חזור לתיקייה: 02340141 - קומבינטוריקה למדעי המחשב

4 - אינדוקציה ורקורסיה

חיפוש בתיקיה
Ctrl K
לחץ כאן או הקש Ctrl K כדי לחפש בכל התיקיה
  • אינדוקציה
  • אינדוקציה רב מימדית
  • רקורסיה
  • בלבול - Derangement
  • נסיגה רב-מימדית
  • עקרון ההכלה וההדרה
  • הקדמה
  • הכלה והדרה
  • הכלה והדרה עבור שלוש קבוצות
  • העקרון באופן כללי
  • בלבול באמצעות הכלה-הדרה
  • סיכום עד כה

4 - אינדוקציה ורקורסיה

02340141

קומבינטוריקה למדעי המחשב

רשימות הרצאה לקריאה בשבת

אינדוקציה ורקורסיה

הופק מתוך תקיית התואר של שקד

uni-folder.vercel.app

אינדוקציה

אינדוקציה הוא אוסף של טענות המוגדרות על כל המספרים הטבעיים.
נתחיל כעת באינדוקציה בתור קונספט: נתונה טענה A(n)\mathcal{A}(n)A(n) התלויה בפרמטר טבעי(חיובי) nnn.

דוגמה

מספר האפשרויות לסדר nnn מספרים שונים בשורה הוא Pn=n!P_{n}=n!Pn​=n!
מספר האפשרויות לסדר 3 מספרים שונים בשורה הוא A(3):P3=6\mathcal{A}(3):\qquad P_{3}=6A(3):P3​=6

דוגמה

בלוח n×nn\times nn×n יש Sn=n(n+1)(2n+1)6S_{n}=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}Sn​=6n(n+1)(2n+1)​ ריבועים.
בלוח 6×66\times 66×6 יש S6=91=6(6+1)(2⋅6+1)6S_{6}=91=\frac{6(6+1)(2\cdot 6+1)}{6}S6​=91=66(6+1)(2⋅6+1)​ ריבועים.

אקסיומה

תהי טענה A(n)\mathcal{A}(n)A(n) התלויה בפרמטר טבעי(חיובי) nnn. אם:

  1. הטענה A(1)\mathcal{A}(1)A(1) נכונה (בסיס האינדוקציה)\color{green}(\R{\text{בסיס האינדוקציה}})(בסיס האינדוקציה)
  2. לכל nnn מתקיים כי נכונות A(n)\mathcal{A}(n)A(n) גוררת את נכונות (צעד האינדוקציה)A(n+1){\color{purple}(\R{\text{צעד האינדוקציה}})}\quad\mathcal{A}(n+1)(צעד האינדוקציה)A(n+1).

אזי, הטענה A(n)\mathcal{A}(n)A(n) נכונה לכל nnn.

דוגמה

טענה

בלוח n×nn\times nn×n יש Sn=n(n+1)(2n+1)6S_{n}=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}Sn​=6n(n+1)(2n+1)​ ריבועים.

הוכחה: נוכיח את הטענה באינדוקציה
בסיס: נוכיח את הטענה עבור n=1n=1n=1
מספר הריבועים בלוח 1×11\times11×1 הוא S1=1=1⋅2⋅36S_{1}=1=\frac{1\cdot 2\cdot 3}{6}S1​=1=61⋅2⋅3​.
צעד: נניח כי הטענה נכונה עבור nnn ונוכיח כי הטענה נכונה עבור n+1n+1n+1.
קיימת פונקציה חח"ע ועל בין מספר הקודקודים בריבוע n×nn\times nn×n לבין מספר הריבועים הנוספים שנדרש להוסיף כשעבור מריבוע n×nn\times nn×n לריבוע n+1×n+1n+1\times n+1n+1×n+1.
לכן מתקיים:

Sn+1=Sn+(n+1)2=n(n+1)(2n+1)6 ⁣+(n+1)2 ⁣= ⁣n+16(n(2n+1)+6(n+1)) ⁣= ⁣n+16(n+2)(2n+3)S_{n+1}=S_{n}+(n+1)^2=\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}\!+(n+1)^2\!=\!\frac{n+1}{6}(n(2n+1)+6(n+1))\!=\!\frac{n+1}{6}(n+2)(2n+3)Sn+1​=Sn​+(n+1)2=6n(n+1)(2n+1)​+(n+1)2=6n+1​(n(2n+1)+6(n+1))=6n+1​(n+2)(2n+3)

∎

משפט

תהי A(n)\mathcal{A}(n)A(n) התלויה בפרמטר טבעי(חיובי) nnn. אם

  1. הטענה A(1)\mathcal{A}(1)A(1) נכונה
  2. לכל nnn מתקיים כי נכונות כל הטענות A(n),…,A(2),A(1)\mathcal{A}(n),\dots,\mathcal{A}(2),\mathcal{A}(1)A(n),…,A(2),A(1) גוררת את נכונות A(n+1)\mathcal{A}(n+1)A(n+1)

אזי, הטענה A(n)\mathcal{A}(n)A(n) נכונה.

