證明組合學的結論時,常用到組合技巧。
一類是計數原理,如加法原理、乘法原理、容斥原理,常用於解決組合計數問題。另一類則是證明技巧,如双射法用於證明某兩類物件的數目一樣多,而抽屜原理則能保證某些物件存在,也用作確定離散物件數目的最大或最小值,還有算兩次和能證明許多組合恆等式。
母函数和遞歸關係也是很強的工具,能巧妙操作數列,描述許多組合問題的情景,甚至將之解決。
計數原理
加法原理
加法原理是以下直觀結論:若有兩類方法做某事,甲類a種,乙類b種,且只能用其中一類的一種,則做該事的方法,合共a+b種。用較嚴謹的語言,兩個不交集的基數之和,等於其並集的基數。
乘法原理
乘法原理是另一個直觀結論,斷言:若有甲乙兩事,甲事有a種方法,乙事有b種方法,則合共有a \cdot b種方法做完全部兩事。
容斥原理
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容斥原理用多個集合各自的大小,及其任何組合之交的大小,表示出該些集合並集的大小。對於僅得兩個集合的情況,容斥原理斷言:兩集合A, B之並A\cup B的大小,等於A與B大小之和,減去交集A \cap B的大小(因為該些元素重複數了兩次)。
對於有n個有限集A_1, A_2, \ldots, A_n的情況,原理斷言:
:\begin{align}
\left|\bigcup_{i=1}^n A_i\right|
& {} = \sum_{i=1}^n \left|A_i\right|
-\sum_{i,j\,:\,1 \le i
除法原理
除法原理講述,若有一事要用某輔助程序就能完成,而有n種方式做該輔助程序,但對於原來的事而言,每種解決方法對應輔助程序的d種方法,則原來的事合共有n/d種方法。
證明技巧
雙射法
要證明兩類物件數量相等時,可以用雙射法,即構造兩類物件的集合之間的双射(一一對應關係)。
算兩次
算兩次是證明恆等式的技巧,方法是分別證明左右兩式各自數算同一個集合的元素個數。
抽屜原理
抽屜原理斷言,若a件物放入b個抽屜,而a > b ,則必有某抽屜內放有多於一件物。此原理廣泛用於存在性證明,即證明具某組合性質的物件存在,但不舉出例子。
特異元素法
特異元素法是刻意將集合中的某元素與其他元素區分,視為特殊,於是所有子集可以分為包含該特殊元素與不包含該特殊元素兩類。如此,有時能化簡問題。
母函數
母函數是形式冪級數(類似於多項式,但可以有無窮多個項),其系數依次對應數列的各項。以母函數表示數列,開拓了證明恆等式和求數列通項公式的新方法。數列(a_n)的(一般)母函數G由下式定義:
:G(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n.
遞歸關係
遞歸關係是利用數列某項a_n之前的其他項a_i ( 0 \le i \le n-1)定義該項。若證得數列的某條遞歸式,則可以已足以推導出此前未知的結論,不過一般而言,能找出通項公式則更佳。
參考文獻
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