Учебник по дискретной математики. Д. Ушинского Дискретная математика
 Скачать 2.66 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Ярославский государственный педагогический Университет имени К. Д. Ушинского Дискретная математика Ярославль, 2010
П.А. Корнилов, Н.И. Заводчикова, Н.А. Прусова. Дискретная математика. Учебное пособие. Ярославль: Изд-во ЯГПУ им. К.Д.Ушинского, 2010, 92 с. Данная работа предназначена для студентов дневного и заочного отделений педагогических вузов, специализирующихся в области информатики или изучающих курс дискретной математики в рамках математической подготовки. Работа составлена на основе опыта преподавания данного курса на физико-математическом факультете ЯГПУ для студентов специальности «Информатика». Работа состоит из четырех основных частей: краткого изложения основ комбинаторики и теории графов, задачника по комбинаторике и задачника по теории графов. В первой части работы кратко изложены все основные комбинаторные конфигурации, к каждой из которых приводятся разобранные примеры и задачи, В число изучаемых здесь вопросов вошли также комбинаторика разбиений, биномиальная и полиномиальная формулы, решение рекуррентных соотношений, азы теории вероятностей. Теоретический материал по изучению теории графов содержит только основные определения и теоремы. Вопросы, связанные с алгоритмами на графах не включены в работу из-за большого объема. Однако для удобства студентов был составлен и включен в работу «путеводитель» по теории графов, где отмечено, в каких книгах и каких разделах можно ознакомиться с тем или иным вопросом теории графов. © Ярославский государственный педагогический университет имени К.Д.Ушинского, 2010 © П.А. Корнилов, Н.И. Никулина, Н.А. Прусова. 2010 Введение Данная работа предназначена для студентов дневного и заочного отделений педагогических вузов, специализирующихся в области информатики или изучающих курс дискретной математики в рамках математической подготовки. Работа составлена на основе опыта преподавания данного курса на физико-математическом факультете ЯГПУ для студентов специальности «Информатика». Работа состоит из четырех основных частей: краткого изложения основ комбинаторики и теории графов, задачника по комбинаторике и задачника по теории графов. Вопросы теории множеств и основы математической логики, традиционно включаемые в курс дискретной математики, не вошли в данную работу, поскольку они изучаются в других дисциплинах при подготовке студентов специальности «Информатика». В первой части работы кратко изложены все основные комбинаторные конфигурации, к каждой из которых приводятся разобранные примеры и задачи, В число изучаемых здесь вопросов вошли также комбинаторика разбиений, биномиальная и полиномиальная формулы, решение рекуррентных соотношений, азы теории вероятностей. Теоретический материал по изучению теории графов содержит только основные определения и теоремы. Вопросы, связанные с алгоритмами на графах не включены в работу из-за их большого объема. Однако для удобства студентов был составлен и включен в работу «путеводитель» по теории графов, где отмечено, в каких книгах и каких разделах можно ознакомиться с тем или иным вопросом теории графов. Некоторые главы работы носят самостоятельный характер, и их изучение может быть опущено при изучении курса дискретной математики. К их числу могут быть отнесены полиномиальная формула, комбинаторика разбиений, асимптотические формулы, свойства биномиальных коэффициентов и свойства треугольника Паскаля. Комбинаторика Предмет комбинаторики. Комбинаторика – раздел математики, посвященный решению задач выбора и расположения элементов некоторого, обычно конечного множества, в соответствии с заданными правилами. Каждое такое правило определяет способ построения некоторой конструкции из элементов исходного множества, называемой комбинаторной конфигурацией. Целью комбинаторики является изучение комбинаторных конфигураций, вопросы их существования, алгоритмы построения, решение задач на перечисление и подсчет количества. Возникновение основных понятий и развитие комбинаторики шло параллельно с развитием других разделов математики, таких как алгебра, теория чисел, теория вероятностей, с которыми комбинаторика тесно связана. Некоторые факты комбинаторики были известны еще математикам Древнего Востока. В XVI веке комбинаторные задачи касались в основном азартных игр – вопросов, сколькими способами можно выбросить данное число очков, бросая две или три игральные кости, или сколькими способами можно получить двух королей в данной карточной игре. Одним из первых занялся изучением вопросов комбинаторики итальянский математик Тарталья. Рождение комбинаторики как раздела математики связано с трудами французских ученых Б. Паскаля и П. Ферма. Дальнейшее развитие комбинаторики связано с именами Бернулли, Лейбница и Эйлера. В 50-х годах XX века интерес к комбинаторике возрождается в связи с бурным развитием вычислительной техники и дискретной математики. Комбинаторные методы используются для решения задач теории планирования и теории информации, а также для установления свойств и выявления применимости используемых алгоритмов. Правила суммы и произведения. Большинство комбинаторных задач решаются с помощью двух основных правил: суммы и произведения. Правило произведения Задача.