- •Федеральное агентство по образованию российской федерации
- •По дисциплине “Дискретная математика”
- •По дисциплине “Дискретная математика” для студентов специальности
- •От автора
- •Содержание
- •Введение
- •Лекция 1: «Множество. Алгебра множеств»
- •Основное правило комбинаторики (показано на примере)
- •Утверждение
- •Следствие
- •Булева алгебра высказываний (алгебра логики)
- •Булева алгебра характеристических векторов.
- •Лекция 3: «Определение и способ задания булевых функций»
- •Лекция 4: «Дизъюнктивные нормальные формы (днф).Конъюнктивные нормальные формы (кнф)»
- •Лекция 5: «Продолжение темы днф»
- •Метод карт Карно для нахождения минимальной днф
- •Лекция 6: «Метод Квайна – Мак-Клоски для нахождения минимальной днф»
- •Идея метода Квайна (алгоритм)
- •Формализация Мак-Клоски.
- •Лекция 7: «Функционально полные системы функций»
- •Лекция 8: «Продолжение темы Многочлены Жегалкина»
- •Классы функций. Замкнутые и незамкнутые классы. Получение констант и элементарных булевых функций из заданной системы функций
- •Лемма о немонотонной функции
- •Лемма о нелинейной функции
- •Лекция 9: «Продолжение темы Классы функций»
- •Лекция 10: «Функциональные элементы. Логические схемы»
- •Сумматор n-разрядных двоичных чисел
- •Лекция 11: «Графы»
- •Лекция 12: «Эйлеровы графы»
- •Лекция 13: «Сети. Пути в орграфах. Остовы минимальной длины»
- •Лекция 14: «Парное сочетание (паросочетание) двудольных графов»
- •Алгоритм оптимального назначения
- •Лекция 15: «Потоки в транспортных сетях»
- •Лекция 15: «Элементы комбинаторики» Перестановки. Размещения. Сочетания
- •Теорема.
Теорема.
Доказательство.
Очевидно,
Действительно,
объектA
– неупорядоченная выборка из n
элементов по m,
их число
.
После того, как этиm
элементов отобраны, их можно упорядочить
m!
способами (в роли объекта B выступает
“порядок“ в выборке). Совместный выбор
“A
и B“
– упорядоченная выборка.
Пример 5. Группа из 15 человек выиграла 3 одинаковых книги. Сколькими способами можно распределить эти книги?
![]()
Сочетания, размещения и перестановки являлись подмножествами исходного множества. Рассмотрим выборки, которые не являются подмножествами.
Размещения
с повторениями. Упорядоченные выборки
объемом m
из n
элементов, где элементы могут повторяться,
называются размещениями с повторениями.
Их число обозначается
(n).
Теорема.
(n)
= nm.
Доказательство. Первый элемент может быть выбран n способами, второй элемент также может быть выбран n способами и так далее, m -й элемент также может быть выбран n способами. По принципу произведения получаем nm .
Пример 6. Кодовый замок состоит из четырех разрядов, в каждом разряде независимо от других могут быть выбраны цифры от 0 до 9. Сколько возможных комбинаций?
Здесь n = 10, m = 4 и ответом будет 104.
Пример 7. Рассмотрим вектор длины m, каждая координата которого может принимать всего 2 значения: 0 или 1. Сколько будет таких векторов?
Это есть выборка, объемом m из двух элементов. Ответ: 2m
Перестановки с повторениями. Пусть имеется n элементов, среди которых k1 элементов первого типа, k2 элементов второго типа и т.д., ks элементов s-го типа, причем k1 + k2 + ... + ks = n. Упорядоченные выборки из таких n элементов по n называются перестановками с повторениями, их число обозначается Cn(k1, k2, ..., ks). Числа Cn(k1, k2, ..., ks) называются полиномиальными коэффициентами.
Теорема.Cn(k1,
..., ks)=
![]()
Доказательство проведем по индукции по s, т. е. по числу типов элементов. При s = 1 утверждение становится тривиальным: k1 = n, все элементы одного типа и Cn(n) = 1. В качестве базы индукции возьмем s = 2, n = k1 + k2. В этом случаем перестановки с повторениями превращаются в сочетания из n элементов по k1 (или k2): выбираем k1 место, куда помещаем элементы первого типа.
Cn(k1,k2)
=![]()
Пусть формула верна для s=m, т.е.n=k1+ ... +kmи
Cn(k1,
...,km)=
![]()
Докажем,
что она верна для s
= m
+ 1 (n
= k1
+... + km
+ km+1).
В этом случае перестановку с повторениями
можно рассматривать как совместный
выбор двух объектов: объект A
– выбор k m
+ 1 места
для элементов (m
+ 1)-го типа; объект B
– перестановка с повторениями из (n
– km+1)
элементов. Объект A
можно выбрать
способом,B
–
(k1,
..., km)
способами. По принципу произведения
![]()
![]()
и мы получили требуемую формулу.
Замечание.
Числа
называются биноминальными коэффициентами.
Из этой формулы следует, что
![]()
Пример 8. Сколько различных слов можно получить, переставляя буквы в слове “математика”?
Решение. Буква “а” входит 3 раза (k 1= 3), буква “м” – 2 раза (k2 = 2), “т” – 2 раза (k3 = 2), буквы “е”, ”к”, ”и” входят по одному разу, отсюда k3 = k4 = k5 = 1.
C10
(3, 2, , 2, 1, 1, 1) =
=151200.
Сочетания с
повторениями.
Пусть имеется n
типов элементов, каждый тип содержит
не менее m
одинаковых элементов. Неупорядоченная
выборка объемом m из имеющихся элементов
(их число
mn
) называется сочетанием с повторением.
Число сочетаний с повторениями
обозначается
(n).
Теорема.
(n)
=
.
Доказательство.
Пусть в выборку вошло m1
элементов первого типа, m2
элементов второго типа, ...mn
– n-го
типа. Причем каждое 0
m i
m
и m1+m2+
...+ mn=
=m.
Сопоставим этой выборке вектор следующего
вида:
Очевидно, между множеством неупорядоченных
выборок с повторениями и множеством
векторов {bn}
существует биекция (докажите это!).
Следовательно,
(n)
равно числу векторов bn.
“ Длина вектора” bn
равна числу 0 и 1, или m+
+n–1.
Число векторов равно числу способов,
которыми m
единиц можно поставить на m
+ n
1 мест, а это будет
.
Пример 9. В кондитерской имеется 7 видов пирожных. Покупатель берет 4 пирожных. Сколькими способами он может это сделать ? (Предполагается, что пирожных каждого вида 4).
Число способов
будет
![]()
Пример10. Пусть V = {a, b, c}. Объем выборки m = 2. Перечислить перестановки, размещения, сочетания, размещения с повторениями, сочетания с повторениями.
1. Перестановки: {abc, bac, bca, acb, cab, cba}. P3=3!=6.
2. Размещения:
{(ab),
(bc),
(ac),
(ba),
(cb),
(ca)}.
![]()
3. Сочетания: {(ab),
(ac),
(bc)}.
![]()
4. Размещения с
повторениями: {(ab),
(bc),
(ac),
(ba),
(cb),
(ca),
(aa),
(bb),
(cc)}.
(3)=
32
= 9.
5. Сочетания с
повторениями:
{(ab),
(bc),
(ca),
(aa),
(bb),
(cc)}.
![]()
