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组合数学及其应用——容斥原理

来源:年旅网
组合数学及其应⽤——容斥原理

容斥原理在集合论、概率论、组合数学中都常常出现,它是下⾯⼀个结论的推⼴。

这是因为,我们分别减|A|、|B|的时候,把|AB|减掉了两次,因此这⾥应该再加⼀次。 它的推⼴形式就是容斥定理。

在给出证明之前,我们很有必要充分的理解⼀下这个公式的内涵。我们基于S集合上的⼀系列离散元素上讨论不满⾜m个性质的对象(元素)个数。我们假想某⼀种性质的具体表现为:⼀根丝带,圈住了满⾜这⼀条性质的所有元素(本质上就是画Venn图),现在我们想要求的就是没有被特定的m条丝带圈出的元素个数。

这个定理再利⽤德摩根律能够做出等价变化,它在计数、反演公式等⽅⾯发挥着重要作⽤。

下⾯开始结合⼀些具体的例⼦来拓展和深化对容斥定理的理解。

错位排列:

⾸先直观的解释什么是错位排列,然后我们再去探讨它如何与容斥原理结合起来.

所谓错位排列,举个最简单的例⼦,在⼀个宴会上,10位绅⼠都有着⾃⼰的帽⼦,将这些帽⼦混合起来,10位绅⼠各⾃拿了⼀个帽⼦,考察每⼀位绅⼠发现,他们⼿中的帽⼦均不是⾃⼰原本的帽⼦,那么这就是⼀种错位排列,我们关⼼的是,有多少种这样的错位排列?

关于错位排列,我们继续讨论⼀些内容。通过上⾯利⽤容斥定理这个⾓度看错排,我们得到了⼀个概率的极限结果,现在我们讨论⼀个易于计算错排公式的⽅法。

⼀个具有限制位置的计数问题:

假设⼀天8个男⽣按照标号1,2…7,8的序号站队去晨跑,第⼆天⽼师想要换⼀下站队顺序,要求是每个男孩前⾯的男孩都不是他昨天前⾯的男⽣,那么请问有多少种符合的排列⽅式?

简单的讲,就是说8的全排列中,不含12,23,…,78的排列个数.

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