В магазине «Все для чая» есть 5 разных чашек и 3 разных блюдца. Сколькими способами можно купить чашку с блюдцем? Решение. Чашку можно выбрать 5 способами. Для каждого способа выбора чашки существует 3 способа выбора блюдца. Таким образом, имеем 5∙3=15 способов выбора пары предметов. Если некоторый объект А можно выбрать m способами и если после каждого такого выбора объект В можно выбрать n способами, то выбор пары (А, В) можно осуществить m∙n способами. Это утверждение называют правилом произведения. Для доказательства правила произведения заметим, что каждый из m способов выбора объекта А можно совместить с n способами выбора объекта В. А это приводит к m∙n способам выбора пары (А, В). Может возникнуть ситуация, когда необходимо составить комбинацию из большего числа элементов. Задача. В магазине «Все для чая» есть еще 4 чайные ложки. Сколькими способами можно купить комплект из чашки, блюдца и ложки? Решение. Из решения предыдущей задачи известно, что существует 5∙3=15 способов выбора пары предметов чашка – блюдце. Для каждого способа выбора этой пары существует 4 способа выбора ложки. Таким образом, по правилу произведения имеем 5∙3∙4=60 способов выбора комплекта из чашки, блюдца и ложки. Задача.'>Правило суммы Задача.Из города А в город Б ведет 6 дорог, а из города Б в город В – 4 дороги, Из города А в город Г – 2 дороги, и из города Г в город В – тоже 2 дороги. Сколькими способами можно проехать от А до В? Решение. Из города А в город В можно попасть либо через город Б, либо через город Г. По правилу произведения через город Б можно проехать 6∙4=24 способами, через город Г – 2∙2=4 способами. Тогда из города А в город В можно попасть 24+4=28 способами. Часто удается разбить все изучаемые комбинации на несколько классов, причем каждая комбинация входит в один и только один класс. В этом случае общее число комбинаций равно сумме чисел комбинаций во всех классах. Это утверждение называют правилом суммы. Если некоторый объект А можно выбрать m способами, а другой объект В можно выбрать n способами, то выбор «либо А, либо В» можно осуществить m+n способами. При использовании правила суммы необходимо следить, чтобы ни один из способов выбора объекта А не совпадал с каким-нибудь способом выбора объекта В. В рассмотренной выше задаче число выборов после каждого шага зависит от того, какие элементы были выбраны на предыдущих шагах. Рассмотрим пример ещё одной такой задачи. Задача. Сколькими способами можно поставить на шахматную доску белого и черного королей так, чтобы получилась допустимая по правилам игры комбинация. Решение. Шахматное поле имеет 64 клетки, поэтому белого короля можно поставить 64 способами. Как известно, король бьет клетки, расположенные непосредственно рядом с ним. Таким образом, если король находится в углу, то под боем находятся 3 клетки, если у стены, то – 5, если в центре, то – 8. Очевидно, что ставить черного короля нельзя в ту же клетку, где находится белый король и в клетку, которая находится под боем. Так как существует 4 способа поставить короля в угол, 24 способа – у стены и 36 способов – в центре поля, то ответ на вопрос задачи вычисляется следующим образом: 4∙(64-4)+24∙(64-6)+36∙(64-9)=3612 Рассмотрим теперь вопрос, как вычислить количество способов выбора объекта «либо А, либо В», если известно, что некоторые из способов выбора объекта А совпадают с некоторыми способами выбора объекта В? Формула включения и исключения. Задача. Из-за различия программ в школах Ярославской области студенты первого курса физико-математического факультета разделились на следующие группы: 47 человек знают алгоритмический язык, 35 – язык программирования Паскаль и 23 – оба языка программирования. Сколько человек на курсе знают хотя бы один язык программирования? Решение. Р  азобьем всех студентов на группы. Первую из них составят те, кто знает только алгоритмический язык, вторую – те, кто знает только Паскаль, третью – те, кто знает оба языка, четвертую – те, кто не знает ни одного. Количество студентов, знающих хотя бы один язык программирования, можно записать в виде 59=23+24+12=23+(47-23)+(35-23)=47+35-23. Таким образом, к числу студентов, знающих алгоритмический язык необходимо прибавить число знающих язык Паскаль. При этом некоторые студенты попадают в оба списка и оказываются «прибавленными дважды». Это как раз те, которые знают оба языка программирования. Вычитая их число, получаем