Элементы дискретной математики. К. Д. Ушинского Элементы дискретной математики Ярославль, 2005 па. Корнилов, ни. Никулина, Семенова О. Г. Элементы дискретной математики. Учебное пособие

• Название: К. Д. Ушинского Элементы дискретной математики Ярославль, 2005 па. Корнилов, ни. Никулина, Семенова О. Г. Элементы дискретной математики. Учебное пособие
• Дата: 09.11.2020
• Размер: 0.81 Mb.
• Имя файла: Элементы дискретной математики .pdf
• Тип: Учебное пособие; #149087
• страница: 1 из 8

Министерство образования и науки Российской Федерации Ярославский государственный педагогический Университет имени К. Д. Ушинского Элементы дискретной математики Ярославль, 2005

ПА. Корнилов, НИ. Никулина, Семенова О.Г. Элементы дискретной математики. Учебное пособие. Ярославль Изд-во ЯГПУ им.
К.Д.Ушинского, 2005, 91 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 трех основных частей краткого изложения основ комбинаторики, задачника по комбинаторике и задачника по теории графов. Впервой 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 не был включен в данную работу из-за его 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 стем или иным вопросом теории графов.
© Ярославский государственный педагогический университет имени
К.Д.Ушинского, 2005
© ПА. Корнилов, НИ. Никулина, О.Г.
Семенова, 2005
ББК 32.973.26 я 73 Печатается по решению редакционно- издательского совета ЯГПУ имени
К.Д.Ушинского

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 трех основных частей краткого изложения основ комбинаторики, 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. Впервой 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 не был включен в данную работу из-за его 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 стем 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 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 двухосновных 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. Правило суммы Задача.

Из города А в город Б ведет 6 дорога 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 Ане совпадал с каким-нибудь способом выбора объекта В. В рассмотренной выше задаче число выборов после каждого шага зависит оттого, 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 подбоем находятся 3 клетки, если у стены, то – 5, если в центре, то – 8. Очевидно, что ставить черного короля нельзя в туже клетку, где находится белый король ив клетку, которая находится подбоем. 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 наследующие 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 Разобьем 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 а свойство студента знать алгоритмический язык, через а – свойство студента знать Паскаль, через а) – количество студентов, знающих алгоритмический язык, через а) – количество студентов, знающих Паскаль. Тогда
N(а1или а N(а1)+N(а2)-N(а1и а. Эту формулу называют формулой включения и исключения. Задача Теперь усложним задачу. Пусть 47 студентов знают алгоритмический язык, 35 – язык Паскаль, 23 – Паскаль и алгоритмический язык, 20 – знают Бейсик, 12 – алгоритмический языки Бейсик, 11 – Паскаль и Бейсик, 5 – все три языка. Вопрос тот же Сколько человек на курсе знают хотя бы один язык программирования?
Решение.
23 24 12 8
1 17 6
6 5
7 2
6
А
П Б

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 а или а N(а1)+N(а2)+N(а3)-N(а1и а) -аи а) -аи а) +аи аи а) Общий вид формулы включения и исключения Пусть имеется n предметов, некоторые из которых обладают свойствами а, а, …, а. Каждый предмет может либо не обладать ни одним из этих свойств, либо обладать одним или несколькими свойствами одновременно. Обозначим а i или a j
или … или a k
) количество предметов, обладающих хотя бы одним из свойства Для того чтобы определить количество предметов, обладающих хотя бы одним из свойств a
1
, a
2
…a n
, используют формулу
N(a
1
или а или … или аи и a
3
)-…-N(a
1
и a
n
)-
…-N(a
n-1
и a
n
)+N(a
1
и a
2
и a
3
)+…N(a
n-2
и a
n-1
и a
n
)+…+(-1)
n-1
N(a
1
и a
2
и … и a
n
). Доказательство. 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(a
1 или а или … или а n-1
, или а n
)= N((a
1 или а или … или а n-1
) или а n
) =
=N(a
1 или а или … или а а n
) – N ((a
1 или а или … или аи аи и a
3
) – … – N (a
1
и a n-1
) – …– N (a n-2
и a n-1
)+
+N(a
1
и a
2
и a
3
)+…+N(a n-3
и a n-2
и a n-1
)+…+ +(-1)
n-2
N(a
1
и a
2
и … и a n-1
)] +аи а n
или (аи а n
или … или (аи аи и a
3
) – …– N (a
1
и a n-1
) – …– N (a n-2
и a n-1
)+
+N(a
1
и a
2
и a
3
)+…+ +N(a n-3
и a n-2
и a n-1
)+…+ +(-1)
n-2
N(a
1
и a
2
и … и a n-1
)] +аи а n
)+N (аи а n
)+ … +аи аи аи и аи аи и … и аи и a
3
) – …– N (a
1
и a n
) –…– N (a n-1
и a n
)+
+N(a
1
и a
2
и a
3
)+…+N(a n-2
и a n-1
и a n
)+…+ (-1)
n-1
N(a
1
и a
2
и … и a n
) 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 А, В, С, Аи В, Аи СВ и С, Аи В и С. Подсчитаем количество опрошенных людей, которые любят хотя бы один вид сладостей. Воспользуемся формулой включения и исключения. А или Вили С)=N(А)+N(В)+N(С)-N(А и В)-N(А и СВ и С)+N(А и В и С. 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 вконец последовательности либо 1, либо 0. Значит, из каждой последовательности длины n – 1 получается две последовательности длины n. Ответ на вопрос задачи – 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
k
n
A и равно n k

