Кіріспе

Математикада комбинаторлық дәлелдеу термині көбінесе математикалық дәлелдеудің екі түрін білдіру үшін қолданылады:
Қос есептеу арқылы дәлелдеу. Комбинаторлық тепе-теңдік, тепе-теңдіктегі әр түрлі өрнектерді алу үшін мұқият таңдалған жиынның элементтерінің санын екі түрлі жолмен санау арқылы дәлелденеді. Осы өрнектер бірдей объектілерді есептейтіндіктен, олар бір-біріне тең болуы керек, демек тепе-теңдік орнатылады. Биективті дәлелдеу. Екі жиынның мүшелерінің саны бірдей екені, олардың арасындағы биекция, яғни бір-бірге сәйкестік көрсету арқылы дәлелденеді. "Комбинаторлық дәлелдеу" термині сондай-ақ комбинаторикадағы кез келген элементарлық дәлелдеуді білдіру үшін қолданылуы мүмкін. Дегенмен, (комбинаторлық дәлелдеулер туралы кітапқа) жазған пікірінде, осы екі қарапайым техника комбинаторика және сандар теориясындағы көптеген теоремаларды дәлелдеуге жеткілікті екендігі айтылған.

Комбинаторлық дәлелдеудің пайдасы

Комбинаторлық санау мәселесінің мысалын келтіреді (n элементтен тұратын жиыннан құрылған k кіші жиынның S1, S2, …, Sk тізбектерінің санын санау, мұнда барлық кіші жиындардың қиылысы бос) және оның шешімі үшін екі түрлі дәлел келтіріледі. Бірінші дәлел, комбинаторлық емес, математикалық индукция мен туынды функцияларды қолданады, нәтижесінде осы типтегі тізбектердің саны (2k −1)n екені анықталады. Екінші дәлел {1, 2, …, k} жиынының 2k −1 меншікті кіші жиыны бар екені және {1, 2, …, n} жиынынан {1, 2, …, k} жиынының меншікті кіші жиындарының жиынына (2k −1)n функция бар екеніне негізделген. Саналатын тізбектерді осы функциялармен бір-бірге сәйкестендіруге болады, мұнда берілген кіші жиындар тізбегінен құрылған функция әрбір i элементін {j | i ∈ Sj} жиынына бейнелейді. Стенли былай деп жазады: "Жоғарыдағы комбинаторлық дәлел біздің бұрынғы дәлелдемемізден ғана емес, қысқа, сонымен қатар қарапайым жауаптың себебін толыққанды түсіндіреді. Көбінесе, осы жағдайда болғандай, ең алғаш келген дәлел ауыр және ұқыпсыз болып шығады, бірақ соңғы жауап қарапайым комбинаторлық дәлелді ұсынады". Комбинаторлық емес дәлелдемелерге қарағанда олардың жиірек көркемдігі және сипаттайтын құрылымдарды жақсы түсінуі себепті, Стенли комбинаторлық дәлелдемелерді басқа дәлелдемелерге қарағанда артық көрудің жалпы қағидасын қалыптастырады және басқа әдістермен шындық екені белгілі математикалық фактілер үшін комбинаторлық дәлелдерді табуға қатысты көптеген есептерді жаттығулар ретінде ұсынады.

Биективті және қос санау дәлелдемелерінің айырмашылығы

Стенли биективті және қос санау дәлелдемелерін нақты ажырата алмайды және екі түрінің де мысалдарын келтіреді, бірақ комбинаторлық дәлелдеменің екі түрі арасындағы айырмашылықты n түйіндер жиынынан құрылатын nn - 2 түрлі ағаш бар екенін көрсететін Кели формуласының дәлелдемелерінің мысалында көруге болады. Айгнер мен Зиглер осы теореманың төрт дәлелін келтіреді, олардың біріншісі биективті, ал соңғысы қос санау аргументі. Олар бесінші биективті дәлелдеудің егжей-тегжейін атап көрсетпейді, бірақ сипаттамайды. Бұл формуланың биективті дәлелін табудың ең табиғи жолы – n түйін ағаштары мен nn - 2 мүшелі нысандар жиынтығы арасындағы биекция табу, мысалы, 1-ден n-ге дейінгі аралықтағы n - 2 мәндердің тізбектері. Мұндай биекцияны әрбір ағаштың Пруфер тізбесін пайдалану арқылы алуға болады. Кез келген ағашты Пруфер тізбегіне бірегей түрде кодтауға болады, ал кез келген Пруфер тізбегін ағашқа бірегей түрде кодтауға болады; бұл екі нәтиже бірге Кели формуласының биективті дәлелін береді. Айгнер мен Зиглер берген және Андре Джояльға жатқызған балама биективті дәлелдеу, бір жағынан екі белгіленген түйіні бар (олар бір-бірімен сәйкес келуі мүмкін) n түйін ағаштарын, екінші жағынан n түйінге бағытталған псевдоормандар арасындағы биекцияны қамтиды. Егер Tn n түйін ағаштары болса, онда екі белгіленген түйіні бар n2Tn ағаштары бар. Ал псевдоорманды оның әр түйіні үшін сол түйінден сыртқа қарай созылатын қабырғаның соңғы нүктесін анықтау арқылы анықтауға болады; бір қабырғаның соңғы нүктесі үшін n мүмкін таңдау бар (өзін-өзі шеңберге алуға рұқсат етіледі) және сондықтан nn мүмкін псевдоорман бар. Екі белгіленген түйіні бар ағаштар мен псевдоормандар арасындағы биекцияны табу арқылы Джояльдің дәлелі Tn = nn - 2 екенін көрсетеді. Соңында, Айгнер мен Зиглер ұсынған Джим Питманның Кейли формуласының төртінші дәлелі қос санау дәлелі болып табылады. Бұл дәлелдемеде Питман n түйін бос графигіне қосылып, одан бір тамырлы ағаш құрайтын бағытталған қабырғалардың тізбектерін қарастырады және осындай тізбектердің санын екі түрлі жолмен есептейді. Мұндай тізбекті қалай алуға болатынын көрсетіп, ағашты, ағаштың тамырын және ағаштың қабырғаларын реттеу арқылы ол Tnn! мүмкін тізбек бар екенін көрсетеді. Ал жартылай тізбекті бір қабырғамен ұзартудың жолдарын санау арқылы ол nn - 2n! мүмкін тізбек бар екенін көрсетеді. Бұл екі формуланы бірдей қабырға тізбектерінің мөлшері үшін теңестіріп, ортақ көбейткіш n! жою арқылы Кейли формуласына жетуге болады.

Қарым-қатынас ұғымдары

Комбинаторлық дәлелдеулерде қолданылатын екі есе санау және биекция принциптері комбинаторлық принциптердің кеңірек тобының мысалдары болып табылады, оларға көгершін ұясы қағидасы сияқты басқа да идеялар кіреді. Комбинаторлық жолмен теңдікті дәлелдеуді, теңдікке көбірек құрылым қосу, сандарды жиынтармен алмастыру арқылы қарастыруға болады; ұқсас түрде, категориялау – жиынтарды категориялармен алмастыру.