Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
kombinatorika-tkg.pdf
Скачиваний:
48
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
755 Кб
Скачать
☆

множества B A , содержащего элемент n, существует в точности

S(n-b,k-1) разбиений множества А на k блоков, содержащих B в качестве блока. Действительно, каждое такое разбиение однозначно соответствует разбиению множества А\В на k-1 блоков. b- элементное множество B A , содержащее элемент n, можно выбрать С(n-1,b-1) способами. Следовательно

S(n, k)

n−(k −1)

= ∑

b=1

n−(k −1)

= ∑ Cb−−1S(n −b, k −1) =

n 1

b=1

n−1

Cn−−b S(n −b, k −1) = ∑Ci − S(i, k −1).

n 1 n 1 i=k −1

Число Белла

Определение. Число Белла Bn есть число всех разбиений n- элементного множества Bn = Π (A) , где A = n.

Другими словами

n

Bn = ∑

k =0

Теорема

S(n, k).

n

3.3. B + = ∑Ci B .

n 1 n i i=0

Доказательство.

Множество всех разбиений множества A={1,…,n+1} можно разбить на различные классы в зависимости от блока В, содержа-

щего элемент n+1

(или в зависимости от множества А\В). Для каж-

дого множества

A \ B {1,..., n} существует в точности

 

 

Π ( A \ B)

 

= B

 

A−B

 

 

разбиений множества А, содержащих В в каче-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стве блока. Группируя классы в зависимости от мощности множества А\В, получаем требуемую формулу.

B(0)=1

B(1)=1

B(2)=2

B(3)=5

B(4)=15

B(5)=52

B(6)=203

Таблица 3.2. Числа Белла.

12

Числа Стирлинга первого рода

Введем следующее обозначение многочлена

[x]k

= x(x −1)...(x −k +1)

 

Для частных случаев:

 

[x]0

=1,

.

[x]1 =1,

 

[x]2

= x(x −1),

 

[x]3

= x(x −1)(x −2).

 

Определение. Числа Стирлинга первого рода s(n,k) есть коэффициенты при последовательных степенях переменной x в много-

члене [x]k :

n

 

[x]n = ∑s(n, k)xk .

 

k =0

 

Очевидно, что s(n,k)=0 для k>n.

 

Теорема 3.4.

 

s(n, k) = s(n −1, k −1) −(n −1)s(n −1, k) , для 0 < k < n,

(3.4)

s(n, n) =1 , для n ≥ 0,

(3.5)

s(n,0) = 0 , для n >0.

(3.6)

Доказательство.

Формулы (3.5) и (3.6) очевидны. Формулу (3.4) получим, сравнивая коэффициенты при xk в обеих частях равенства

[x]n =[x]n−1 (x −n +1).

Имеем

n

 

n−1

 

 

 

 

 

 

∑s(n, k)xk = (x −n =1)∑s(n −1, k)xk =

 

 

k =0

 

k =0

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

n−1

 

 

 

= ∑s(n −1, k)xk +1 −(n −1)∑s(n, k)xk =

 

 

k =0

 

 

k =0

 

 

 

n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

∑(s(n −1, k −1) −(n −1)s(n −1, k))xk +

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

+ s(n −1, n −1)xn −(n −1)s(n −1,0).

 

 

 

 

k

0

1

 

2

 

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

2

0

-1

1

0

0

0

3

0

2

-3

1

0

0

4

0

-6

11

-6

1

0

5

0

24

50

35

-10

1

Таблица 3.3. Числа Стирлинга первого рода.

Лекция 4. Формулы включений и исключений.

Формулы включений и исключений

Лемма 4.1. Пусть дано N элементов и n свойств p1,…,pn. Пусть Ni1 ...ir - число элементов, обладающих, по крайней мере, свойст-

вами pi1 ,... pir ,r =1,n . Тогда число элементов N0 , не обладающих ни одним из указанных свойств определяется формулой

n

 

∑Ni1 ...is

 

N0 = N −∑Ni + ∑Ni1i2 +... +(−1)s

+...

i=1

i1 <i2

i1 <i2 <...<is

(4.1)

+(−1)n N12...n

Доказательство. Рассмотрим правую часть (4.1). Элемент, не обладающий свойствами p1,…,pn, учитывается только в слагаемом N. Любой элемент A, обладающий ровно r свойствами j1,…,jr учитывается в выражении

∑Ni1...is , s ≤ r, Crs раз.

i1<i2 <...<is

Следовательно, вклад A в правую часть (4.1) равен:

1−Cr1 +Cr2 +... +(−1)s Crs +... +(−1)r Crr = (1−1)r = 0r = 0 .