המשפט הזה נראה לכאורה חלש יותר מהאקסיומה ממקודם - נוכל להגיע ממנו לאקסיומה על ידי שינוי הטענה:
נגדיר טענה B(n)\mathcal{B}(n)B(n) בתור: "כל הטענות A(n),…,A(2),A(1)\mathcal{A}(n),\dots,\mathcal{A}(2),\mathcal{A}(1)A(n),…,A(2),A(1)" נכונות"

  1. הטענה B(1)\mathcal{B}(1)B(1) נכונה.
  2. לכל nnn מתקיים: נכונות B(n)\mathcal{B}(n)B(n) גוררת את נכונות A(n+1)\mathcal{A}(n+1)A(n+1) ולכן את נכונות B(n+1)\mathcal{B}(n+1)B(n+1).

מהאקסיומה נובע כי B(n)\mathcal{B}(n)B(n) נכונה לכל nnn.

דוגמה

עץ חלוקה בינארי nnn הוא עץ בינארי אשר לכל צומת מתקיים כי סכום הבנים שלה הוא הערך של הצומת.

טענה

לכל טבעי חיובי nnn, מספר הצמתים בכל עץ חלוקה בינארי nnn הוא 2n−12n-12n−1.

הוכחה: נוכיח את הטענה באינדוקציה.
בסיס: ברור
צעד: נניח כי הטענה נכונה עבור n,…,2,1n,\dots,2,1n,…,2,1 ונוכיח כי הטענה נכונה עבור n+1n+1n+1.
נגדיר את שני הילדים של השורש בעץ החדש כ: n1,n2n_{1},n_{2}n1​,n2​. לפי הגדרת עץ חלוקה בינארי נקבל:

n1+n2=n+1n1,n2≥1n_{1}+n_{2}=n+1 \qquad \qquad n_{1},n_{2}\geq 1n1​+n2​=n+1n1​,n2​≥1

לכן, כל ילד מקיים: n1,n2≤nn_{1},n_{2}\leq nn1​,n2​≤n. לכן, לפי הנחת האינדוקציה לעץ המתחיל מ-nin_{i}ni​ יש Ti=2ni−1T_{i}=2n_{i}-1Ti​=2ni​−1 ואז מתקיים:

T=T1+T2+1=(2n1−1)+(2n2−1)+1=2(n1+n2)−1=2(n+1)−1T=T_{1}+T_{2}+1=(2n_{1}-1)+(2n_{2}-1)+1=2(n_{1}+n_{2})-1=2(n+1)-1T=T1​+T2​+1=(2n1​−1)+(2n2​−1)+1=2(n1​+n2​)−1=2(n+1)−1

כנדרש.
∎

אינדוקציה רב מימדית

נתונה טענה A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) התלויה במספרים טבעיים(חיוביים) n,mn,mn,m.

דוגמה

A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) היא הטענה הבאה: מספר האפשרויות לבחור mmm איברים שונים ללא חזרות מתוך nnn איברים שונים כשיש חשיבות לסדר הוא:

Pnm=n!(n−m)!P_{n}^m=\frac{n!}{(n-m)!}Pnm​=(n−m)!n!​

נזכר בזה מבעיות ספירה.

משפט

תהי A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) טענה התלויה במספרים טבעיים חיוביים n,mn,mn,m.
אם הטענות A(n,1)\mathcal{A}(n,1)A(n,1) ו-A(1,m)\mathcal{A}(1,m)A(1,m) נכונות לכל n,mn,mn,m ו-A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) גוררת את A(n+1,m+1)\mathcal{A}(n+1,m+1)A(n+1,m+1) אזי A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) נכונה לכל n,mn,mn,m.

משפט

תהי A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) טענה התלויה במספרים טבעיים חיוביים n,mn,mn,m.
אם הטענה A(1,1)\mathcal{A}(1,1)A(1,1) נכונה ו-A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) גוררת את A(n+1,m)\mathcal{A}(n+1,m)A(n+1,m) ו-A(n,m+1)\mathcal{A}(n,m+1)A(n,m+1) אזי A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) נכונה לכל n,mn,mn,m.

רקורסיה

הגדרה 1 (נוסחת נסיגה)

סדרה של איברים תקרא נוסחת נסיגה אם כל איבר מוגדר באמצעות האיברים הקודמים בסדרה.

דוגמה

סדרה חשבונית: an=an−1+da_{n}=a_{n-1}+dan​=an−1​+d כאשר a1=aa_{1}=aa1​=a תנאי ההתחלה ואז an=a+(n−1)da_{n}=a+(n-1)dan​=a+(n−1)d.
סדרה הנדסית: an=an−1qa_{n}=a_{n-1}qan​=an−1​q כאשר a1=aa_{1}=aa1​=a תנאי ההתחלה ואז an=aqn−1a_{n}=aq^{n-1}an​=aqn−1.

