3. 容斥原理与鸽巢原理

joker ... 2022-4-7 大约 9 分钟

# 3. 容斥原理与鸽巢原理

为了区分讨论的问题类型困难,区分同类型,避免重复和遗漏??

所以引入了容斥原理和鸽巢原理

# 3.1 De Morgan定理

AB=AB\overline{A\cup B}=\overline{A}\cap \overline{B}

AB=AB\overline{A\cap B}=\overline{A}\cup \overline{B}

De Morgan定理的推广

A1,A2,,AnA_1,A_2,\cdots,A_nUU的子集

A1A2An=A1A2An\overline{A_1\cup A_2\cup \cdots \cup A_n}=\overline{A_1}\cap \overline{A_2}\cap \cdots \cap \overline{A_n}

# 3.1 容斥原理

加法法则

事件AAmm种产生方式,事件BBnn种产生方式,则事件AA或事件BB之一有m+nm+n种产生方式。

A=m,B=n,AB=|A|=m,|B|=n,A\cap B= \varnothing,则AB=m+n|A\cup B|=m+n

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容斥原理计数思想是

先不考虑重叠的情况,把包括于某内容中的所有对象的数目先计算出来,然后再把计数时重复计算的数目排斥出去

例子

[1,20][1,20]中2或3的倍数的个数

2的倍数是2,3,6,8,10,12,14,16,18,202,3,6,8,10,12,14,16,18,20

3的倍数是3,6,9,12,15,183,6,9,12,15,18

但答案不是16个,因为6,12,18在两类中重复计数,应减去16-3=13

# 容斥原理概念

AB=A+BAB|A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B|

ABC=A+B+C+ABACBC+ABC|A\cup B\cup C|=|A|+|B|+|C|+|A\cap B|-|A\cap C|-|B\cap C|+|A\cap B\cap C|

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# 容斥原理应用

求从1到500的整数中能被3或5除尽的数的个数

A=5003,B=5005=100,AB=50015=33|A|=\lfloor \frac{500}{3}\rfloor,|B|=\lfloor \frac{500}{5}\rfloor=100,|A\cap B|=\lfloor \frac{500}{15}\rfloor=33

所以结果为AB=A+BAB=166+10033=233|A\cup B|=|A|+|B|-|A\cap B|=166+100-33=233


a,b,c,d,e,fa,b,c,d,e,f六个字母的全排列中不允许出现aceacedfdf图像的排列数

解:6个字母全排列,S=6!|S|=6!,

AAaceace作为一个元素出现的排列集:A=4!|A|=4!

BBdfdf作为一个元素出现的排列集B=5!|B|=5!

ABA\cap B为同时出现ace,dface,df的排列数AB=3!|A\cap B|=3!

AB=AB=6!4!5!+3!=582|\overline{A}\cap \overline{B}|=|\overline{A \cup B}|=6!-4!-5!+3!=582


a,b,c,da,b,c,d四个字母构成的nn位符号串中a,b,ca,b,c都至少出现一次的符号串数目

A,B,CA,B,C分别为nn位符号串中不出现a,b,ca,b,c符号的集合

ABC=4n(A+B+C)+(AB+AC+CB)ABC|\overline{A}\cap \overline{B}\cap \overline{C}|=4^n-(|A|+|B|+|C|)+(|A\cap B|+|A\cap C|+|C\cap B|)-|A\cap B\cap C|

=4n33n+32n1=4^n-3\cdot 3^n+3\cdot 2^n-1

# 欧拉函数

欧拉函数ϕ(n)\phi(n)是关求小于nn且与nn互素的数的个数

例子ϕ(8)=4,\phi(8)=4,小于8且与8互素有1 3 5 7

nn分解为不同素数的乘积

n=p1a1p2a2pkakn=p_1^{a_1}p_2^{a_2}\cdots p_k^{a_k}

11nnnn个数中为pip_i倍数的集合为AiA_i

Ai=npi,i=1,2,,k|A_i|=\frac{n}{p_i},i=1,2,\cdots,k

对于pipj,AiAjp_i\ne p_j,A_i\cap A_j即是pip_i的倍数也是pjp_j的倍数

AiAj=npipj,i,j=1,2,,k,ij|A_i\cap A_j|=\frac{n}{p_ip_j},i,j=1,2,\cdots,k,i\ne j

ϕ(n)=A1A2Ak=n(np1+np2++npk)+(np1p2+np2p3++np1pk)+(np1p2pk)ϕ(n)=n(11p1)(11p2)(11pk)\phi(n)=|\overline{A_1}\cap \overline{A_2}\cap \cdots \cap \overline{A_k}| \\ =n-(\frac{n}{p_1}+\frac{n}{p_2}+\cdots+\frac{n}{p_k})+(\frac{n}{p_1p_2}+\frac{n}{p_2p_3}+\cdots+\frac{n}{p_1p_k})+\cdots (\frac{n}{p_1 p_2\cdots p_k}) \\ \phi(n)=n(1-\frac{1}{p_1})(1-\frac{1}{p_2})\cdots(1-\frac{1}{p_k})

