Топологическая комбинаторика

Аналоги комбинаторных концепций и методов используются и в топологии, при изучении дерева принятия решений, частично упорядоченных множеств, раскрасок графа и др.

25) Что называют перестановками?

Перестановки - различные упорядоченные множества, которые отличаются лишь порядком элементов (т.е. могут быть получены из того же самого множества).

26) По какой формуле вычисляют число перестановок из n различных элементов?

Перестановки. Возьмём n различных элементов: a ₁, a ₂, a ₃, …, a_n. Будем переставлять их всеми возможными способами, сохраняя их количество и меняя лишь порядок их расположения. Каждая из полученных таким образом комбинаций называется перестановкой. Общее количество перестановок из n элементов обозначается P_n. Это число равно произведению всех целых чисел от 1 до n:

Символ n! (называется факториал) - сокращённая запись произведения: 1 · 2 · 3 · … · (n – 1) · n.

П р и м е р. Найти число перестановок из трёх элементов: a, b, c.

Р е ш е н и е. В соответствии с приведенной формулой: P ₃ = 1 · 2 · 3 = 6.
Действительно, мы имеем 6 перестановок: abc, acb, bac, bca, cab, cba.

27) Что называют размещениями? Запишите формулу, по которой вычисляют число размещений из n элементов по m.

Размещения - это упрядоченные подмножества данного конечного множества.

Размещения. Будем составлять группы из m различных элементов, взятых из множества, состоящего из n элементов, располагая эти m взятых элементов в различном порядке. Полученные комбинации называются размещениями из n элементов по m.

Их общее количество обозначается: и равно произведению:

П р и м е р. Найти число размещений из четырёх элементов a, b, c, d по два.

Р е ш е н и е. В соответствии с формулой получим:

Вот эти размещения: ab, ba, ac, ca, ad, da, bc, cb, bd, db, cd, dc.

28) Что называют сочетаниями? Запишите формулу, по которой вычисляют число сочетаний из n элементов по m.

Сочетание без повторений из n элементов по m есть m -элементное подмножество некоторого n -элементного множества.

Коротко такие сочетания называют "сочетания из m по n " и их число обозначают или . Далее n -элементное множество будем обозначать как n -множество.

Сочетания. Будем составлять группы из m различных элементов, взятых из множества, состоящего из n элементов, не принимая во внимание порядок расположения этих m элементов. Тогда мы получим сочетания из n элементов по m.

Их общее количество обозначается и может быть вычислено по формуле:

Из этой формулы ясно, что

Заметим, что можно составить только одно сочетание из n элементов по n, которое содержит все n элементов. Формула числа сочетаний даёт это значение, если только принять, что 0! = 1, что является определением 0!.

В соответствии с этим определением получим:

Общее число сочетаний можно вычислить, пользуясь и другим выражением:

П р и м е р. Найти число сочетаний из пяти элементов: a, b, c, d, e по три.

Р е ш е н и е:

Эти сочетания: abc, abd, abe, acd, ace, ade, bcd, bce, bde, cde.

29) По какой формуле вычисляется число перестановок из n элементов, если элементы повторяются?

Перестановками из n элементов называются размещения из этих n элементов по n (Перестановки - частный случай размещений).

Число перестановок без повторений (n различных элементов) вычисляется по формуле:

(3.3)

Число перестановок c повторениями (k различных элементов, где элементы могут повторяться m₁, m₂, …, m_k раз и m₁ + m₂ +… + m_k = n, где n - общее количество элементов) вычисляется по формуле:

(3.4)

Пример. Возьмем буквы Б, А, Р. Какие перестановки из этих букв можно получить? Сколько таких наборов получится, если: 1) буквы в наборе не повторяются; 2) буква А повторяется два раза?

Решение.

1. Получатся наборы: БАР, БРА, АРБ, АБР, РАБ, РБА.

По формуле (3.3) получаем: наборов.

2. Получатся наборы: БАРА, БРАА, БААР, ААРБ, ААБР, АБАР, АРАБ, АРБА, АБРА, РАБА, РААБ, РБАА.

По формуле (3.4) получаем: наборов.

Пример. Сколько шестизначных чисел можно составить из цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5 так, чтобы цифры в числе не повторялись?