דוגמה

מה מספר המילים מעל {1,2}\left\{ 1,2 \right\}{1,2} באורך כלשהו שסכום איבריהן הוא nnn?
נסמן ב-ana_{n}an​ את מספרן:

n=5:1,1,1,1,11,1,1,21,1,2,11,2,1,12,1,1,12,2,12,1,21,2,2  ⟹  a5=8n=5:\qquad 1,1,1,1,1 \quad 1,1,1,2 \quad 1,1,2,1 \quad 1,2,1,1 \quad 2,1,1,1 \quad 2,2,1 \quad 2,1,2 \quad 1,2,2 \implies a_{5}=8n=5:1,1,1,1,11,1,1,21,1,2,11,2,1,12,1,1,12,2,12,1,21,2,2⟹a5​=8

השאלה היא איך אנו ניצור נוסחת נסיגה לזה?
כל מילה שסכומה nnn מתחילה ב-111 או 222.
אם היא מתחילה ב-111 אזי נדרש ליצור את המשך המילה, שהיא מילה בפני עצמה עבור n−1n-1n−1 ואז זה יהיה an−1a_{n-1}an−1​.
באותו האופן, אם היא מתחילה ב-222 אז המשך המילה יהיה an−2a_{n-2}an−2​ ולכן:

an=an−1+an−2a_{n}=a_{n-1}+a_{n-2}an​=an−1​+an−2​

וזוהי סדרת פיבונאצ'י (המופיעה עם תנאי התחלה: a1=1,a2=2a_{1}=1,a_{2}=2a1​=1,a2​=2)

בלבול - DerangementDerangementDerangement

נסמן ב-DnD_{n}Dn​ את מספר התמורות של {1,2,…,n}\left\{ 1,2,\dots,n \right\}{1,2,…,n} בה אף איבר אינו נמצא במקומו הסידורי.

דוגמה

D1=0D2=11221D3=2123132213231312321D_{1}=0 \qquad \begin{matrix} D_{2}=1 \\ {\color{red}12} \\ {\color{green}21} \end{matrix} \qquad \begin{matrix} D_{3}=2 \\ {\color{red}123} \\ {\color{red}132} \\ {\color{red}213} \\ {\color{green}231} \\ {\color{green}312} \\ {\color{red}321} \end{matrix}D1​=0D2​=11221​D3​=2123132213231312321​

ננסה כעת למצוא נוסחה לזה:
יש לנו n−1n-1n−1 אפשרויות לשים מישהו במיקום הראשון. כעת, יש לנו את אותה הבעיה עם n−1n-1n−1.
אם פשוט נחליף בין 111 ל-iii אז נקבל שיש לנו את הבעיה עם n−2n-2n−2. אך, אם לא נשים את 111 במקום ה-iii אז תהיה לנו את אותה הבעיה עם n−1n-1n−1 איברים. (שכן לכל איבר יש מקום אחד בדיוק שהוא לא יכול להיות בו)
לכן, לפי עקרון הכפל:

Dn=(n−1)(Dn−1+Dn−2)D_{n}=(n-1)(D_{n-1}+D_{n-2})Dn​=(n−1)(Dn−1​+Dn−2​)

נסיגה רב-מימדית

נסמן ב-A(n,m)\mathcal{A}(n,m)A(n,m) את מספר המסלולים URURUR מ-(0,0)(0,0)(0,0) ל-(n,m)(n,m)(n,m).
​קומבי-הרצאה4-תמונה1.png

A(0,1)=1A(1,0)=1A(1,1)=2A(0,1)=1 \qquad \qquad A(1,0)=1 \qquad \qquad A(1,1)=2A(0,1)=1A(1,0)=1A(1,1)=2

נשים לב כי כדי להגיע ל-(n,m)(n,m)(n,m) נדרש לעבור או ב-(n−1,m)(n-1,m)(n−1,m) או ב-(n,m−1)(n,m-1)(n,m−1) ולכן, מספר המסלולים הוא:

  A(n,m)=A(n−1,m)+A(n,m−1)  \boxed{\;\begin{matrix} \\ \\ \end{matrix}\mathcal{A}(n,m)=\mathcal{A}(n-1,m)+\mathcal{A}(n,m-1)\;}​A(n,m)=A(n−1,m)+A(n,m−1)​

מהו תנאי ההתחלה? כלומר, מה אנו לא יכולים לחשב?
אנו לא יכולים לחשב את כל השורה הראשונה ואת כל העמודה הראשונה.

A(0,m)=A(n,0)=1\mathcal{A}(0,m)=\mathcal{A}(n,0)=1A(0,m)=A(n,0)=1

ואת כל השאר ניתן לחשב.

