Bài giảng Toán học tổ hợp và cấu trúc rời rạc - Chương 3: Một số kỹ thuật đếm khác

Nội dung text: Bài giảng Toán học tổ hợp và cấu trúc rời rạc - Chương 3: Một số kỹ thuật đếm khác

1. TOÁN HỌC TỔ HỢP VÀ CẤU TRÚC RỜI RẠC Chương 3 MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐẾM KHÁC Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 1/16
2. Nội dung Chương 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐẾM KHÁC 1. Sử dụng sơ đồ Ven 2. Nguyên lý bù trừ ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 2/16
3. 3.1. Sử dụng sơ đồ Ven Nhận xét. Xét sơ đồ Ven Ta ký hiệu U là tập vũ trụ A là phần bù của A trong U N(A) là số phần tử của A. N = N(U) Khi đó N(A ∩ B) = N − N(A) − N(B) + N(A ∩ B) (1) ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 3/16
4. Ví dụ. Một trường học có 100 sinh viên, trong đó có 50 sinh viên học tiếng Anh, 40 sinh viên học tiếng Pháp và 20 sinh viên học cả tiếng Anh và tiếng Pháp. Hỏi có bao nhiêu sinh viên không học tiếng Anh lẫn không học tiếng Pháp? Giải. Gọi là U là tập hợp sinh viên của trường. Gọi A là tập hợp sinh viên học tiếng Anh và P là tập hợp sinh viên học tiếng Pháp. Ta có N = N(U) = 100,N(A) = 50,N(P ) = 40 và N(A ∩ P ) = 20. Theo yêu cầu bài toán chúng ta cần tính N(A ∩ P ). Ta có N(A ∩ P )= N − N(A) − N(P ) + N(A ∩ P ) = 100 − 50 − 40 + 20 = 30 Ví dụ. Có bao nhiêu hoán vị các chữ số 0, 1, 2, , 9 sao cho chữ số đầu lớn hơn 1 và chữ số cuối nhỏ hơn 8? Giải. Gọi U là tập tất cả các hoán vị của 0, 1, 2, , 9; A là tập tất cả các hoán vị với chữ số đầu là 0 hoặc 1 và B là tập tất cả các hoán vị với chữ số cuối là 8 hoặc 9. Khi đó yêu cầu của bài toán là tính N(A ∩ B). ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 4/16
5. Ta có N = 10!,N(A) = 2 × 9!,N(B) = 2 × 9!,N(A ∩ P ) = 2 × 2 × 8!. Áp dụng công thức (1) ta được N(A ∩ B)= N − N(A) − N(B) + N(A ∩ B) = 10! − (2 × 9!) − (2 × 9!) + (2 × 2 × 8!) = 2338560 Câu hỏi. Nếu ta mở rộng công thức (1) cho trường hợp 3 tập hợp thì như thế nào? Đáp án. Khi đó công thức là N(A ∩ B ∩ C) =N − N(A) − N(B) − N(C) + N(A ∩ B) + N(A ∩ C) + N(B ∩ C) − N(A ∩ B ∩ C) (2) ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 5/16
6. Đối với trường hợp 3 tập hợp là A1,A2,A3, ta có thể viết công thức (2) như sau: X X N(A1 ∩ A2 ∩ A3) = N − N(Ai)+) N(Ai ∩ Aj) − N(A1 ∩ A2 ∩ A3) i i6=j Ví dụ. Một trường có 100 sinh viên trong đó có 40 sinh viên học tiếng Anh, 40 sinh viên học tiếng Pháp, 40 sinh viên học tiếng Đức, mỗi cặp ngôn ngữ có 20 sinh viên học và có 10 sinh viên học cả 3 ngôn ngữ. Hỏi có bao nhiêu sinh viên không học cả 3 tiếng Anh, Pháp và Đức? Giải. Ta có N = 100,N(A) = N(P ) = N(D) = 40,N(A ∩ P ) = N(P ∩ D) = N(A ∩ D) = 20, và N(A ∩ P ∩ D) = 10. Theo công thức (2) ta được N(A ∩ P ∩ D) = 100 − (40 + 40 + 40) + (20 + 20 + 20) − 10 = 30. Ví dụ. Có bao nhiêu số nguyên dương ≤ 70 mà nguyên tố cùng nhau với 70? ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 6/16