Решение. Из данных шести цифр можно составить Р₆ = 6! = 720 перестановок. Но числа, начинающиеся на нуль, не являются шестизначными. Такие числа отличаются друг от друга перестановкой пяти остальных цифр, значит, их будет Р₅ = 120. Поэтому шестизначных чисел будет 720 - 120 = 600 чисел.

Пример. Сколькими способами можно расставить белые фигуры (2 ладьи, 2 коня, 2 слона, ферзь и король) на первой линии шахматной доски?

Решение. Первая линия шахматной доски представляет собой 8 клеток, на которых и надо расположить эти 8 фигур. Различные варианты расположения будут отличаться только порядком фигур, значит, это будут перестановки с повторениями Р₈ (2,2,2).

По формуле (3.4) получаем: способов.

30) Какой формулой определяется число размещений с повторениями из n элементов по m элементов?

Размещения

Размещениями из n элементов по m элементов (m < n) называются комбинации, составленные из данных n элементов по m элементов, которые отличаются либо самими элементами, либо порядком элементов.

Число размещений без повторений из n по m (n различных элементов) вычисляется по формуле:

(3.1)

Размещениями с повторениями из n элементов по m называются упорядоченные m -элементные выборки, в которых элементы могут повторяться.

Число размещений с повторениями вычисляется по формуле:

(3.2)

Пример. Возьмем буквы Б, А, Р. Какие размещения из этих букв, взятых по две, можно получить? Сколько таких наборов получиться, если: 1) буквы в наборе не повторяются; 2) буквы могут повторяться?

Решение.

1. Получатся следующие наборы: БА, БР, АР, АБ, РБ, РА.

По формуле (3.1) получаем: наборов.

2. Получатся наборы: ББ, БА, БР, АА, АБ, АР, РР, РБ, РА.

По формуле (3.2) получаем: наборов.

Пример. Вдоль дороги стоят 6 светофоров. Сколько может быть различных комбинаций их сигналов, если каждый светофор имеет 3 состояния: "красный", "желтый", "зеленый"?

Решение. Выпишем несколько комбинаций: КККЖЗЗ, ЗЗЗЗЗЗ, КЖЗКЖЗ... Мы видим, что состав выборки меняется и порядок элементов существенен (ведь если, например, в выборке КЖЗКЖЗ поменять местами К и Ж, ситуация на дороге будет другой). Поэтому применяем формулу (3.2) и вычисляем число размещений с повторениями из 3 по 6, получаем комбинаций.

31) Какой формулой определяется число сочетаний с повторениями из n элементов по m элементов?

Сочетания

Сочетаниями из n элементов по m элементов называются комбинации, составленные из данных n элементов по m элементов, которые различаются хотя бы одним элементом (отличие сочетаний от размещений в том, что в сочетаниях не учитывается порядок элементов).

Число сочетаний без повторений (n различных элементов, взятых по m) вычисляется по формуле:

(3.5)

Число сочетаний c повторениями (n элементов, взятых по m, где элементы в наборе могут повторяться) вычисляется по формуле:

(3.6)

Пример. Возьмем буквы Б, А, Р. Какие сочетания из этих букв, взятых по две, можно получить? Сколько таких наборов получится, если: 1) буквы в наборе не повторяются; 2) можно брать по два одинаковые буквы.

Решение.

1. Получатся наборы: БА (БА и АБ - один и тот же набор), АР и РБ

По формуле (3.5) получаем: наборов.

2. Получатся наборы: ББ, БА, БР, АА, АР, РР.

По формуле (3.6) получаем: наборов.

Пример. Из 20 учащихся надо выбрать двух дежурных. Сколькими способами это можно сделать?

Решение. Надо выбрать двух человек из 20. Ясно, что от порядка выбора ничего не зависит, то есть Иванов-Петров или Петров-Иванов - это одна и та же пара дежурных. Следовательно, это будут сочетания из 20 по 2.

По формуле (3.5) получаем: способов.

Пример. В хлебном отделе имеются булки белого и черного хлеба. Сколькими способами можно купить 6 булок хлеба?

Решение. Обозначая булки белого и черного хлеба буквами Б и Ч, составим несколько выборок: ББББББ, ББЧЧББ, ЧЧЧЧЧБ,... Состав меняется от выборки к выборке, порядок элементов несущественен, значит это - сочетания с повторениями из 2 по 6. По формуле (3.6) получаем способов.