例子

n=60=22×3×5n=60=2^2\times 3\times 5

ϕ(60)=60(112)(113)(115)=16\phi(60)=60(1-\frac{1}{2})(1-\frac{1}{3})(1-\frac{1}{5})=16


定理

求不定方程x1+x2++xn=bx_1+x_2+\cdots +x_n=b,求非负整数解的数目

C(n+b1,b)C(n+b-1,b)

开始添加约束

求不定方程x1+x2+x3=15x_1+x_2+x_3=15,求非负整数解的数目

C(n+b1,b)=C(3+151,15)C(n+b-1,b)=C(3+15-1,15)

若添加约束0x15,0x26,0x370\le x_1\le 5,0\le x_2\le 6,0\le x_3\le 7

解:

A1A_1x16x_1\ge 6的解,y1+6+x2+x3=15y_1+6+x_2+x_3=15

A1=C(9+31,9)=C(11,2)|A_1|=C(9+3-1,9)=C(11,2)

A2A_2x27x_2\ge 7的解,x1+y2+7+x3=15x_1+y_2+7+x_3=15

A2=C(8+31,8)=C(10,2)|A_2|=C(8+3-1,8)=C(10,2)

A3A_3x38x_3\ge 8的解,x1+2+y3+8=15x_1+_2+y_3+8=15

A3=C(7+31,7)=C(9,2)|A_3|=C(7+3-1,7)=C(9,2)

A1A2:y1+6+y2+7+x3=15,A1A2=C(4,2)A_1\cap A_2:y_1+6+y_2+7+x_3=15,|A_1\cap A_2|=C(4,2)

A1A3:y1+6+x2+y3+8=15,A1A3=C(3,1)A_1\cap A_3:y_1+6+x_2+y_3+8=15,|A_1\cap A_3|=C(3,1)

A2A3:x1+y2+7+y3+8=15,A2A3=1A_2\cap A_3:x_1+y_2+7+y_3+8=15,|A_2\cap A_3|=1


放球问题

在放球问题中,我们引入了第二类Stirling数

S(n,m)=1m!k=1mC(m,k)(1)k(mk)nS(n,m)=\frac{1}{m!}\sum_{k=1}^m C(m,k)(-1)^k(m-k)^n

S(n,m)S(n,m)的组合意义:将n个有标志的球放入m个无区别的盒子,而且无一空盒的方案数

先考虑n个有标志的球,放入m个有区别的盒子,无一空盒的方案数。

AiA_i表示第ii个盒子为空,i=1,2,,mi=1,2,\cdots,m

nn个有标志的球放入mm个有区别的盒子的事件全体为SS,S=mn|S|=m^n

Ai=(m1)n|A_i|=(m-1)^n共有C(m,1)C(m,1)

AiAj=(m2)n|A_i\cap A_j|=(m-2)^n共有C(m,2)C(m,2)

m个有区别盒子,无空盒的方案数:

N=A1A2AnN=|\overline{A_1}\cap \overline{A_2}\cdots \cap \overline{A_n}

=mnC(m,1)(m1)n+C(m,2)(m2)n++(1)nC(m,m)(mm)n=m^n-C(m,1)(m-1)^n+C(m,2)(m-2)^n+\cdots+(-1)^nC(m,m)(m-m)^n

=k=0m(1)kC(m,k)(mk)n=\sum_{k=0}^m(-1)^kC(m,k)(m-k)^n


错排问题

nn个元素依次给以标号1,2,,n1,2,\cdots,n个元素的全排列中,求每个元素都不在自己原来位置上的排列数

AiA_i为数ii在第ii位上的全体排列,i=1,2,,ni=1,2,\cdots,n,因数字ii不能动

因而Ai=(n1)!|A_i|=(n-1)!

AiAj=(n2)!|A_i\cap A_j|=(n-2)!

A1A2An=n!C(n,1)(n1)!+C(n,2)(n2)!±C(n,n)0!|\overline{A_1}\cap \overline{A_2}\cap \cdots\cap \overline{A_n}=n!-C(n,1)(n-1)!+C(n,2)(n-2)!-\cdots \pm C(n,n)0!

=n!(111!+12!±1n!)n!(1-\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}-\cdots\pm \frac{1}{n!})

# 3.2 鸽巢原理(抽屉原理)

桌子有十个苹果,要把这十个苹果放到九个抽屉里,无论怎样放?,我们会发现至少会有一个抽屉里面放不少于两个苹果。这一现象就是我们所说的“抽屉原理”。抽屉原理的一般含义为:“如果每个抽屉代表一个集合,每一个苹果就可以代表一个元素,假如有n+1个元素放到n个集合中去,其中必定有一个集合里至少有两个元素。”

例子

班级中30个人,有至少3位同学在同一月出生

例子

10双蓝袜子,12双白袜子,随机去几次就能凑成一对

什么是鸽子,什么是巢??