ננסה למצוא נוסחה מפורשת. ננחש A(n,m)=(n+mm)\mathcal{A}(n,m)=\begin{pmatrix}n+m\\ m\end{pmatrix}A(n,m)=(n+mm​) ונוכיח באינדוקציה:
בסיס: A(0,m)=A(n,0)=1\mathcal{A}(0,m)=\mathcal{A}(n,0)=1A(0,m)=A(n,0)=1
צעד:

A(n,m)=A(n−1,m)+A(n,m−1)=↓הנחת האינדוקציה(n+m−1m)+(n+m−1m−1)=↓זהות משולש פסקל(n+mm)\mathcal{A}(n,m)=\mathcal{A}(n-1,m)+\mathcal{A}(n,m-1)\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{הנחת האינדוקציה}} \end{matrix}}{=}\begin{pmatrix} n+m-1 \\ m \end{pmatrix}+\begin{pmatrix} n+m-1 \\ m-1 \end{pmatrix} \underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{זהות משולש פסקל}} \end{matrix}}{=} \begin{pmatrix} n+m \\ m \end{pmatrix}A(n,m)=A(n−1,m)+A(n,m−1)↓הנחת האינדוקציה​=​(n+m−1m​)+(n+m−1m−1​)↓זהות משולש פסקל​=​(n+mm​)

∎

הערה

ניתן לחשוב על כל מסלול ניתן לרשום את הסדר שלו כמו וקטור בינארי(מתי ממשיכים ימינה ומתי למעלה)
אורך של מילה כזאת תהיה n+mn+mn+m (כי אנו הולכים nnn צעדים ימינה ו-mmm צעדים למעלה)
לכן, כל מילה כזו יכולה להיות מוגדרת ע"י מספר הצעדים למעלה שבה באופן מסודר. שזה בדיוק בחירה ללא חזרות וכשאין חשיבות לסדר שזה (n+mm)\begin{pmatrix}n+m\\ m\end{pmatrix}(n+mm​).

עקרון ההכלה וההדרה

הקדמה

הגדרה 2 (הקבוצה המשלימה)

הקבוצה A‾\overline{A}A תקרא הקבוצה המשלימה של AAA אם:

A‾={x∣x∉A}\overline{A}=\left\{ x | x \not\in A \right\}A={x∣x∈A}
משפט (תכונות הקבוצה המשלימה)

A‾∩A=∅A‾‾=AA‾∪A=Uכאשר U היא הקבוצה האוניברסלית:∣A‾∣=∣U∣−∣A∣\begin{matrix} \overline{A}\cap A=\emptyset \\ \overline{\overline{A}}=A \\ \overline{A} \cup A=U \quad \R{\text{כאשר U היא הקבוצה האוניברסלית:}} \\ |\overline{A}|=|U|-|A| \end{matrix}A∩A=∅A=AA∪A=Uכאשר U היא הקבוצה האוניברסלית:∣A∣=∣U∣−∣A∣​
משפט (כללי דה-מורגן)

A∪B‾=A‾∩B‾\overline{A \cup B}=\overline{A} \cap \overline{B}A∪B=A∩B A∩B‾=A‾∪B‾\overline{ A \cap B}=\overline{A} \cup \overline{B}A∩B=A∪B

הכלה והדרה

משפט

∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣|A \cup B|=|A|+|B|-|A \cap B|∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣ ∣A‾∩B‾∣=∣U∣−(∣A∣+∣B∣)+∣A∩B∣|\overline{A} \cap \overline{ B}|=|U|-(|A|+|B|)+|A \cap B|∣A∩B∣=∣U∣−(∣A∣+∣B∣)+∣A∩B∣

הוכחה:

∣A∪B∣=∣X∣+∣Y∣+∣Z∣|A \cup B|=|X|+|Y|+|Z|∣A∪B∣=∣X∣+∣Y∣+∣Z∣ ∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣=(∣X∣+∣Y∣)+(∣Y∣+∣Z∣)−∣Y∣=∣X∣+∣Y∣+∣Z∣|A|+|B|-|A \cap B|=(|X|+|Y|)+(|Y|+|Z|)-|Y|=|X|+|Y|+|Z|∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣=(∣X∣+∣Y∣)+(∣Y∣+∣Z∣)−∣Y∣=∣X∣+∣Y∣+∣Z∣ ∣A‾∩B‾∣=∣A∪B‾∣=∣U∣−∣A∪B∣=∣U∣−(∣A∣+∣B∣)+∣A∩B∣|\overline{ A}\cap \overline{B}|=|\overline{A \cup B}|=|U|-|A \cup B|=|U|-(|A|+|B|)+|A \cap B|∣A∩B∣=∣A∪B∣=∣U∣−∣A∪B∣=∣U∣−(∣A∣+∣B∣)+∣A∩B∣

