Vzorec zahrnutí-vyloučení

Vzorec inkluze-vyloučení (nebo princip inkluze-vyloučení ) je kombinatorický vzorec, který umožňuje určit mocninu sjednocení konečného počtu konečných množin , které se v obecném případě mohou vzájemně prolínat . V teorii pravděpodobnosti, analogie zahrnutí-princip vyloučení je známý jako Poincaré rovnice [1] .

Například v případě dvou sad je vzorec pro zahrnutí-vyloučení:

Celkem se prvky průniku berou v úvahu dvakrát a abychom to kompenzovali, odečteme z pravé strany vzorce. Platnost této úvahy je patrná z Euler-Vennova diagramu pro dvě množiny, znázorněného na obrázku vpravo.

Stejně tak v případě množin proces zjišťování počtu prvků svazku spočívá v zahrnutí všeho, pak vyloučení přebytku, pak zahrnutí chybně vyloučeného a tak dále, tedy střídavě zařazovat a vylučovat. Odtud pochází název vzorce.

Formulace

Vzorec zahrnutí-vyloučení může být formulován v různých formách.

Z hlediska množin

Nechť jsou konečné množiny . Vzorec zahrnutí-vyloučení uvádí:

V , získáme vzorec pro dvě výše uvedené množiny.

Z hlediska vlastností

Princip inkluze-vyloučení je často uveden v následující alternativní formulaci [2] . Nechť je dána konečná množina skládající se z prvků a nechť je množina vlastností . Každý prvek sady může nebo nemusí mít některou z těchto vlastností. Označte počtem prvků, které mají vlastnosti (a možná i některé další). Označujeme také počet prvků, které nemají žádnou z vlastností . Poté se odehraje vzorec:

Formulace principu inkluze-vyloučení z hlediska množin je ekvivalentní formulaci z hlediska vlastností. Pokud jsou množiny podmnožinami nějaké množiny , pak na základě de Morganových pravidel (čára nad množinou je sčítání v množině ) lze vzorec pro zahrnutí a vyloučení přepsat takto:

Pokud nyní místo „ prvek patří do množiny “ řekneme „prvek má vlastnost “, pak dostaneme formulaci principu inkluze-vyloučení z hlediska vlastností a naopak.

Označte počtem prvků, které mají přesně vlastnosti z množiny . Potom lze vzorec zahrnutí-vyloučení přepsat do následujícího tvaru:

Důkaz

Existuje několik důkazů vzorce zahrnutí-vyloučení.

Důkaz indukcí

Vzorec inkluze-vyloučení lze dokázat indukcí [1] [3] .

Pro , vzorec zahrnutí-vyloučení je triviální:

Nechť vzorec platí pro , dokažme to pro .

Nechť každý prvek množiny může nebo nemusí mít některou z vlastností . Použijme vzorec zahrnutí-vyloučení pro vlastnosti :

Nyní použijeme vzorec pro vlastnosti na množinu objektů, pro které je vlastnost splněna :

Nakonec použijeme vzorec pro jednu vlastnost na kolekci objektů, které nemají vlastnosti :

Kombinací výše uvedených tří vzorců získáme vzorec zahrnutí-vyloučení pro vlastnosti . Q.E.D.

Kombinační důkaz

Zvažte libovolný prvek a spočítejte, kolikrát je zohledněn v pravé části vzorce zahrnutí-vyloučení [2] .

Pokud prvek nemá žádnou z vlastností , pak se na pravé straně vzorce (v členu ) započítá přesně 1krát .

Nechť prvek má přesně ty vlastnosti, řekněme . Dává 1 v těch sčítancích, pro které existuje podmnožina , a 0 pro zbytek. Počet takových podmnožin je podle definice počet kombinací . Proto je příspěvek prvku na pravou stranu

Když je počet kombinací roven nule. Zbývající součet se na základě binomické věty rovná

Pravá strana vzorce zahrnutí-vyloučení tedy bere v úvahu každý prvek, který nemá zadané vlastnosti přesně jednou, a každý prvek, který má alespoň jednu z vlastností – nulakrát. Proto se rovná počtu prvků, které nemají žádnou z vlastností , tedy . Q.E.D.