Cделаем проверку и выпишем все варианты покупки: ББББББ, БББББЧ, ББББЧЧ, БББЧЧЧ, ББЧЧЧЧ, БЧЧЧЧЧ, ЧЧЧЧЧЧ. Их действительно 7.

32) Что называют суммой двух событий?

Суммойдвух событийи называют событие, состоящее в появлении события , или события , или обоих этих событий.
Суммой нескольких событий называют событие, состоящее в появлении хотя бы одного из этих событий.

33) Что называют произведением двух событий?

Произведением двух событийи называют событие , состоящее в совместном появлении этих событий.

34) Чему равна вероятность суммы двух несовместных событий?

Событие называют независимым от события, если появление события не меняет вероятности появления события , то есть если условная вероятность события равна его безусловной вероятности:
.
Свойство независимости событий взаимно: если событие не зависит от события , то и событие не зависит от события .
Теорема. Вероятность совместного появления двух независимых событий равна произведению вероятности этих событий:
.
Несколько событий называют попарно независимыми, если каждые два из них независимы.
Несколько событий называют независимыми в совокупности, если независимы каждые два из них и независимы каждое событие и все возможные произведения остальных.

35) Сформулируйте теорему сложения?

Вероятность р (А + В) суммы событий А и В равна

Р (А + В) = р (А) + р (В) – р (АВ). (2.2)

Доказательство.

Докажем теорему сложения для схемы случаев. Пусть п – число возможных исходов опыта, т_А – число исходов, благоприятных событию А, т_В – число исходов, благопри-ятных событию В, а т_АВ – число исходов опыта, при которых происходят оба события (то есть исходов, благоприятных произведению АВ). Тогда число исходов, при которых имеет место событие А + В, равно т_А + т_В – т_АВ (так как в сумме (т_А + т_В) т_АВ учтено дважды: как исходы, благоприятные А, и исходы, благоприятные В). Следовательно, вероятность суммы можно определить по формуле 2,2 что и требовалось доказать.

36) Чему равна сумма вероятностей событий, образующих полную группу?

Сумма вероятностей попарно несовместных событий , образующих полную группу, равна единице:
.
Противоположными называют два единственно возможных события, образующих полную группу.
Событие, противоположное событию , принято обозначать .

37) Сформулируйте теорему умножения вероятностей зависимых событий?

Вероятность произведения двух событий (совместного появления этих событий) равна произведению вероятности одного из них на условную вероятность другого, вычисленную при условии, что первое событие уже наступило.

38) Что означает, что два события независимы?

Несколько событий называют независимыми в совокупности, если независимы каждые два из них и независимы каждое событие и все возможные произведения остальных.

39) Чему равна вероятность произведения двух независимых событий?

Вероятность совместного появления нескольких событий, независимых в совокупности, равна произведению вероятностей этих событий:
.

40) Сформулируйте теорему сложения вероятностей совместных событий?

Два события называются совместными, если появление одного из них не исключает появления другого в одном и том же опыте.

Пример. Поступление в магазин одного вида товара — событие . Поступление второго вида товара — событие . Поступить эти товары могут и одновременно. Поэтому и - совместные события.

Теорема. Вероятность появления хотя бы одного из двух совместных событий равна сумме вероятностей этих событий без вероятности их совместного появления

P(A+B) = P(A) + P(B) — P(AB). (2.5)

Доказательство. Событие наступит, если наступит одно из трех несовместных событий , , . По теореме сложения вероятностей несовместных событий имеем

(2.6)

Событие произойдет, если наступит одно из двух несовместных событий: , . Вновь применяя теорему сложения вероятностей несовместных событий, получаем . Откуда

(2.7)

Аналогично для события Откуда

.(2.8)

Подставив (2.7) и (2.8) в (2.6), находим

P(A+B) = P(A) + P(B) — P(AB).

Пример. Если вероятность поступления в магазин одного вида товара равна P(A) = 0,4, а второго товара — P(B) = 0,5, и если допустить, что эти события независимы, но совместны, то вероятность суммы событий равна

P(A+B) = 0,4 + 0,5 — 0,4×0,5 = 0,7.