∎

הכלה והדרה עבור שלוש קבוצות

משפט

∣A1∪A2∪A3∣=∣A1∣+∣A2∣+∣A3∣−(∣A1∩A2∣+∣A1∩A3∣+∣A2∩A3∣+∣A1∩A2∩A3∣)|A_{1} \cup A_{2} \cup A_{3}|=|A_{1}|+|A_{2}|+|A_{3}|-(|A_{1}\cap A_{2}|+|A_{1}\cap A_{3}|+|A_{2}\cap A_{3}|+|A_{1}\cap A_{2} \cap A_{3}|)∣A1​∪A2​∪A3​∣=∣A1​∣+∣A2​∣+∣A3​∣−(∣A1​∩A2​∣+∣A1​∩A3​∣+∣A2​∩A3​∣+∣A1​∩A2​∩A3​∣)

העקרון באופן כללי

נתונות nnn תתי-קבוצות A1,A2,…,An⊆UA_{1},A_{2},\dots,A_{n}\subseteq UA1​,A2​,…,An​⊆U.
נסמן: W1=∑i=1n∣Ai∣\displaystyle W_{1}=\sum_{i=1}^n |A_{i}|W1​=i=1∑n​∣Ai​∣

W2=∑1≤i1<i2≤n∣Ai1∩Ai2∣W_{2}=\sum_{1\leq i_{1}< i_{2}\leq n}|A_{i_{1}}\cap A_{i_{2}}|W2​=1≤i1​<i2​≤n∑​∣Ai1​​∩Ai2​​∣ ⋮\vdots⋮ Wk=∑1≤i1<i2<⋯<ik≤n∣Ai1∩Ai2∩⋯∩Aik∣W_{k}=\sum_{1\leq i_{1}<i_{2}<\dots<i_{k}\leq n}|A_{i_{1}}\cap A_{i_{2}}\cap \dots \cap A_{i_{k}}|Wk​=1≤i1​<i2​<⋯<ik​≤n∑​∣Ai1​​∩Ai2​​∩⋯∩Aik​​∣ ⋮\vdots⋮ Wn=∣A1∩A2∩⋯∩An∣=∣⋂1≤i≤nAi∣W_{n}=|A_{1}\cap A_{2}\cap\dots \cap A_{n}|=\left| \bigcap_{1\leq i\leq n} A_{i} \right|Wn​=∣A1​∩A2​∩⋯∩An​∣=​1≤i≤n⋂​Ai​​
משפט (עקרון ההכלה וההדרה)

נסמן Wk=∑1≤i1<i2<⋯<ik≤n∣Ai1∩Ai2∩⋯∩Aik∣\displaystyle W_{k}=\sum_{1\leq i_{1}<i_{2}<\dots<i_{k}\leq n}^{\begin{matrix}\\ \end{matrix}}|A_{i_{1}}\cap A_{i_{2}}\cap\dots \cap A_{i_{k}}|Wk​=1≤i1​<i2​<⋯<ik​≤n∑​​∣Ai1​​∩Ai2​​∩⋯∩Aik​​∣ ואז מתקיים:

∣A1∪A2∪A3∪⋯∪An∣=∑k=1n(−1)k+1Wk    .1E(0)=△∣A1‾∩A2‾∩A3‾∩⋯∩An‾∣=∣U∣−∑k=1n(−1)k+1Wk=∑k=0n(−1)kWk    .2\begin{align*} |A_{1}\cup A_{2} \cup A_{3}\cup\dots \cup A_{n}|=\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}W_{k} &\;\;.1 \\ E(0) \overset{\Tiny\triangle}{=} |\overline{A_{1}}\cap\overline{A_{2}}\cap\overline{A_{3}}\cap \dots \cap\overline{A_{n}}|=|U|-\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}W_{k}=\sum_{k=0}^n (-1)^k W_{k} &\;\; .2 \end{align*}∣A1​∪A2​∪A3​∪⋯∪An​∣=k=1∑n​(−1)k+1Wk​E(0)=△∣A1​​∩A2​​∩A3​​∩⋯∩An​​∣=∣U∣−k=1∑n​(−1)k+1Wk​=k=0∑n​(−1)kWk​​.1.2​

הוכחה (1):
נבדוק תרומת איבר נתון x∈Ux \in Ux∈U לשני האגפים.
מקרה א': xxx אינו נמצא כלל ב-A1∪A2∪⋯∪AnA_{1}\cup A_{2}\cup\dots \cup A_{n}A1​∪A2​∪⋯∪An​. לכן, xxx אינו שייך לאף AiA_{i}Ai​ ולאף Ai1∩Ai2∩⋯∩AikA_{i_{1}}\cap A_{i_{2}}\cap\dots \cap A_{i_{k}}Ai1​​∩Ai2​​∩⋯∩Aik​​ ולכן תורם 000 לשני האגפים.
מקרה ב': xxx שייך ל-mmm קבוצות בדיוק כאשר m>0m>0m>0. נניח בה"כ כי שייך ל-A1,…,AmA_{1},\dots,A_{m}A1​,…,Am​.
אזי, ל-∣A1∪A2∪⋯∪An∣|A_{1}\cup A_{2}\cup\dots \cup A_{n}|∣A1​∪A2​∪⋯∪An​∣ הוא תורם 1.
נשים לב כי xxx שיך ל-Ai1∩Ai2∩⋯∩AikA_{i_{1}}\cap A_{i_{2}}\cap\dots \cap A_{i_{k}}Ai1​​∩Ai2​​∩⋯∩Aik​​ אמ"מ {i1,i2,…,ik}⊆{1,2,3,…,m}\left\{ i_{1},i_{2},\dots,i_{k} \right\}\subseteq \left\{ 1,2,3,\dots,m \right\}{i1​,i2​,…,ik​}⊆{1,2,3,…,m} לכן התרומה של xxx ל-WkW_{k}Wk​ היא (nk)\begin{pmatrix}n\\ k\end{pmatrix}(nk​) והתרומה ל-∑k=1n(−1)k+1Wk\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}W_{k}∑k=1n​(−1)k+1Wk​ היא:

