22
правки
Изменения
→Доказательства числа комбинаторных объектов
Теорема | id=3
|statement=
Число различных перестановок с повторениями из <tex>k</tex> элементов с различными <tex>n</tex> группами одинаковых элементов равно <tex>\overline{P_k} (k_1, k_2, \ldots, k_n) = \frac{(k_1 + k_2 + \ldots + k_n)!}{k_1!k_2!\ldots k_n!}</tex>, где <tex>k_i</tex> {{---}} это количество одинаковых элементов в <tex>i</tex>{{---}}ой группе.
|proof=
Пусть нужно найти количество перестановок с повторениями на множестве <tex>A</tex> из <tex>k</tex> элементов. Будем учитывать, что в этом множестве <tex>n</tex> групп одинаковых элементов. Количество перестановок из <tex>k</tex> элементов, не учитывая того факта, что элементы могут быть одинаковые, будет равна равно <tex>k!</tex>, однако мы также должны учитывать то, что у нас <tex>n</tex> групп с одинаковыми элементами.
В каждой итоговой перестановке у нас будет несколько раз учитываться ситуации с одинаковыми элементами ровно столько раз, сколько можно получить перестановок из <tex>k_i</tex>. Таким образом количество перестановок с одинаковым первым элементом будет равно <tex>k_1!</tex>, для второго элемента {{---}} <tex>k_2!</tex>. Общее количество идентичных перестановок будет равно произведению данных факториалов. Итого одинаковых перестановок <tex>k_1! \cdot k_2! \cdot \ldots \cdot m_nk_n!</tex>. Ответом будем являться частное количества всех перестановок и количества одинаковых.
Получаем, что итоговое количество равно <tex>\frac{k!}{k_1! \cdot k_2! \cdot \ldots \cdot k_n!} = \frac{(k_1 + k_2 + \ldots + k_n)!}{k_1! \cdot k_2! \cdot \ldots \cdot k_n!} </tex>
}}
Доказательство по индукции. База <tex>k = 1</tex>, тогда количество размещений из <tex>n</tex> по <tex>1</tex> равно <tex>n</tex>.
При <tex>k \geq 2</tex> воспользуемся правилом произведения. Выбрать первый элемент можно <tex>n</tex> различными способами. При каждом первом элементе, все что осталось образует размещение из оставшегося множества, то есть <tex>(n-1)</tex> элементов, по <tex>(k - 1)</tex>. Следовательно получаем рекуррентную формулу <tex>A_{n}^{k}=n \cdot A_{n-1}^{k-1}</tex>. Отсюда получаем <tex>A_{n}^{k} = n \cdot (n-1) \cdot \ldots \cdot (n-k+1) = \frac{n!}{(n - k)!}</tex>
}}
Будем считать нули разделителями, которые делят этот вектор на <tex>n</tex> частей.
Тогда предположим, что число единиц в <tex>i</tex>{{---}}м куске блоке {{---}} это число элементов <tex>a_ik_i</tex> в сочетании с повторением, которое соответствует этому вектору, где <tex>k_i</tex> {{---}} это элемент из изначального множества с номером i.
Пример: Если у нас есть набор элементов 1 1 2 2 3, то <tex>k_2</tex> = 2. Получаем, что каждому сочетанию с повторениями из <tex>n</tex> по <tex>k</tex> соответствует некоторый вектор из нулей и единиц с <tex>(n+k-1)</tex> координатами, в котором <tex>(n-1)</tex> нулей. Также наоборот, по каждому такому вектору однозначно восстанавливается сочетание с повторением, ему соответствующее. Значит , число сочетаний с повторениями из <tex>n</tex> по <tex>k</tex> совпадает с числом таких векторов.
Таких векторов столько, сколько вариантов выбрать <tex>k</tex> координат, на которых должны стоять единицы из <tex>(n+k-1)</tex>. Таким образом, ответом будет являться число сочетаний из <tex>(n+k-1)</tex> по <tex>k</tex>. Тогда количество равно <tex> \overline{C_n^k} = C_{n+k-1}^{k}</tex>
}}
