Формула включения-исключения — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
Строка 34: Строка 34:
  
  
Очевидно, что <tex> | B \cap A_n | = \left| \left( \bigcup \limits_{i=1}^{n-1}A_i \right) \cap A_n \right|= \left| \bigcup \limits_{i=1}^{n-1} \left( A_i \cap A_n \right) \right|    (2)</tex>
+
Очевидно, что <tex> B \cap A_n = \left( \bigcup \limits_{i=1}^{n-1}A_i \right) \cap A_n = \bigcup \limits_{i=1}^{n-1} \left( A_i \cap A_n \right)     (**)</tex>
  
  
Из предположения индукции имеем, что <tex> (2) = </tex> <tex> \sum \limits_{I \in 2^{N'}}  (-1)^{|I|+1}  \left| \bigcap \limits_{ j \in I} \left( A_j \cap A_n \right) \right| = \sum \limits_{I \in 2^{N'}}  (-1)^{|I|+1}  \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| </tex>
+
Опираясь на предположение индукции и равенство <tex> (**) </tex> имеем, что  <tex> |B \cap A_n|  = \sum \limits_{I \in 2^{N'}}  (-1)^{|I|+1}  \left| \bigcap \limits_{ j \in I} \left( A_j \cap A_n \right) \right| = \sum \limits_{I \in 2^{N'}}  (-1)^{|I|+1}  \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| </tex>
  
  

Версия 03:16, 25 октября 2011

Формула включения–исключения — это комбинаторная формула, которая позволяет определить мощность объединения конечных множеств, если известны их мощности и мощности всех их возможных пересечений.

Случай для двух множеств

Например, в случае двух множеств [math]~A, B[/math] формула включения—исключения имеет вид:

[math] | A \cup B | = | A | + | B | - | A \cap B |[/math]

В сумме [math]~| A | + | B |[/math] элементы пересечения [math]A \cap B[/math] учтены дважды, и, чтобы компенсировать это, мы вычитаем [math] | A \cap B |[/math] из правой части формулы. Справедливость этого рассуждения видна из диаграммы Эйлера–Венна для двух множеств, приведенной на рисунке справа.

Таким же образом и в случае [math]~n\gt 2[/math] множеств процесс нахождения количества элементов объединения [math]A_1 \cup A_2 \cup \ldots \cup A_n[/math] состоит во включении всего, затем исключении лишнего, затем включении ошибочно исключенного и так далее, то есть в попеременном включении и исключении. Отсюда и происходит название формулы.

Теорема:
Пусть [math] A = \bigcup \limits_{i=1}^{n}A_i [/math] , тогда по формуле включения–исключения:
[math] | A | = \sum \limits_{I \in 2^N} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I} A_j \right| [/math]
Причем [math] N = \{ 1,2, \ldots ,n \} [/math]. За [math] 2^N [/math] примем множество всех подмножеств [math] N [/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Доказываем теорему по индукции.

Пусть [math]~l[/math] — это количество множеств, мощность пересечения которых мы ищем. Для случая [math]~l=1[/math] равенство обращается в тривиальное ([math] |A| = |A| [/math]). Для случая [math]~l=2[/math] справедливость теоремы пояснена выше. Таким образом, [math]~l=2[/math] — база индукции.

Предположим, что для [math]~l=n-1[/math] равенство верно. Докажем, что равенство истинно для [math]~l=n[/math]


Пусть [math] A [/math] — пересечение [math]~n[/math] множеств. Очевидно, что [math] A = \bigcup \limits_{i=1}^{n}A_i = \left( {\bigcup \limits_{i=1}^{n-1}A_i} \right) \cup A_n [/math]. Пусть [math] B = \bigcup \limits_{i=1}^{n-1}A_i [/math]; [math]N' = \{ 1,2, \ldots ,n-1 \} [/math].


Исходя из предположения индукции, имеем, что [math] | B | = \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I} A_j \right| [/math]


Кроме того, так как формула верна для [math]~l=2[/math] (из базы индукции), то верно равенство [math] | A | = | B | + | A_n | - | B \cap A_n | (*)[/math]. Найдем [math]~| B \cap A_n |[/math]:


Очевидно, что [math] B \cap A_n = \left( \bigcup \limits_{i=1}^{n-1}A_i \right) \cap A_n = \bigcup \limits_{i=1}^{n-1} \left( A_i \cap A_n \right) (**)[/math]


Опираясь на предположение индукции и равенство [math] (**) [/math] имеем, что [math] |B \cap A_n| = \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I} \left( A_j \cap A_n \right) \right| = \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| [/math]


Подставим полученные значения в [math](*)[/math]:


[math] | A |\! = | A_n |+\left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I} A_j \right| \right) - \left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| \right)[/math] [math] \!=| A_n |+\left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I } A_j \right| \right) + \left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+2} \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| \right) [/math]


Докажем, что [math] | A_n |+\left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I } A_j \right| \right) + \left( \sum \limits_{I \in 2^{N'}} (-1)^{|I|+2} \left| \bigcap \limits_{ j\in I \cup \{ n \} } A_j \right| \right) [/math] [math] =\! \sum \limits_{I \in 2^N} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I } A_j \right| [/math]

Равенство справедливо, потому что все наборы [math] I \in 2^N [/math] можно разбить на две группы :

  1. [math] I \in 2^{N'} [/math] Это означает, что в наборе точно не будет присутствовать индекс [math] n [/math], а будут все различные варианты индексов остальных множеств, т.е. [math] I \in 2^{N'}[/math].
  2. [math]\{n\} \cup I[/math], где [math]I \in N'[/math] Аналогично предыдущему, только в наборе будет индекс [math] n [/math].

Как видно из равенства, первое и третье слагаемое "отвечают" за вторую группу, а второе слагаемое за первую группу. Значит, равенство истинно и [math]|A| = \sum \limits_{I \in 2^N} (-1)^{|I|+1} \left| \bigcap \limits_{ j \in I } A_j \right| [/math] .

Таким образом, для [math]~l=n[/math] мы доказали, что равенство верно. Значит, индукционный переход верен, то есть теорема доказана.
[math]\triangleleft[/math]