∑k=1n(−1)k+1(mk)=1−∑k=0m(−1)k(mk)=↓משפט הבינום1−(1−1)m=1\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}\begin{pmatrix} m \\ k \end{pmatrix}=1-\sum_{k=0}^m (-1)^k \begin{pmatrix} m \\ k \end{pmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ \R{\text{משפט הבינום}} \end{matrix}}{=} 1-(1-1)^m=1k=1∑n​(−1)k+1(mk​)=1−k=0∑m​(−1)k(mk​)↓משפט הבינום​=​1−(1−1)m=1

∎

הוכחה (2):

∣A1‾∩A2‾∩A3‾∩⋯∩An‾∣=∣U∣−∣A1‾∩A2‾∩A3‾∩⋯∩An‾‾∣=W0−∣A1∪A2∪A3∪⋯∪An∣=W0−∑k=1n(−1)k+1Wk=∑k=0n(−1)kWk\begin{align*} \left| \overline{A_{1}}\cap\overline{A_{2}}\cap\overline{A_{3}}\cap \dots \cap\overline{A_{n}} \right|&= \left| U \right|-\left| \overline{\overline{A_{1}}\cap\overline{A_{2}}\cap\overline{A_{3}}\cap \dots \cap\overline{A_{n}}}\right| \\ &=W_{0}-\left| A_{1}\cup A_{2} \cup A_{3}\cup \dots \cup A_{n} \right| \\ &=W_{0}-\sum_{k=1}^n (-1)^{k+1}W_{k} \\ &=\sum_{k=0}^n (-1)^k W_{k} \end{align*}​A1​​∩A2​​∩A3​​∩⋯∩An​​​​=∣U∣−​A1​​∩A2​​∩A3​​∩⋯∩An​​​​=W0​−∣A1​∪A2​∪A3​∪⋯∪An​∣=W0​−k=1∑n​(−1)k+1Wk​=k=0∑n​(−1)kWk​​

∎

בלבול באמצעות הכלה-הדרה

אנו רוצים את כל התמורות בהן אף איבר לא נמצא במקומו הסידורי. עשינו זאת קודם אך כעת נוכל לעשות זאת בקלות יותר לפי עקרון ההכלה וההדרה.
נגדיר את AiA_{i}Ai​ את קבוצת התמורות בהן האיבר ה-iii נמצא במקום iii.
נרצה לחשב את החיתוך של המשלימים של כולם שהרי במשלים, iii אינו נמצא במקום ה-iii. נסמן:

Dn=∣A1‾∩A2‾∩A3‾∩⋯∩An‾∣D_{n}=\left| \overline{A_{1}}\cap \overline{A_{2}}\cap \overline{A_{3}}\cap \dots \cap \overline{A_{n}} \right|Dn​=​A1​​∩A2​​∩A3​​∩⋯∩An​​​

לפי עקרון ההכלה-הדרה מתקיים:

Dn=∑k=0n(−1)kWkD_{n}=\sum_{k=0}^n (-1)^k W_{k}Dn​=k=0∑n​(−1)kWk​

נחשב את WkW_{k}Wk​ (בזהירות). קודם כל נחשב את W1W_{1}W1​ כדי להתחמם:

W1=∣A1∣+∣A2∣+⋯+∣An∣=W_{1}=|A_{1}|+|A_{2}|+\dots+|A_{n}|=W1​=∣A1​∣+∣A2​∣+⋯+∣An​∣=

A1A_{1}A1​ - כל התמורות בהן 111 במקום 111. כלומר, המקום של 111 נקבע וסידור של שאר האיברים הוא (n−1)!(n-1)!(n−1)!. כך לכל קבוצה ולכן: ∣Ai∣=(n−1)!|A_{i}|=(n-1)!∣Ai​∣=(n−1)! ואז:

W1=n(n−1)!W_{1}=n(n-1)!W1​=n(n−1)!

