פתרון בעיות קומבינטוריות באמצעות - Or-Alfa
Transcription
פתרון בעיות קומבינטוריות באמצעות - Or-Alfa
דר' רפי ברכאן מתמטיקה בדידה 2 פתרונות נבחרים לתרגיל בית מס' – 11 פתרון בעיות קומבינטוריות באמצעות נוסחאות נסיגה .1א .נסמן את מספר תת-הקבוצות של קבוצה בת nאיברים ב . f n -תהי . A a 1 , a 2 ,..., a n נתבונן בקבוצה , A \ a n המונה n 1איברים ,ולכן מספר תת-הקבוצות שלה הוא . f n 1 :נתבונן שוב בתת-הקבוצות של . A \ a n עבור כל תת-קבוצה כזו ישנן בדיוק 2אפשרויות ,ההופכות אותה לתת-קבוצה של :Aלהכניס לתוכה את a nאו לא להכניס לתוכה את . a nלכן ,עפ"י עקרון הכפל. n N : f n 2f n 1 , f 0 1 : ב .ידוע לנו (מהקורס מתמטיקה בדידה )1כי . n N 0: f n 2 n :בדקו, ע"י פתרון נוסחת הנסיגה שמצאתם בסעיף א' לעיל ,שזו אכן התשובה המתקבלת. .2נפתור את סעיף א' .נסמן את מספר המילים המבוקש ב . f n -עבור , n 1 נביט באות האחרונה – שנמצאת במקום ה.n - נבחין בין שני המקרים הבאים: אם זוהי אות סופית ,אז במקום ה n-1 -בהכרח נמצאת אות קטנה ,ואז נותרנו עם בעיה של n-2מקומות (אין הגבלה לגבי האות במקום ה,n-2 - מכיוון שהאות במקום ה n-1 -היא קטנה). מספר המילים באורך n-1שמתאימות לנו הוא ).f(n-1 עלינו לכפול ב 4 -מאחר ויש 4אפשרויות לאות במקום ה( n -אות סופית), ושוב לכפול ב ,4 -מאחר ויש 4אפשרויות לאות במקום ה( n-1 -לא סופית). לסיכום :ע"פ עקרון הכפל נקבל. 4 4 f n 2 16 f n 2 : אם האות במקום ה n -אינה אות סופית (ישנן 4אפשרויות לאות כזו), אז אין הגבלה לגבי האות במקום ה ,n-1 -ונותרנו עם בעיה של n-1 מקומות f(n-1) -אפשרויות למילה חוקית באורך .n-1 ע"פ עקרון הכפל נקבל4 f n 1 : ע"פ עקרון הסכום ,נקבל: f (0) 1, f 1 8 , n 2 : f n 4 f n 1 16 f n 2 .3א .בבניית המחרוזת משמאל לימין יש בדיוק 3אופציות לבחירת הספרה השמאלית ביותר ,ולאחר מכן בדיוק 2אופציות לבחירת כל אחת מהספרות הבאות ,שכן כל ספרה פוסלת מימינה בדיוק ספרה אחת. לכן ,קיימות 3 2n 1מחרוזות כאלו. ב .המחרוזות החוקיות הן מחרוזות בעלות המבנה הבא: . 0i1j2k : i, j, k N 0כל מחרוזת כזו מאופיינת ע"י מספר ה0 -ים ,ה- 1ים וה2 -ים שבה .לכן ,מספר המחרוזות החוקיות הנ"ל הוא כמספר n 3 1 n 2 האפשרויות לפיזור nתוים זהים ל 3 -ספרות שונות : . 3 1 2 1 דר' רפי ברכאן מתמטיקה בדידה 2 .4אg 1 2 , n 2 : g n 2 g n 1 . 95 .1שניות .9נסמן את הפתרון/התשובה המבוקשת עבור סולם בן nשלבים ב. f n - נוסחת הנסיגה היא. f 1 1 , f 2 2 , n 3: f n f n 1 f n 2 : (בדקו ).