Důkaz pomocí indikátorových funkcí

Nechť jsou libovolné ( ne nutně konečné) množiny, které jsou podmnožinami nějaké množiny , a nechť jsou indikátorové funkce (nebo ekvivalentně vlastnosti ).

Indikátorová funkce jejich doplňků je

a indikační funkce průniku doplňků:

Rozbalením závorek na pravé straně a opět použitím skutečnosti, že indikátorová funkce průniku množin je rovna součinu jejich indikátorových funkcí, dostaneme:

Tento vztah je formou principu inkluze-vyloučení. Vyjadřuje logickou identitu [1] a platí pro libovolné množiny . V případě konečných množin (a tedy za předpokladu, že množina je konečná ), sečtením tohoto poměru přes všechny a použitím skutečnosti, že pro libovolnou podmnožinu je její mocnost rovna

získáme formulaci principu inkluze-vyloučení z hlediska kardinalit množin (nebo z hlediska vlastností).

Topologický důkaz

Množiny vybavíme diskrétní topologií. V tomto případě pro , a pro platí identita , V případě dvou množin a , můžeme použít Mayer-Vietorisovu přesnou posloupnost , která s uvážením zániku vyšší kohomologie bude vypadat takto: výjimky.

V případě více než dvou množin je k prokázání vzorce inkluze-vyloučení místo přesné Mayer-Vietorisovy sekvence nutné napsat nějakou spektrální sekvenci (jmenovitě Lerayovu spektrální sekvenci pro mapování projekce z disjunktního spojení k jejich spojení) a také vypočítat řady kohomologických skupin .

Aplikace

Problém nepokojů

Klasickým příkladem použití vzorce inkluze-vyloučení je problém poruchy [2] . Je potřeba najít počet permutací množiny tak, aby pro všechny . Takové obměny se nazývají nepokoje .

Nechť je množina všech permutací a vlastnost permutace nechť je vyjádřena rovností . Potom je počet poruch . Je snadné vidět, že je to počet permutací, které ponechávají prvky na místě , a proto součet obsahuje stejné členy. Vzorec zahrnutí-vyloučení poskytuje výraz pro počet poruch:

Tento poměr lze převést do tvaru

Je snadné vidět, že výraz v závorkách je částečným součtem řady . S dobrou přesností je tedy počet poruch zlomkem celkového počtu permutací:

Výpočet Eulerovy funkce

Dalším příkladem použití vzorce inkluze-vyloučení je nalezení explicitního výrazu pro Eulerovu funkci [4] , která vyjadřuje počet čísel od , coprime s .

Nechť kanonický rozklad čísla na prvočinitele má tvar

Číslo je coprime s tehdy a jen tehdy, když žádný z prvočíselných dělitelů nedělí . Pokud nyní vlastnost znamená, že dělí , pak počet prvočísel s je .

Počet čísel, která mají vlastnosti , je , protože .

Vzorcem inkluze-vyloučení najdeme

Tento vzorec je převeden do tvaru:

Variace a zobecnění

Princip inkluze-vyloučení pro pravděpodobnosti

Nechť je pravděpodobnostní prostor . Pak platí vzorec [1] [3] [5] pro libovolné události

Tento vzorec vyjadřuje princip inkluze-vyloučení pro pravděpodobnosti . Lze jej získat z principu inkluze-vyloučení ve formě indikátorových funkcí:

Nechť jsou události pravděpodobnostního prostoru , tj . Vezměme matematické očekávání obou částí tohoto poměru a pomocí linearity matematického očekávání a rovnosti pro libovolnou událost získáme vzorec inkluze-vyloučení pro pravděpodobnosti.

Princip inkluze-vyloučení v prostorech míry

Nechť je prostor s mírou . Pak pro libovolné měřitelné množiny konečné míry platí vzorec pro inkluzi-vyloučení:

Je zřejmé, že princip inkluze-vyloučení pro pravděpodobnosti a pro kardinality konečných množin jsou speciálními případy tohoto vzorce. V prvním případě je mírou přirozeně míra pravděpodobnosti v odpovídajícím pravděpodobnostním prostoru : . Ve druhém případě je mohutnost množiny brána jako míra : .

