עקרון ההכלה וההפרדה

עקרון ההכלה וההדחה (או עקרון ההכלה וההפרדה) הוא עקרון קומבינטורי שלפיו, כדי לספור עצמים בקבוצה, אפשר לכלול ולהוציא את אותו עצם שוב ושוב, כל עוד בסוף ההליך נספר כל עצם פעם אחת. עקרון פשוט זה מתורגם לנוסחה מעט מורכבת, שיש לה שימושים וגרסאות רבות בכל ענפי הקומבינטוריקה. המקרה הפשוט ביותר מתייחס לספירת עצמים המקיימים אחת משתי תכונות: מספר העצמים שהם גדולים או אדומים שווה למספר העצמים הגדולים ועוד מספר העצמים האדומים, פחות מספר העצמים שהם גם גדולים וגם אדומים; האחרונים נספרו בשלב הראשון פעמיים, ואז הוצאו מהחשבון על-מנת לאזן אותו כראוי. בכתיב מתמטי, עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ |A\cup B| = |A|+|B|-|A\cap B|} , כאשר A היא קבוצת העצמים האדומים ו-B היא קבוצת העצמים הגדולים.

במקרה הכללי, העקרון קובע שגודל האיחוד של כמה קבוצות שווה לסכום מתחלף: סכום הגדלים של כל הקבוצות, פחות סכום הגדלים של חיתוכים של שתי קבוצות, ועוד סכום הגדלים של חיתוכים של שלוש קבוצות, פחות סכום הגדלים של חיתוכים של ארבע קבוצות, וכן הלאה.

כוחו של עקרון ההכלה וההדחה בכך שהוא מאפשר להמיר בעיה קומבינטורית מסובכת הדורשת ניתוח של האינטראקציות בין כל הקבוצות בבת-אחת, בבעיות קלות יותר שבהן מספיק לספור את האיברים השייכים לקבוצות מסוימות, בלי שיהיה צורך לבדוק את מעמדם של האיברים האלה ביחס לשאר הקבוצות.

ניסוח העקרון

תהיינה עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ A_1,\dots,A_n} קבוצות סופיות. אז גודל האיחוד שווה לסכום המתחלף עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \sum_i |A_i| - \sum_{i<j} |A_i \cap A_j| + \sum_{i<j<k} |A_i \cap A_j \cap A_k| \mp \cdots} , כלומר: . אם מסכימים שחיתוך אפס קבוצות שווה למרחב כולו, אפשר לקבל נוסחה אלגנטית למספר האיברים שמחוץ לאיחוד: עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ |\Omega - \cup A_i| = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k} \sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}|A_{i_1}\cap \cdots \cap A_{i_k}|} .

במקרים רבים גודל החיתוך של כל k קבוצות הוא קבוע, ואז מתקבלת נוסחה פשוטה יותר, עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ |\Omega - \cup A_i| = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k} \binom{n}{k}|A_1\cap \cdots \cap A_{k}|} .

דוגמאות

נוסחת ההכלה וההדחה לגודל האיחוד של שלוש קבוצות היא עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ |A\cup B \cup C| = |A|+|B|+|C| - |A\cap B| - |A \cap C| - |B \cap C| + | A \cap B \cap C|} .

נראה כיצד ניתן לחשב את מספר התמורות על עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ n} איברים שבהן אף איבר אינו נשאר במקומו. כדי להפעיל את עקרון ההכלה וההדחה, נסמן ב-עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ A_i} את קבוצת התמורות שבהן האיבר ה-i דווקא נשאר במקומו. השאלה היא כמה תמורות נמצאות מחוץ לכל הקבוצות, ומכיוון שמספר התמורות הכללי הוא עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ n!} , די לספור כמה תמורות שייכות לקבוצה אחת לפחות; כלומר, לחשב את . בחיתוך של k קבוצות נמצאות התמורות שמשאירות את k האיברים המתאימים במקומם, בלי קשר לשאלה מה הן עושות בשאר האיברים. לכן גודל החיתוך הוא , וזאת לכל אחת מ- עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \frac{n!}{k!(n-k)!}} הבחירות של האיברים השונים עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ i_1<\cdots<i_k} . לפי עקרון ההכלה וההדחה, עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ n!-|A_1 \cup \cdots \cup A_n| = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k}\frac{n!}{k!(n-k)!}|A_{1}\cap \cdots \cap A_{k}| = \sum_{k=0}^{n}(-1)^{k}\frac{n!}{k!} = n!\sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^{k}}{k!}} . הסיכוי שתמורה אקראית תהיה שייכת לקבוצה הזאת הוא עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{k!}} , שהוא קירוב טוב מאד למספר .

הוכחת העקרון

כדי להוכיח את השוויון עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ |\Omega - \cup A_i| = \sum_{k=0}^{n} (-1)^{k} \sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}|A_{i_1}\cap \cdots \cap A_{i_k}|} , נבדוק כמה פעמים נספר איבר x בשני האגפים. אם x אינו שייך לאף קבוצה, אז הוא נספר פעם אחת באגף שמאל, ופעם אחת (במסגרת החיתוך הריק, עבור k=0) באגף ימין. אחרת, נניח שהוא שייך בדיוק ל-m קבוצות, ומטעמי סימטריה אפשר להניח שאלו הן הקבוצות ; בפרט, x אינו שייך לקבוצות עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ A_{m+1},\dots,A_n} . במקרה כזה האיבר נספר באגף ימין בדיוק עיבוד הנוסחה נכשל (MathML עם גיבוי SVG או PNG (מומלץ לדפדפנים מודרניים ולכלי נגישות): תגובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \sum_{k=0}^{n}(-1)^{k}\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq m}1 = \sum_{k=0}^{m}(-1)^{k}\frac{m!}{k!(m-k)!} = (1-1)^m = 0} פעמים לפי נוסחת הבינום של ניוטון, בדיוק כמו באגף שמאל.

ראו גם

קישורים חיצוניים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רישיון cc-by-sa 3.0
This article is issued from Hamichlol. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.