7. Nhận xét. Số các số nguyên dương ≤ n mà chia hết cho k là phần nguyên [n/k] . Giải. Gọi U là tập hợp các số nguyên dương ≤ 70. Ta có ước nguyên tố của 70 là 2, 5 và 7. Do đó muốn đếm các số nguyên tố cùng nhau với 70 ta cần đếm những số không chia hết cho 2, 5 hoặc 7. Gọi A1,A2 và A3 lần lượt là tập các số nguyên trong U chia hết cho 2, 5 và 7. Khi đó đáp án cần tìm của bài toán là N(A1 ∩ A2 ∩ A3). Ta có N = 70,N(A1) = [70/2] = 35, N(A2) = [70/5] = 14,N(A3) = [70/7] = 10 Ta có một số chia hết cho 2 và 5 khi và chỉ khi số đó chia hết cho 10. Do đó N(A1 ∩ A2) = [70/10] = 7. Tương tự ta có,  70   70  N(A ∩ A ) = = 2,N(A ∩ A ) = = 5. 2 3 5 × 7 1 3 2 × 7 ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 7/16
8.  70  N(A ∩ A ∩ A ) = = 1. 1 2 3 2 × 5 × 7 Áp dụng công thức (2) ta có N(A1 ∩ A2 ∩ A3) = 70 − (35 + 14 + 10) + (7 + 2 + 5) − 1 = 24. Ví dụ.(tự làm) Có bao nhiêu số nguyên dương ≤ 1000 mà nguyên tố cùng nhau với a) 50 b) 210 ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 8/16
9. 3.2. Nguyên lý bù trừ Trong phần này chúng ta sẽ mở rộng công thức ở phần 1 cho trường hợp n tập hợp A1,A2, ,An. Để đơn giản về mặt ký hiệu chúng ta viết “ ∩ ” như là phép nhân. Ví dụ A1 ∩ A2 ∩ A3 sẽ được viết thành A1A2A3. Bằng việc sử dụng ký hiệu này, ta có số lượng phần tử không thuộc tất cả các tập A1,A2, ,An sẽ được viết là N(A1A2 An). Định lý. Cho tập vũ trụ U có N phần tử và A1,A2, ,An là n tập hợp con của U. Ta đặt Sk là tổng số phần tử của tất cả tập giao của đúng k tập hợp từ các {Ai}i=1, ,n, cụ thể X X S1 = N(Ai),S2 = N(AiAj), ,Sn = N(A1A2 An). i i6=j Khi đó X k N(A1A2 An) = N + (−1) Sk k k n = N − S1 + S2 − + (−1) Sk + + (−1) Sn ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 9/16
10. Hệ quả. Cho A1,A2, ,An là n tập hợp con của tập vũ trụ U. Khi đó X k−1 N(A1 ∪ ∪ An) = (−1) Sk k≥1 k−1 n−1 = S1 − S2 + + (−1) Sk + + (−1) Sn Chứng minh. Từ Định lý trên ta có k n N(A1 An) = N − S1 + S2 − + (−1) Sk + + (−1) Sn  k−1 n−1  = N − S1 − S2 + + (−1) Sk + + (−1) Sn . Mặt khác N(A1 ∪ ∪ An) = N − N(A1 An). Do đó ta có điều phải chứng mình Ví dụ. Tìm số nghiệm nguyên không âm của phương trình x1 + x2 + x3 + x4 = 18 (∗) thỏa điều kiện xi ≤ 7, ∀i = 1, , 4. ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 10/16