פתרו נוסחת נסיגה זו והציבו בפתרון (בנוסחא המפורשת) . n 20 .6נסמן את הפתרון/התשובה המבוקשת ב. f n - נעזר בפתרון בעיה אחרת ,על מנת למצוא נוסחת נסיגה למקרה שלנו. נסמן ב g(n) -את מס' הסידורים מחדש של nאנשים בשורה ,כשכל אחד יכול לזוז לכל היותר מקום אחד ימינה או שמאלה( .שימו לב שבמקרה של סידור בשורה ,האנשים היושבים בקצוות מוגבלים יותר -הם יכולים לזוז רק לכיוון אחד או להשאר במקומם). נחזור לבעיה שלנו -סידור אנשים במעגל .נמצא נוסחת נסיגה עבור : f n נתבונן באחד מהאנשים במעגל – קיימות מספר אפשרויות לגביו: א .הוא נותר במקומו – יש ליישב מחדש את n-1האחרים ,אך כעת אי אפשר להתייחס אל n-1האנשים שנותרו כאל מעגל ,אלא נשארנו עם שורה. זאת מאחר והאנשים שליד האיש שנשאר במקומו לא יכולים לנוע לכיוונו. (בדומה לאנשים בקצוות שורה). לפיכך נותרנו עם g n 1אפשרויות סידור. ב .הוא מתחלף עם שכנו מימין -יש ליישב מחדש את n-2האחרים ב- g n 2 אפשרויות( .שוב נשארנו עם n-2אנשים בשורה). ג .הוא מתחלף עם שכנו משמאל -יש ליישב מחדש את n-2האחרים ב- g n 2 אפשרויות. ד .הוא זז יחד עם כולם מקום אחד עם כוון השעון – אפשרות אחת. ה .הוא זז יחד עם כולם מקום אחד נגד כוון השעון – אפשרות אחת. לפיכך ,נקבל. n 2 : f n g n 1 2 g n 2 2 : עלינו למצוא נוסחת נסיגה עבור ) g(nולפתור אותה. הראו כי: g (0) 1, g (1) 1, n 2 : g n g n 1 g n 2 ופתרו את נוסחת הנסיגה. .7נפתור הבעיה עבור nישרים ונסמן את הפתרון/התשובה המבוקשת ב. f n - נתייחס ל n -הישרים הנתונים בתנאי השאלה כאל n-1ישרים ועוד ישר נוסף. נתעלם בהתחלה מהישר הנוסף .עפ"י הסימון לעיל ,מספר התחומים במישור הנוצרים ע"י n-1ישרים אלו הוא . f n 1 :הישר הנוסף ,הn -י, מפצל כל תחום בו הוא עובר לשניים .ישנם nתחומים כאלה ,שכן התחום בו עובר ישר זה מתחלף בכל אחת מנקודות החיתוך שלו עם n-1הישרים האחרים .לאור זאת ,נוסחת הנסיגה היא: . f 0 1 , n : f n f n 1 nבאמצעות שיטת האיטרציה ,ניתן 2 מתמטיקה בדידה 2 n n 1 להגיע לנוסחא המפורשת: 2 וקבלו את התשובה המבוקשת. דר' רפי ברכאן 0 : f n 1 . n הציבו n 100 .8נפתור הבעיה עבור nמעגלים במישור ונסמן את הפתרון ב . f n -ברור כי: . f 1 2כמו כן ,אם כבר נתונים במישור n-1מעגלים ,הרי שכל מעגל נוסף יכול לחתוך כל אחד מהם בלכל היותר 2נקודות ,ולכן אותו מעגל ייצור תוספת של עוד לכל היותר 2n 1תחומים( .בדקו ).לכן: . f 1 2 , n 2 : f n f n 1 2n 1באמצעות שיטת האיטרציה ,ניתן להגיע לנוסחא המפורשת . n : f n 2 n n 1 :הציבו n 100וקבלו את התשובה המבוקשת. .5חלוקה של קבוצה בת nאיברים ל k -תת-קבוצות זרות ולא ריקות דורשת גם (כזכור ,עפ"י הגדרת המושג :חלוקה) כי איחוד תת-הקבוצות ייתן את הקבוצה המקורית. א .