Пример 4.1. (пояснение к предыдущей формуле)

Рассмотрим множество шаров, которые могут быть окрашены в 4 цвета:

желтый – свойство 1; красный – свойство 2; синий – свойство 3; зеленый – свойство 4.

Пусть некоторый шар окрашен одновременно в желтый, красный и зеленый цвета. Тогда для него N0 = 0. Теперь рассмотрим,

14

какой вклад он дает в правую часть равенства (4.1).

В первом слагаемом он учитывается 1 раз. Во втором слагаемом он учитывается C31 =3 раза (т.к. N1 = 1, N2 = 1, N4 = 1). В

третьем слагаемом он учитывается C32 =3 раза (т.к. N12 = 1, N14 = 1, N24 = 1). В четвертом слагаемом он учитывается C33 =1 раз (т.к.

N124=1). В пятом (последнем для рассматриваемого примера) сла-

гаемом он учитывается 0 раз (т.к. N1234 = 0).

Таким образом, вклад рассматриваемого шара в правую часть равенства (4.1) равен 1 – 3 + 3 – 1 + 0 = 0.

Замечание. Формула (4.1) называется формулой включений и исключений.

Пример 4.2. (задача о беспорядках).

Определить количество перестановок a1,…,an, чисел 1,…,n та-

ких, что ai ≠ i,i =1,n .

Решение. Число всех перестановок N=n!

Свойство si : ai = i,i = 1, n .

Ni1 ,...,ir - число перестановок, оставляющих на месте по крайней мере числа i1,...,ir , следовательно, Ni1 ,...,ir = (n − r)!

В ∑Ni1 ,...,ir имеется Cnr слагаемых – количество способов

i1 <...<ir

выбора чисел i1,…,ir из 1,…,n. Итак, на основании (4.1):

N0 = n!−Cn1 (n −1)!+Cn2 (n − 2)!+... + (−1)r Cnr (n − r)!+...

+(−1)n Cnn 0! = n!(1−1+

1

+... + (−1)r

1

 

+... + (−1)n

1

) =

 

r!

 

 

2!

 

n!

n

1

 

 

 

 

 

 

 

 

= n!∑(−1)r

 

 

 

 

 

 

 

 

r!

 

 

 

 

 

r =2

 

 

 

 

 

Лемма 4.2 (вспомогательная)

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑(−1)k −r CnkCkr = 0, n, r N, n ≥ r

 

 

 

(4.2)

k =r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Рассмотрим тождество

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + x)n = ∑Cnk xk

 

 

 

(4.3)

k =0

15

Дифференцируя (4.3) r раз по x, получим

 

 

 

 

 

n

 

n(n −1)...(n − r +1)(1 + x)n−r = ∑Cnk k(k −1)...(k − r +1)xk −r .

 

 

 

 

 

k =r

 

Последнее равенство преобразуется к виду

 

n!

 

n

 

k!

 

 

 

(1+ x)n−r = ∑Cnk

 

xk −r .

 

(n −r)!

 

(k −r)!

 

k =r

 

 

Разделив обе части на r! приходим к соотношению

 

 

 

n

 

 

 

 

Cnr (1 + x)n−r = ∑Cnk Ckr xk

−r ,

 

 

 

 

k =r

 

 

 

 

которое при x = −1 дает

 

 

n

 

 

 

 

 

∑(−1)k −r Cnk Ckr = 0 .

 

 

 

 

 

k =r

 

 

 

 

 

Лемма 4.3. Пусть дано N элементов и n свойств s1,…,sn. Пусть Ni1...ir - число элементов, обладающих по крайней мере свойствами

i1,…,ir, r =1, n . Тогда число элементов N(r), обладающих ровно r свойствами определяются формулой

N (r) = ∑ Ni1 ...ir +

+ (−1)s−r Csr

∑

Ni1 ...is +

1≤i1 <...<is ≤n

1≤i1

<...<is ≤n

(4.4)

 

n

 

+ (−1)n−r Cnr N12...n = ∑(−1)n−s Csr

∑

Ni1 ...is .

 

s=r

1≤i1 <...<is ≤n

Доказательство. В левой части (4.4) элемент с ровно r свойствами учитываются один раз. В правой части (4.4) элемент с ровно r свойствами учитываются один раз в первом слагаемом и не учитываются далее. Элемент с ровно t свойствами, t>r, учитывается

(−1)s−r CsrCts раз в слагаемом (−1)s−r Csr ∑ Ni1 ...is .

1≤i1 <...<is ≤n

Поэтому вклад от элементов с ровно t свойствами, t>r, состав-

t

ляет∑(−1)s−r Csr Cts . В силу леммы 4.2 эта сумма равна нулю.

s=r

Пример 4.3 (задача о встречах). Определить количество перестановок a1,…,an чисел 1,…,n , для которых ai=i ровно в r местах.

16

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]