הערה: ברור שזה n!n!n! אבל המרצה לא רצה לרשום זאת כך ותכף נראה למה.
נמשיך בזהירות שלנו ונחשב את W2W_{2}W2​ כך:

W2=∣A1∩A2∣+∣A1∩A3∣+⋯+∣An−1∩An−2∣W_{2}=|A_{1}\cap A_{2}|+|A_{1}\cap A_{3}|+\dots+|A_{n-1}\cap A_{n-2}|W2​=∣A1​∩A2​∣+∣A1​∩A3​∣+⋯+∣An−1​∩An−2​∣

עבור כל קבוצה יש לנו שני איברים אשר מקומם קבוע ולכן נותר לסדר n−2n-2n−2 איברים ב-n−2n-2n−2 מקומות ולכן זה (n−2)!(n-2)!(n−2)!. בכל איחוד שכזה יש שתי קבוצות ולכן, אלו כל הזוגות האפשריים מתוך nnn ויש כאלו בדיוק (n2)\begin{pmatrix}n \\ 2\end{pmatrix}(n2​) ולכן:

W2=(n2)(n−2)!W_{2}= \begin{pmatrix} n \\ 2 \end{pmatrix}(n-2)!W2​=(n2​)(n−2)!

הופה, נשים לב שיש לנו איזושהי תבנית. נבנה עכשיו את WkW_{k}Wk​ הכללי:

Wk=(nk)(n−k)!=n!k!W_{k}=\begin{pmatrix} n \\ k \end{pmatrix}(n-k)!=\frac{n!}{k!}Wk​=(nk​)(n−k)!=k!n!​

כעת, נוכל לחשב את DnD_{n}Dn​ באמצעות עקרון ההכלה-הדרה:

Dn=∑k=0n(−1)kWk=∑k=0n(−1)kn!k!=n!∑k=0n(−1)kk!=n!∑k=0n(−1)kk!≈n!eD_{n}=\sum_{k=0}^n (-1)^k W_{k}=\sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k n!}{k!}=n! \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k}{k!}=n!\sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k}{k!} \approx \frac{n!}{e}Dn​=k=0∑n​(−1)kWk​=k=0∑n​k!(−1)kn!​=n!k=0∑n​k!(−1)k​=n!k=0∑n​k!(−1)k​≈en!​

סיכום עד כה

דוגמה

כעת נקח nnn כדורים ו-rrr תאים.

 תאיםr כדוריםnלכל היותר כדור אחד בכל תאלפחות כדור אחד בכל תאמספר כלשהו של כדורים בתאזהיםזהים{1r≥n0r<nΠ(n,r) ⁣= ⁣Π(n ⁣− ⁣1,r ⁣− ⁣1) ⁣+ ⁣Π(n ⁣− ⁣r,r)Π(n+r,r)זהיםשונים{1r≥n0r<0S(n,r)=1r!T(n,r)>∑i=1rS(n,i)שוניםזהים(rn)Crn−r=(n−1n−r)Crn=(r+n−1n)שוניםשוניםPrn=(rn)n!T(n,r)=∑k=0r(−1)k(rk)(r−k)nrn\begin{array}{|c|c|c|c|} \hline \R{\text{ תאים}}r & \R{\text{ כדורים}}n & \R{\text{לכל היותר כדור אחד בכל תא}} & \R{\text{לפחות כדור אחד בכל תא}} & \R{\text{מספר כלשהו של כדורים בתא}} \\ \hline \R{\text{זהים}} & \R{\text{זהים}} & \begin{cases} 1 & r\geq n \\ 0 & r<n \end{cases} & \Pi(n,r)\!=\!\Pi(n\!-\!1,r\!-\!1)\!+\!\Pi(n\!-\!r,r) & \Pi(n+r,r) \\ \hline \R{\text{זהים}} & \R{\text{שונים}} & \begin{cases} 1 & r\geq n \\ 0 & r<0 \end{cases} & \displaystyle S(n,r)=\frac{1}{r!}T(n,r) & > \displaystyle \sum_{i=1}^r S(n,i) \\ \hline \R{\text{שונים}} & \R{\text{זהים}} & \begin{pmatrix} r \\ n \end{pmatrix} & \mathbb{C}_{r}^{n-r}=\begin{pmatrix} n-1 \\ n-r \end{pmatrix} & \mathbb{C}_{r}^{n}=\begin{pmatrix} r+n-1 \\ n \end{pmatrix} \\ \hline \R{\text{שונים}} & \R{\text{שונים}} & P_{r}^n=\begin{pmatrix} r \\ n \end{pmatrix}n! & \displaystyle T(n,r)=\sum_{k=0}^r (-1)^k\begin{pmatrix} r \\ k \end{pmatrix}(r-k)^n & r^n \\ \hline \end{array} תאיםrזהיםזהיםשוניםשונים​ כדוריםnזהיםשוניםזהיםשונים​לכל היותר כדור אחד בכל תא{10​r≥nr<n​{10​r≥nr<0​(rn​)Prn​=(rn​)n!​לפחות כדור אחד בכל תאΠ(n,r)=Π(n−1,r−1)+Π(n−r,r)S(n,r)=r!1​T(n,r)Crn−r​=(n−1n−r​)T(n,r)=k=0∑r​(−1)k(rk​)(r−k)n​מספר כלשהו של כדורים בתאΠ(n+r,r)>i=1∑r​S(n,i)Crn​=(r+n−1n​)rn​​

איך נוכל לפתור את T(n,r)T(n,r)T(n,r) כנוסחת נסיגה?