Доказательство Доказательство проведем методом математической индукции по числу элементов к при фиксированном значении n.
1. При к каждое размещение с повторениями состоит из одного элемента. Его можно выбрать n способами. Таким образом,
1
n
A =n
1 2. Предположим, что верно равенство
1
−
k
n
A
=n k-1
. Размещения с повторениями из n элементов по k можно получить из размещений с повторениями из n элементов по k-1 элементу добавлением любого из n элементов. По правилу произведения получаем
k
n
A =
1
−
k
n
A
·n=n k-1
·n=n Применим выведенную выше формулу для решения задач. Задача. Для того чтобы открыть камеру хранения, используется комбинация из 4 цифр (от 0 до
9), набираемая на 4 колесиках. Сколько различных комбинаций существует?
Решение. Из условия задачи следует, что необходимо составить всевозможные комбинации по 4 элемента изданных. По формуле размещений с повторением получаем
4 10
A =10 4
=
10 000 вариантов. Задач. Сколько в n-ичной системе счисления натуральных чисел, записываемых ровно k знаками Решение Если допустить записи чисел, начинающиеся с нуля, то каждое k-значное число в n- ичной системе счисления можно рассматривать как размещение с повторениями, составленное из k цифр, причем цифры бывают n видов. Получаем, что количество чисел, имеющих такую запись, равно n Но натуральные числа не могут начинаться с нуля. Поэтому из полученного значения n
k необходимо вычесть количество чисел, запись которых начинается с нуля. Если отбросить от этих чисел первую цифру – ноль, то получим (k–1)-значное число (быть может, начинающиеся с нуля. Таких чисел по формуле для вычисления количества размещений с повторениями существует n k-1
. Значит общее количество k-значных чисел в n-ичной системе счисления равно n k
– n k-1
= n k
(n – 1).

Размещения без повторений Как изменится решение задачи о камере хранения, если известно, что цифры, набираемые на колесиках, различны. Решение. Вариантов выбора первой цифры 10 (от 0 до 9). Так как повторения быть не может, то вариантов выбора второй цифры всего 9. Аналогично для выбора третьей цифры остается 8 вариантов, для выбора четвертой – 7. По правилу произведения получаем, что всего комбинаций, в которых все числа различны, 10
⋅9⋅8⋅7=5 040. Данная задача относится к классу задач о размещении без повторений.
Размещениями без повторений из n элементов по k
называются всевозможные комбинации по k элементов, составленные из элементов данных n видов. При этом две комбинации считаются различными, если они либо отличаются друг от друга хотя бы одним элементом, либо состоят из одних и тех же элементов, но расположенных в разном порядке. Количество размещений без повторений обозначают
k
n
A . Общее правило вычисления количества размещений:
k
n
A =n
⋅(n – 1)⋅…⋅(n – Доказательство. Действительно, на первом шаге можно выбрать любой из n имеющихся предметов. Если этот выбор уже сделан, тона втором шаге приходится выбирать из n – 1 предметов – ведь повторный выбор сделать уже нельзя. Точно также на третьем шаге для выбора остается n – 3 предмета и т. д. Используя правило произведения, получим требуемую формулу. Задача В первенстве России по футболу участвуют 17 команд. Разыгрываются золотые, серебряные и бронзовые медали. Сколькими способами они могут быть распределены Решение. Переформулируем задачу Сколько существует комбинаций из 17 элементов по 3, если важны порядок элементов в комбинации, состав элементов ив комбинацию не могут входить элементы одного типа. (Повторения здесь быть не может – одна и та же команда не может получить и золотую и серебреную медаль)