Princip inkluze-vyloučení pro měrné prostory lze také odvodit, stejně jako ve výše uvedených speciálních případech, z identity pro funkce indikátoru:

Nechť jsou měřitelné množiny prostoru , tj . Integrujeme obě části této rovnosti s ohledem na míru , použijeme linearitu integrálu a vztahu a získáme vzorec inkluze-vyloučení pro míru.

Identita vrcholů a pádů

Vzorec zahrnutí-vyloučení lze považovat za speciální případ identity maxim a minim :

Tento vztah platí pro libovolná čísla . V konkrétním případě, kdy dostaneme jednu z forem principu inkluze-vyloučení. Pokud totiž dáme , kde je libovolný prvek z , pak získáme vztah pro indikátorové funkce množin:

Möbiova inverze

Nechť je konečná množina a nechť je libovolná funkce definovaná na množině podmnožin a nabývající reálných hodnot. Funkci definujeme takto:

Pak platí následující inverzní vzorec [6] [7] :

Toto tvrzení je speciálním případem obecného Möbiova inverzního vzorce pro incidenční algebru ) všech podmnožin množiny částečně uspořádané inkluzní relací .

Ukažme si, jak tento vzorec implikuje princip inkluze-vyloučení pro konečné množiny. Nechť je dána rodina podmnožin konečné množiny , označme množinu indexů . Pro každou sadu indexů definujeme jako počet prvků zahrnutých pouze v těch sadách, pro které . Matematicky to lze zapsat takto:

Pak funkce definovaná vzorcem

udává počet prvků, z nichž každý je zahrnut ve všech množinách a možná i v jiných. To znamená

Všimněte si dále, že je to počet prvků, které nemají žádnou z vlastností:

Vezmeme-li v úvahu uvedené poznámky, napíšeme Möbiův inverzní vzorec:

Toto je přesně vzorec inkluze-vyloučení pro konečné množiny, pouze nesdružuje členy související se stejnými hodnotami .

Historie

Vzorec inkluze-vyloučení byl poprvé publikován portugalským matematikem Danielem da Silvou v roce 1854 [1] . Ale již v roce 1713 Nicholas Bernoulli použil tuto metodu k vyřešení Montmortova problému , známého jako problém setkání ( francouzsky  Le problème des rencontres ) [8] , jehož zvláštním případem je problém poruchy . Také vzorec inkluze-vyloučení je spojen se jmény francouzského matematika Abrahama de Moivre a anglický matematik Joseph Sylvester [9] .

Viz také

Poznámky

  1. 1 2 3 4 5 Riordan J. Úvod do kombinatorické analýzy = Úvod do kombinatorické analýzy. - M . : Nakladatelství zahraniční literatury, 1963. - S. 63-66. — 289 s.
  2. 1 2 3 Hala M. Kombinatorická teorie. - M .: "Mir", 1970. - S.  18 -20. — 424 s.
  3. 1 2 Rybnikov K. A. Úvod do kombinatorické analýzy. - 2. vyd. - M . : Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1985. - S. 69-73. — 309 s.
  4. Rybnikov K. A. Úvod do kombinatorické analýzy. - 2. vyd. - M. : Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1985. - S. 266. - 309 s.
  5. Borovkov, A. A. Teorie pravděpodobnosti. - 2. vyd. - M .: "Nauka", 1986. - S. 24. - 431 s.
  6. Hala M. Kombinatorická teorie. - M .: "Mir", 1970. - S.  30 -31. — 424 s.
  7. Stanley R. Enumerative Combinatorics = Enumerative Combinatorics. - M .: "Mir", 1990. - S. 103-107. — 440 s.
  8. Weisstein, Eric W. Derangement  na webu Wolfram MathWorld .
  9. Rybnikov K. A. Úvod do kombinatorické analýzy. - 2. vyd. - M. : Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1985. - S. 264. - 309 s.

Literatura

Odkazy