11. Giải. Gọi U là tập hợp các nghiệm nguyên không âm của phương trình (∗). Ta có  4 + 18 − 1  N = N(U) = K18 = = 1330. 4 18 Gọi Ai là tập hợp các nghiệm nguyên không âm của phương trình (∗) thỏa tính chất xi ≥ 8. Khi đó kết quả của bài toán là N(A1A2A3A4). Bằng việc giải những bài toán tìm số nghiêm nguyên ta được  13   5  N(A ) = K10 = N(A A ) = K2 = i 4 10 i j 4 2 N(AiAjAk) = 0 N(A1A2A3A4) = 0 Vì vai trò của các Ai (1 ≤ i ≤ 4) như nhau nên ta có:  13  S = P N(A ) = 4 = 1144 1 i i 10  4   5  S = P N(A A ) = = 60 2 i6=j i j 2 2 S3 = 0,S4 = 0 ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 11/16
12. Áp dụng Định lý, ta có N(A1A2A3A4) = N − S1 + S2 − S3 + S4 = 1330 − 1144 + 60 − 0 + 0 = 246 Ví dụ. Có bao nhiêu cách lấy 6 lá bài từ bộ bài 52 lá sao cho a) có đầy đủ 4 chất (cơ, rô, chuồn, bích). b) ít nhất một chất không có Giải. Gọi U là tất cả bộ 6 lá bài được lấy từ bộ bài và A1,A2,A3,A4 lần lượt là tất cả bộ 6 lá bài mà không có chất cơ, rô, chuồn và bích. Ta có  52   26  N = N(U) = N(A A ) = 6 1 2 6    39  13 N(A ) = N(A1A2A3) = 1 6 6 N(A1A2A3A4) = 0 ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 12/16
13. Vì vai trò A1,A2,A3,A4 giống nhau nên ta có  39   4   13  S = 4 S = 1 6 3 3 6  4   26  S2 = 2 6 S4 = 0 a) N(A1A2A3A4) = N − S1 + S2 − S3 + S4 = 8682544 b) N(A1 ∪ A2 ∪ A3 ∪ A4) = S1 − S2 + S3 − S4 = 11675976 Ví dụ.(tự làm) Tìm số nghiệm nguyên không âm của phương trình x1 + x2 + x3 + x4 = 25 (∗) thỏa điều kiện x1 ≤ 5, x2 ≤ 6, x3 ≤ 7. Ví dụ.(tự làm) Tìm số nghiệm nguyên không âm của phương trình x1 + x2 + x3 + x4 + x5 + x6 = 20 thỏa điều kiện xi ≤ 8 (i = 1, 7) ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 13/16
14. Định lý. Cho tập vũ trụ U có N phần tử và A1,A2, An là n tập hợp con của U. Khi đó số phần tử thuộc vào đúng m tập hợp, ký hiệu Nm, là n−m X  m + i  N = (−1)i S m m m+i i=0  m + 1   n  = S − S + + (−1)n−m S m m m+1 m n ∗ Nếu ta gọi Nm là số phần tử thuộc ít nhất m tập hợp thì n−m X  m + i  N ∗ = (−1)i N m m − 1 m+i i=0  m   n − 1  = S − S + + (−1)n−m S . m m − 1 m+1 m − 1 n ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 14/16
15. Ví dụ. Có bao nhiêu chuỗi tam phân (chỉ gồm 0, 1, 2) độ dài 4 thỏa mãn a) chứa đúng 2 chữ số 1 b) chứa nhiều hơn 2 chữ số 1 Giải. Gọi U là tập hợp tất cả những chuỗi tam phân có độ dài 4. Gọi Ai là tập hợp tất cả các chuỗi tam phân có chữ số tại vị trí i là 1. Ta có 4  4  N = 3 S = 31  4  3 3 S = 33 1 1  4   4  S = 32 S = 30 2 2 4 4 Áp dụng định lý trên ta có:  3   4  a) N = S − S + S = 24. 2 2 2 3 2 4  2   3  b) N ∗ = S − S + S = 33. 2 2 1 3 1 4 ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 15/16
16. Ví dụ. Có 5 lá thư và 5 phong bì ghi sẵn địa chỉ. Bỏ ngẫu nhiên các lá thư vào phong bì. a) Hỏi xác xuất để không lá thư nào đúng địa chỉ là bao nhiêu? b) Hỏi xác xuất để đúng 3 lá thư đúng địa chỉ là bao nhiêu? Sau đó tổng quát hóa bài toán cho n và k ≤ n ĐH KHTN Tp. HCM Chương 3. Một số kỷ thuât đếm khác 09/2016 16/16