  • זוהי בעצם חלוקת nnn כדורים שונים ל-rrr תאים שונים שאינם ריקים.
  • בנוסחאות נסיגה תמיד נרצה לשים לעצמנו עוגן.

נתחיל מהעוגן ונבחר כדור מיוחד. מה ניתן להגיד על כדור מסויים? הוא באחד מהתאים. יש לנו rrr אפשרויות לסידור הכדור היחיד שלנו. לאחר שאנו שמים אותו בתא, הוא כבר לא ריק ולכן אין עליו מגבלה. לכן, נוספו לנו יותר אפשרויות.
נדרש להתחכם טיפה ולפצל לשני מקרים. אילו? או שהכדור יהיה לבד בתא או שיהיה בתא לפחות עוד כדור אחד.
המקרה שהכדור יהיה לבדו בתא יהיה סידור של n−1n-1n−1 כדורים ל-r−1r-1r−1 תאים והמקרה השני הינו סידור של n−1n-1n−1 כדורים ל-rrr תאים.

T(n,r)=r(T(n−1,r)+T(n−1,r−1))T(n,r)=r(T(n-1,r)+T(n-1,r-1))T(n,r)=r(T(n−1,r)+T(n−1,r−1))

למה זה עובד? לאור תנאי העצירה של הפונקציה. אנו עוצרים כל פעם ש-n<rn< rn<r וכל פעם שזה קורה אנו מחזירים אפס. לכן, מקרים בהם כל הכדורים נכנסים לאותו התא לא נספרים.

איך נוכל לפתור את S(n,r)S(n,r)S(n,r) כנוסחת נסיגה?

  • נוכל לעשות אותה ישירות כבעיה חדשה לגמרי
  • ניתן לעבוד על נוסחת הנסיגה של TTT ולקבל נוסחת נסיגה ל-SSS.
T(n,r)=r(T(n−1,r)+T(n−1,r−1))  ⟹  S(n,r)r!=r(S(n−1,r)r!+S(n−1,r−1)(r−1)!)T(n,r)=r(T(n-1,r)+T(n-1,r-1)) \implies S(n,r)r!= r(S(n-1,r)r!+S(n-1,r-1)(r-1)!)T(n,r)=r(T(n−1,r)+T(n−1,r−1))⟹S(n,r)r!=r(S(n−1,r)r!+S(n−1,r−1)(r−1)!)   ⟹  S(n,r)=rS(n−1,r)+S(n−1,r−1)\implies S(n,r)=rS(n-1,r)+S(n-1,r-1)⟹S(n,r)=rS(n−1,r)+S(n−1,r−1)
משפט

הערכים הבאים שווים עבור שלמים אי שליליים n=k1+k2+⋯+krn=k_{1}+k_{2}+\dots+k_{r}n=k1​+k2​+⋯+kr​:

  1. מספר האפשרויות לחלק nnn כדורים שונים ל-rrr תאים שונים, כשבתא ה-iii יש kik_{i}ki​ כדורים.
  2. מספר האפשרויות לבחור מקרב nnn אנשים r−1r-1r−1 ועדים שונים וזרים, כשלוועד ה-iii נבחרים kik_{i}ki​ חברים.
  3. מספר האפשרויות לחלק ל-nnn שונים כדורים מ-r−1r-1r−1 סוגים שונים, כשמכל סוג iii יש kik_{i}ki​ כדורים זהים ובכל תא כדור אחד לכל היותר.
  4. מספר המילים באורך nnn מעל האלפבית {1,2,…,r}\left\{ 1,2,\dots,r \right\}{1,2,…,r} בהן כל אות iii מופיעה kik_{i}ki​ פעמים.
  5. המקדם של המונום x1k1x2k2…xrkrx_{1}^{k_{1}}x_{2}^{k_{2}}\dots x_{r}^{k_{r}}x1k1​​x2k2​​…xrkr​​ בפיתוח המולטינום (x1+x2+⋯+xr)n(x_{1}+x_{2}+\dots+x_{r})^n(x1​+x2​+⋯+xr​)n
  6. הערך (nk1k2…kr)=n!k1!k2!…kr!\displaystyle\begin{pmatrix}n \\\begin{matrix} k_{1} & k_{2} & \dots & k_{r}\end{matrix}\end{pmatrix}=\frac{n!}{k_{1}!k_{2}!\dots k_{r}!}(nk1​​k2​​…​kr​​​)=k1​!k2​!…kr​!n!​