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.
Vzorec zahrnutí-vyloučení může být formulován v různých formách.
Nechť jsou konečné množiny . Vzorec zahrnutí-vyloučení uvádí:
V , získáme vzorec pro dvě výše uvedené množiny.
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:
Existuje několik důkazů vzorce zahrnutí-vyloučení.
Důkaz indukcíVzorec 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 důkazZvažte 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 funkcíNechť 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 důkazMnožiny 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 . ■
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:
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:
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.
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.
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:
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 .
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] .