这是 组合学笔记 系列的第一期。
1. 集合与加乘原理
1.1 集合的基本概念
定义 1.1(集合) 集合是由确定的不同对象组成的整体,这些对象称为集合的元素。
一般用大写字母 表示集合,用小写字母 表示元素。
- 若 是集合 的元素,记作 (读作” 属于 ”)
- 若 不是集合 的元素,记作 (读作” 不属于 ”)
定义 1.2(集合的表示法) 集合主要有两种表示方法:
-
列举法:将集合的所有元素一一列举出来,用花括号括起来。
-
描述法:用集合中元素所满足的性质来描述集合。
定义 1.3(空集) 不含任何元素的集合称为空集,记作 或 。
定义 1.4(全集) 在特定问题中,包含所讨论的所有元素的集合称为全集,通常记作 或 。
1.2 集合间的关系
定义 1.5(子集) 设 是两个集合,若对于任意 都有 ,则称 是 的子集,记作 或 。
定义 1.6(真子集) 若 且 ,则称 是 的真子集,记作 。
定义 1.7(集合相等) 若 且 ,则称集合 与 相等,记作 。
定理 1.1(子集的基本性质) 设 是任意集合,则:
- 自反性:
- 反对称性:若 且 ,则
- 传递性:若 且 ,则
- 空集是任何集合的子集:
1.3 集合的运算
定义 1.8(并集) 集合 与 的并集定义为:
定义 1.9(交集) 集合 与 的交集定义为:
若 ,则称 与 不相交。
定义 1.10(差集) 集合 与 的差集定义为:
定义 1.11(补集) 设 为全集,,则 的补集定义为:
定理 1.2(德摩根律) 设 是全集 的子集,则:
1.4 幂集
定义 1.12(幂集) 集合 的所有子集组成的集合称为 的幂集,记作 或 ,即:
定理 1.3(幂集的基数) 若 (即 含有 个元素),则:
1.5 加法原理
定理 1.4(加法原理,分类计数原理) 设完成一件事有 类不同的方法,第 类方法有 种具体的方式(),且任何两类方法之间没有公共的方式(即各类方法互斥),则完成这件事共有: 种不同的方法。
1.6 乘法原理
定理 1.5(乘法原理,分步计数原理) 设完成一件事需要 个步骤,第 步有 种不同的方法(),且各步的选择相互独立,则完成这件事共有: 种不同的方法。
2. 组合数排列数与恒等式
2.1 排列数
定义(排列) 从 个不同元素中取出 个元素(),按照一定顺序排成一列,称为从 个元素中取 个元素的一个排列。所有不同排列的个数称为排列数,记作 或 。
公式:
特例:当 时,,即 个元素的全排列数为 。
2.2 组合数
定义(组合) 从 个不同元素中取出 个元素(),不考虑顺序,称为从 个元素中取 个元素的一个组合。所有不同组合的个数称为组合数,记作 或 。
公式:
约定:当 或 时,规定 。
性质 1:边界值
性质 2:对称性
2.3 帕斯卡恒等式
定理(Pascal’s Identity):对于整数 和 ,有:
组合证明:考虑集合 ,将所有 元子集按是否包含元素 分成两类:
- 包含元素 的 元子集:需要从其余 个元素中选 个,个数为
- 不包含元素 的 元子集:需要从其余 个元素中选 个,个数为
由加法原理即得结论。
2.4 范德蒙德恒等式
定理(Vandermonde’s Identity):对于非负整数 (其中 ),有:
组合证明:考虑两个不相交的集合 和 ,其中 ,。
- 左边: 表示从 中选取 个元素的方法数。
- 右边:按从 中选取的元素个数 分类,方法数为
推论 1(Chu-Vandermonde):令 ,得:
2.5 二项式定理
定理:对于任意实数 和正整数 ,有:
推论 1:令 ,得:
推论 2:令 ,得:
2.6 曲棍球棒恒等式(Hockey-Stick Identity)
定理:对于 :
2.7 插板法(Stars and Bars)
问题:将 个相同的小球放入 个不同的盒子,允许空盒,有多少种方法?
定理:方法数为:
不允许空盒的情形:方法数为 (要求 )
2.8 算两次原理(Double Counting)
原理:对同一组对象用两种不同方式计数,所得结果相等。
例题(证明 ):
算两次对象:从 人中选 人委员会并指定其中一人为主席的方案。
- 先选委员会再选主席:
- 先选主席再选委员会:
故 。
2.9 双射计数(Bijective Proof)
原理:若存在集合 到集合 的双射(一一对应),则 。
例题(组合数对称性):定义 为 (取补集),这是双射,故 。
3. 偏序集、容斥原理与莫比乌斯变换
3.1 偏序集基础
定义(偏序关系):设 是一个集合, 是 上的二元关系。若 满足:
- 自反性:
- 反对称性:,若 且 ,则
- 传递性:,若 且 ,则
则称 为 上的偏序关系, 称为偏序集(poset)。
例 1(幂集上的包含关系):设 是 元集, 是 的幂集。定义 当且仅当 ,则 是偏序集,称为布尔格 。
例 2(整除关系):设 ,定义 当且仅当 ,则 是偏序集。
3.2 链与反链
定义(链):偏序集 的子集 称为链,若 中任意两个元素都可比较。
定义(反链):子集 称为反链,若 中任意两个不同元素都不可比较。
3.3 Sperner 定理
定理(Sperner, 1928):设 是 元集, 是布尔格。则 中最大反链的大小为 。
证明(LYM不等式):设 是反链,则:
由于对所有 ,,故:
3.4 容斥原理(PIE)
定理(容斥原理):设 是有限全集 的子集,则
等价地,补集的交:
应用 1:错排问题
错排数 (无不动点的排列数):
应用 2:欧拉函数
若 ,则:
3.5 莫比乌斯反演
定义(莫比乌斯函数):偏序集上的莫比乌斯函数 定义为:
- 对 :
定理(莫比乌斯反演):设 是局部有限偏序集,。若 ,则:
例 1(布尔格):
例 2(整除格):若 ,则 (经典数论莫比乌斯函数)
经典莫比乌斯反演:设 。
- 若 ,则
Comments