число студентов, знающих хотя бы один язык. Запишем формулу в общем виде. Обозначим через а1 свойство студента знать алгоритмический язык, через а2 – свойство студента знать Паскаль, через N(а1) – количество студентов, знающих алгоритмический язык, через N(а2) – количество студентов, знающих Паскаль. Тогда N(а1или а2)= N(а1)+N(а2)-N(а1и а2). Эту формулу называют формулой включения и исключения. З  адача. Теперь усложним задачу. Пусть 47 студентов знают алгоритмический язык, 35 – язык Паскаль, 23 – Паскаль и алгоритмический язык, 20 – знают Бейсик, 12 – алгоритмический язык и Бейсик, 11 – Паскаль и Бейсик, 5 – все три языка. Вопрос тот же: Сколько человек на курсе знают хотя бы один язык программирования? Решение. Решая эту задачу аналогично предыдущей, получим: 47+35+20-23-12-11+5=61. Используя обозначения, предложенные выше, получаем следующую формулу для трех свойств: N(а1или а2 или а3)= N(а1)+N(а2)+N(а3)-N(а1и а2) -N(а1и а3) -N(а2и а3) +N(а1и а2 и а3) Общий вид формулы включения и исключения Пусть имеется n предметов, некоторые из которых обладают свойствами а1, а2, …, аn. Каждый предмет может либо не обладать ни одним из этих свойств, либо обладать одним или несколькими свойствами одновременно. Обозначим N(аi или aj или … или ak) количество предметов, обладающих хотя бы одним из свойств аi, aj, … ak. Для того чтобы определить количество предметов, обладающих хотя бы одним из свойств a1, a2…an, используют формулу: N(a1 или а2 или … или аn)=N(a1)+N(a2)+…+N(an)-N(a1 и a2)-N(a1 и a3)-…-N(a1 и an)-…-N(an-1 и an)+N(a1 и a2 и a3)+…N(an-2 и an-1 и an)+…+(-1)n-1N(a1 и a2 и … и an). Доказательство проведем методом математической индукции по числу свойств. При одном свойстве формула очевидна. Каждый предмет либо обладает этим свойством, либо не обладает им. N(a)=N(a) Предположим, что формула доказана для случая когда число свойств меньше или равно n-1. Тогда: N(a1 или а2 или … или аn-1, или аn)= N((a1 или а2 или … или аn-1) или аn) = =N(a1 или а2 или … или аn-1)+N(аn) – N ((a1 или а2 или … или аn-1) и аn) = =[N(a1)+N(a2)+…+N(an-1)-N(a1 и a2) – N (a1 и a3) – … – N (a1 и an-1) – …– N (an-2 и an-1)+ +N(a1 и a2 и a3)+…+N(an-3 и an-2 и an-1)+…+ +(-1)n-2 N(a1 и a2 и … и an-1)] +N(аn) – – N((a1 и аn )или (а2 и аn )или … или (аn-1 и аn))= =[N(a1)+N(a2)+…+N(an-1)-N(a1 и a2) – N(a1 и a3) – …– N (a1 и an-1) – …– N (an-2 и an-1)+ +N(a1 и a2 и a3)+…+ +N(an-3 и an-2 и an-1)+…+ +(-1)n-2 N(a1 и a2 и … и an-1)] +N(аn) – – [N(a1 и аn)+N (а2 и аn )+ … +N(аn-1 и аn) – N (a1 и а2 и an ) – … N(an-2 и аn-1 и аn)+…+ +(-1)n-2N(a1 и a2 и … и аn)]= =N(a1)+N(a2)+…+N(an) – N (a1 и a2) – N (a1 и a3) – …– N (a1 и an) –…– N (an-1 и an)+ +N(a1 и a2 и a3)+…+N(an-2 и an-1 и an)+…+ (-1)n-1 N(a1 и a2 и … и an) Что и требовалось доказать. Задача. Исследователь рынка сообщает следующие данные. Из 1000 опрошенных 811 нравится шоколад, 752 нравятся конфеты и 418 – леденцы, 570 нравится шоколад и конфеты, 356 – шоколад и леденцы, 348 – конфеты и леденцы, а 297 – все три вида сладостей. Показать, что в этой информации содержатся ошибки. Решение.Обозначим через А свойство опрошенного любить шоколад, через В – свойство опрошенного любить конфеты, через С – свойство опрошенного любить леденцы. По условию задачи N(А)=811, N(В)=752, N(С)=418, N(А и В)=570, N(А и С)=356, N(В и С)=348, N(А и В и С)=297. Подсчитаем количество опрошенных людей, которые любят хотя бы один вид сладостей. Воспользуемся формулой включения и исключения. N(А или В или С)=N(А)+N(В)+N(С)-N(А и В)-N(А и С)-N(В и С)+N(А и В и С)=811+752+418-570-356-348+297=1004. Опрошено было всего 1000 человек, следовательно, в предложенной информации содержатся ошибки. Размещения с повторениями Конечно, при решении комбинаторных задач можно использовать только приведенные выше правила, но большинство задач являются стандартными, для их решения существуют готовые формулы. Задача. Каково число последовательностей длины n, состоящих из 0 и 1? Решение. Заметим, что последовательность длины n можно получить из последовательности длины n – 1, дописывая в конец последовательности либо 1, либо 0. Значит, из каждой последовательности длины n – 1 получается две последовательности длины n. Ответ на вопрос задачи – 2n. Данная задача относится к классу задач о размещении с повторениями. Размещениями с повторениями из n элементов по k называются всевозможные комбинации по k элементов, составленные из элементов данных n видов. При этом в комбинацию могут входить и предметы одного вида, а две комбинации считаются различными, если они отличаются друг от друга или видом входящих в них элементов, или порядком этих элементов. Количество размещений с повторениями обозначается  и равно nk. Доказательство проведем методом математической индукции по числу элементов к при фиксированном значении n.
По правилу произведения получаем = ∙n=nk-1 ∙n=nk |
=n1.