证明

已知n+1n+1个正整数,他们全都小于或等于2n2n,证明当中一定有两个数是互质的

每个盒子里放2个相邻的球,相邻的球一定是互质的

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取n+1个球,会发现一定会有一定有2个球是来自同一个盒子里

例子

从1到2n2n的正整数中任取n+1n+1个,则这n+1n+1个数中,至少有一对数,其中一个是另一个的倍数

证明

n+1n+1个数是a1,a2,,an+1a_1,a_2,\cdots,a_{n+1}每个数去掉一切2的因子,直到剩下一个奇数为止,组成序列r1,r2,,rn+1r_1,r_2,\cdots,r_{n+1}.

n+1n+1个数仍在[1,2n][1,2n]中,且都是奇数。而[1.2n][1.2n]中只有nn个奇数

故必有ri=rj=rr_i=r_j=r

ai=2kir,aj=2kjra_i=2^{ki}r,a_j=2^{kj}r

ai>aja_i>a_j,则aia_isjs_j的倍数


a1,a2,,a100a_1,a_2,\cdots,a_{100}是由1和2组成的序列,已知从其任一数开始的顺序10个数的和不超过16,即

ai+ai+1++ai+916a_i+a_{i+1}+\cdots+a_{i+9}\le 16

则至少存在hhk,k>hk,k>h,使得ah+1+ak=39a_{h+1}+\cdots a_k=39

  • 根据假定ai+ai+1++ai+916,1i91a_i+a_{i+1}+\cdots+a_{i+9}\le 16,1\le i\le 91,有S10010×16=160S_{100}\le 10\times 16=160S1,S2,,S100S_1,S_2,\cdots,S_{100}相互不相同

  • 做序列S1,S2,,S100,S1+39,,S100+39S_1,S_2,\cdots,S_{100},S_1+39,\cdots,S_{100}+39共200项。其中最大项

    S100+39160+39=199S_{100}+39\le 160+39=199

    因为一共200项,最大值是199,。所以根据鸽巢原理,必有两项相等。而且必是前段中某个项与后段中某一项相等

    Sk=Sh+39,k>h,SkSh=39S_k=S_h+39,k>h,S_k-S_h=39


一个抽屉里面有20件衬衣,其中4件蓝色,7件灰色,9件红色的。问从中任意取至少多少件保证有4件同色的??

鸽巢原理:n个鸽巢,(kn+1)个鸽子,至少有一个鸽巢里面有k+1个鸽子

解:有三种颜色,3个鸽巢,要求k+1=4.

K=3,kn+1=10,冲中取出至少10件衣服才能保证有4件同色的?

加问

一个抽屉里面有20件衬衣,其中4件蓝色,7件灰色,9件红色的。问从中任意取至少多少件保证有5件同色的??

第一次取正好4件蓝色的,剩下的从红色和灰色中取n=2,k+1=5n=2,k+1=5,故需取4+4×2+1=134+4\times 2+1=13能保证有5件同色的


今有无,不知其数,三三数之,剩二,五五数之,剩三,七七数之,剩二,问物几何??答23

{x=3a+2x=5b+3x=7c+2\begin{cases} x=3a+2 \\ x=5b+3 \\ x=7c+2 \end{cases}

中国剩余定理

m和n是两个互质的正整数,对于任意非负整数a与b(a<m,b<n),则必然存在正整数x使得联立的同余方程组有公解

{x=pm+ax=qn+b\begin{cases} x=pm+a \\ x=qn+b \end{cases}

p,q为非负整数

# 3.3 Ramsey 数

拉姆齐(Ramsey)定理是要解决以下的问题:要找这样一个最小的数n,使得n个人中必定有k个人相识或l个人互不相识。

R(k,l)=nR(k,l)=n

R(3,3)=6,R(3,4)=9R(3,3)=6,R(3,4)=9

R(4,4)=18R(4,4)=18

R(5,5)R(5,5)

6人行

6人行对应是Ramsey数就是R(3,3)=6R(3,3)=6

世界上任意挑选6个人,这6个人中,总有3个人相互认识或相互皆不认识

证明6人行如下

这个问题可以转化为完全图的着色形式即:完全图K6K6(即6个点及它们两两之间所有连边组成的图)的边红蓝二着色,证明存在同色三角形

K6K6的顶点集合为{V1,V2,,V6}\{V_1,V_2,\cdots,V_6\}

dr(V)d_r(V)表示与顶点VV关联的红色边的条数

K6K_6中,有dr(V)+db(V)=5dr(V)+db(V)=5,有鸽巢原理可知,5个鸽子到2个笼子,至少有3条边同色

# 棋盘多项式

nn个元素的一个排列可以看作是nn个旗子在n×nn\times n棋盘上的一种布局,当一个棋子置于棋盘的某一个格子时,则这个棋子所在的行和列都不允许放置任何棋子

https://blog.csdn.net/kele52he/article/details/77150025
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