельной работы.
1) Доказать, что два множества равны тогда и только тогда, когда их пересечение и объединение совпадают. 2) Обозначим через множес

Отрицание – обозначается ,читается:«не » или «неверно, что ».
2) Дизъюнкция (логическое сложение), обозначаемое(читается «и

Формулы алгебры логики. Тавтологии.
  В алгебре выводятся формулы, которые остаются верными, какие бы числа не подставляли вместо букв, входящих в эти формулы. Подобным образом в алгебре высказываний конструируются форм

Доказательство.
Необходимость: Пусть формулы и равносильны. Тогда, по определению, для люб

Определение 3: Множество всех значений таких, что предикат при этих значениях принимает значение «истина», называется областью истинности предиката.
Определение 4: Предикат , определённый на множестве , называе

Формулы и тавтологии логики предикатов.
  При введении определения формул логики предикатов будем использовать следующие обозначения (алфавит): 1) – индивид

Формальный язык логики высказываний.
  Таблицы истинности в логике высказываний позволяют ответить на многие вопросы. Например, является ли данная формула тавтологией, противоречием или выполнимой формулой; влечёт ли она

Предикатов. Свойства теорий первого порядка.
  Для записи формул логики предикатов используется следующий алфавит: скобки, запятые, символы исчисления высказываний (отрицание

Задачи для самостоятельной работы.
1.Определить истинность следующих высказываний, если , ,

Определение формулы и суперпозиции.
  Пусть имеется счетное множество переменных , где

Принцип двойственности.
  Пусть – некоторое подмножество множества булевых функций: .

Линейные функции. Монотонные функции.
  Рассмотрим систему функций: , ,

Теорема Поста.
  В предыдущем параграфе были рассмотрены некоторые классы булевых функций. В каждый класс попадают функции, обладающие определённым свойством. Для удобства введём следующие обозначен

Задачи для самостоятельной работы.
1) Сколько имеется различных двоичных наборов длины ? 2) Сколько имеется

Правила комбинаторики.
  Начнем с основных принципов комбинаторики, т.е. с правил. Существует два общих правила комбинаторики: правило сложения и правило умножения. Правило слож

Определение 2: Множество с заданным на нем порядком называется упорядоченным множеством.
Очевидно, что множество, содержащее более одного элемента, можно упорядочить не единственным способом. Например, из двух букв и

Определение 8: Конечные упорядоченные множества называются размещениями.
Теорема 3: Количество всех размещений из элементов по элемен

Определение 10: Конечные неупорядоченные множества называются сочетаниями.
Таким образом, сочетания – это такая выборка элементов, при которой их порядок совершенно не важен. Сочетаний из элементов по

Свойства сочетаний.
  Одной из наиболее распространённых комбинаторных формул является формула числа сочетаний. Для упрощения подсчётов и для доказательства некоторых утверждений удобно использовать след

Определение 2: Группы, составленные из объектов, которые принадлежат одному из типов элементов, называют сочетаниями с повторениями.
Число всевозможных сочетаний с повторениями обозначают следующим символом: . Сочетания с повторениями, как было показано в примере

Упражнения для самостоятельной работы.
  1. Сколько всегочетырёхзначных натуральныхчисел? Сколько всего четырёхзначных натуральныхчисел, в записи которых нет одинаковых цифр?  

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги