Введение

Метод в перечислительной комбинаторике

В математической области перечислительной комбинаторики тождества иногда доказываются аргументами, основанными на выделении одного "выделенного элемента" множества.

Определение

Пусть будет семейство подмножеств множества , а — выделенный элемент множества . Предположим, что существует предикат , связывающий подмножество с . Обозначим через множество подмножеств из , для которых предикат истинен, а через — множество подмножеств из , для которых предикат ложен. Тогда множества и не пересекаются, поэтому, согласно методу суммирования, их мощности аддитивны.

Таким образом, выделенный элемент позволяет осуществить разложение в соответствии с предикатом, который представляет собой простую форму алгоритма "разделяй и властвуй". В комбинаторике это позволяет строить рекуррентные соотношения. Примеры приведены в следующем разделе.

Примеры

Биномиальный коэффициент — это количество подмножеств размера k множества размера n. Основное тождество, одним из следствий которого является то, что биномиальные коэффициенты являются именно числами, появляющимися в треугольнике Паскаля, утверждает, что:

Доказательство: В множестве размером (n + 1) выберите один выделенный элемент. Множество всех подмножеств размера k содержит: (1) все подмножества размера k, которые содержат выделенный элемент, и (2) все подмножества размера k, которые не содержат выделенный элемент. Если подмножество размера k множества размера (n + 1) содержит выделенный элемент, то его остальные k − 1 элементов выбираются из остальных n элементов нашего множества размера (n + 1). Таким образом, число способов выбора таких элементов равно . Если подмножество размера k не содержит выделенный элемент, то все его k членов выбираются из числа остальных n "невыделенных" элементов. Таким образом, число способов выбрать их равно .

Число подмножеств любого множества размера n равно 2n. Доказательство: Мы используем математическую индукцию. Основанием для индукции является истинность этого утверждения в случае n = 0. Пустое множество имеет 0 членов и 1 подмножество, а 20 = 1. Гипотеза индукции — это утверждение в случае n; мы используем её для доказательства случая n + 1. В множестве размером (n + 1) выберите выделенный элемент. Каждое подмножество либо содержит выделенный элемент, либо не содержит. Если подмножество содержит выделенный элемент, то его остальные элементы выбираются из числа остальных n элементов. По гипотезе индукции, число способов сделать это равно 2n. Если подмножество не содержит выделенный элемент, то оно является подмножеством множества всех невыделенных элементов. По гипотезе индукции, число таких подмножеств равно 2n. Наконец, весь список подмножеств нашего множества размером (n + 1) содержит 2n + 2n = 2n+1 элементов.

Пусть Bn — n-е число Белла, т. е. число разбиений множества из n членов. Пусть Cn — общее число "частей" (или "блоков", как их часто называют комбинатористы) среди всех разбиений этого множества. Например, разбиения множества размера 3 {a, b, c} могут быть записаны следующим образом:

Мы видим 5 разбиений, содержащих 10 блоков, поэтому B3 = 5 и C3 = 10. Тождество гласит:

Доказательство: В множестве размером (n + 1) выберите выделенный элемент. В каждом разбиении нашего множества размером (n + 1) либо выделенный элемент является "синглтоном", т. е. множество, содержащее только выделенный элемент, является одним из блоков, либо выделенный элемент принадлежит к большему блоку. Если выделенный элемент является синглтоном, то удаление выделенного элемента оставляет разбиение множества, содержащего n невыделенных элементов. Таких разбиений Bn. Если выделенный элемент принадлежит к большему блоку, то его удаление оставляет блок в разбиении множества, содержащем n невыделенных элементов. Таких блоков Cn.