Эта задача относится к задачам на размещения без повторения. По формуле получаем медали могут распределиться
3 17
A =17
⋅16⋅15=4 080 способами. Задача Автомобильные номера некоторой страны состоят из 3 букв (все буквы различны) и четырех цифр (цифры могут повторяться. Сколько максимально машин может быть в этой стране, если в её алфавите 26 букв Решение. Число комбинаций по 3 буквы изданных, при условии, что буквы не могут повторяться, определим с помощью формулы для вычисления количества размещений без повторений
3 26
A =26
⋅25⋅24=15 600. Число комбинаций по 4 цифры изданных, если в комбинацию могут входить одинаковые цифры, найдем с помощью формулы для вычисления количества размещений с повторениями
4 10
A =10 Тогда по правилу произведения различных автомобильных номеров –
3 26
A
⋅
4 10
A =15600
⋅10 4
=156
⋅10 Перестановки При составлении размещений без повторений из n элементов по k мы получали расстановки, отличающиеся друг от друга и составом, и порядком элементов. Но если брать расстановки, в которые входят все n элементов, то они могут отличаться друг от друга лишь порядком входящих в них элементов. Такие расстановки называют перестановками из n элементов или перестановками. Перестановками из n элементов называют всевозможные комбинации из n элементов, каждая из которых содержит все элементы по одному разу. Комбинации отличаются друг от друга лишь порядком элементов. Число перестановок обозначают через Р. Общее правило вычисления количества перестановок
Р
n
=А
n n
=n
⋅ (n-1) ⋅ (n-2) ⋅...⋅2⋅1=n! Рассмотрим несколько задач, решаемых с применением этой формулы. Задача Сколькими способами можно расположить на книжной полке 6 томов детской энциклопедии Решение

Так как на полке располагаем все 6 томов, то различные расположения отличаются только порядком, ноне составом. По формуле перестановок имеем 6!=720. Задача. Сколькими способами можно расположить на шахматной доске 8 ладей так, чтобы они не могли бить друг друга.
Решение.
На каждой вертикали и горизонтали должно стоять по одной ладье. Введем обозначения перестановка (13256487) означает, что на первой горизонтали ладья стоит в первом полена второй – в третьем, на третьем – во втором и т.д. Таким образом, число искомых расположений равно количеству перестановок чисел 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, то есть Р. Задача. Сколько способов разбить 6 мужчин и 6 женщин на пары для танцев Решение. Выстроим мужчин в одну линию в произвольном порядке. Пусть каждая женщина выбирает себе пару. Тогда количество способов разбиения на пары равно количеству способов переставить 6 различных предметов, то есть равно 6!. Задача. Семь девушек водят хоровод. Сколькими различными способами они могут встать вкруг Решение. Если бы девушки стояли на месте, то получилось бы 7! способов. Так как танцующие кружатся, то их положение относительно окружающих предметов несущественно, а важно лишь взаимное расположение. Поэтому перестановки, переходящие друг в друга при кружении танцовщиц, необходимо считать одинаковыми. Из каждой перестановки можно получить еще шесть новых путем вращения. Значит, число 7! необходимо разделить на 7. Получаем 7!:7=6!=720 различных перестановок девушек в хороводе. Перестановки с повторениями Рассмотрим, как изменится количество перестановок, если некоторые из переставляемых предметов одинаковы.
Задача.
Сколько слов можно получить, переставляя буквы слова март Сколько слов можно получить, если переставлять буквы слова мама

Переставляя буквы слова март получим 24 различные перестановки, так как все переставляемые элементы различны. Если же некоторые переставляемые предметы одинаковы, то получается меньше перестановок – некоторые перестановки совпадают друг с другом. При перестановке букв слова мама имеем две пары одинаковых букв мм и аа. Сделаем их различными, дописав к одинаковым буквам различные индексы м
1
а
1
м
2
а
2
Рассмотрим всевозможные перестановки м
1
а
1
м
2
а
2
м
1
м
2
а
1
а
2
а
1
а
2
м
1
м
2
м
1
а
1
м
2
а
2
м
1
а
1
а
2
м
2
а
1
м
1
м
2
а
2
а
1
м
1
а
2
м
2
м
2
а
1
м
1
а
2
м
2
м
1
а
1
а
2
а
2
а
1
м
1
м
2
м
2
а
1
м
1
а
2
м
2
а
1
а
2
м
1
а
1
м
2
м
1
а
2
а
1
м
2
а
2
м
1
м
1
а
2
м
2
а
1
м
1
м
2
а
2
а
1
а
1
а
2
м
2
м
1
м
1
а
2
м
2
а
1
м
1
а
2
а
1
м
2
а
2
м
1
м
2
а
1
а
2
м
1
а
1
м
2
м
2
а
2
м
1
а
1
м
2
м
1
а
1
а
1
а
2
а
1
м
2
м
1
м
2
а
2
м
1
а
1
м
2
а
2
а
1
м
1
а
2
м
2
м
1
а
1
а
2
м
2
а
1
м
1
Получили 24 различные перестановки, которые разбиваются на четверки одинаковых слов, если убрать индексы при буквах ми а. Значит, всего различных перестановок
6 4
24 = . Общая задача формулируется следующим образом Перестановками с повторениями из n
1 элементов первого типа, n
2
элементов второго типа, ... , n
k
элементов го типа называются всевозможные комбинации из этих элементов, каждая из которых содержит n
i
элементов го вида. Комбинации отличаются друг от друга лишь порядком элементов. Число перестановок с повторениями обозначают через Р, n
2
, ..., n k
). Общее правило вычисления количества перестановок с повторениями Р, n
2
, ..., n k
)=.
!
!
!
!
2 1
k
n
n
n
n
⋅
⋅
⋅