ניתן לחלק קבוצה בת nאיברים לתת-קבוצה אחת באופן הנ"ל אם"ם תת-הקבוצה היא הקבוצה עצמה .מספר האפשרויות לכך , pn,1 ,הוא .1 ב .ניתן לחלק קבוצה בת nאיברים ל n -תת-קבוצות זרות ,משלימות ולא ריקות אם"ם כל תת-קבוצה כזו מכילה איבר אחד (שונה) מהקבוצה המקורית .מספר האפשרויות לכך , pn, n ,הוא .1 ג .בהנתן קבוצה בת nאיברים ,נערוך רשימה של כל תת-הקבוצות שלה .ברשימה זו ,כידוע ,יהיו 2 nתת-קבוצות .עבור כל תת-קבוצה ברשימה נרשום לצידה את תת-הקבוצה המשלימה אותה לקבוצה המקורית (בת nהאיברים) .ברור כי תת-קבוצה זו תהיה גם זרה לה. 2n באופן זה נקבל 2n 1 : זוגות שונים של תת-קבוצות זרות 2 ומשלימות .נשמיט מרשימה זו את הזוג המכיל את הקבוצה המקורית והקבוצה הריקה (זרות ומשלימות) ,ונקבל את מספר החלוקות של קבוצה בת nאיברים ל 2 -תת-קבוצות זרות ולא ריקות .לכן: . pn,2 2 n 1 1 ד .חלוקה של קבוצה בת nאיברים ל n-1 -תת-קבוצות זרות ולא ריקות דורשת בהכרח שכל תת-הקבוצות ,למעט אחת ,תכלנה איבר אחד (שונה) .בנוסף ,תתקבל תת-קבוצה בודדת שבה שני איברים .לכן, מספר החלוקות שקול למספר האפשרויות ליצור תת-קבוצה בגודל 2 n מתוך קבוצה בת nאיברים. : 2 3 דר' רפי ברכאן מתמטיקה בדידה 2 .11נסמן את מס' המחרוזות החוקיות ב(. f(n) -מחרוזת חוקית הינה מחרוזת שבה 9מופיע מספר זוגי של פעמים). נביט במחרוזת באורך . nישנן מספר אפשרויות לאיבר הראשון: מקרה א :בו האיבר הראשון הוא אחד מהמספרים .1,2,3,4 על כן ,נשארנו עם מחרוזת באורך , n-1שבה 9אמור להופיע מספר זוגי של פעמים (שכן הוא לא הופיע באיבר הראשון ,וברצוננו ליצור מחרוזת חוקית באורך ). n מספר האפשרויות למחרוזת חוקית באורך ( n-1שבה 9מופיע מספר זוגי של פעמים) הוא ).f(n-1 בנוסף עלינו לכפול ב ,4 -כמספר האפשרויות עבור האות הראשונה. לסיכום4 f n 1 : מקרה ב :בו האיבר הראשון הוא .9 על כן ,נשארנו עם מחרוזת באורך ,n-1שבה נרצה ש 9 -יופיע מספר אי זוגי של פעמים( .זאת על מנת שתתקבל מחרוזת באורך ,nובה 9יופיע מספר זוגי של פעמים). נחשב את מס' האפשרויות לכך ע"י חישוב המקרה המשלים: מס' המחרוזות באורך n-1המורכבות מהמספרים ( 1,2,3,4,9ללא הגבלה כלשהי) הוא5n1 : מאחר ואנו רוצים מחרוזות שבהן 9יופיע מס' אי זוגי של פעמים ,עלינו להחסיר את מס' המחרוזות בהן 9מופיע מס' זוגי של פעמים והוא.f(n-1) - (כלומר -נחסיר את מספר המחרוזות החוקיות באורך ).n-1 לסיכום ,מס' המחרוזות באורך n-1בהן 9מופיע מספר אי זוגי של פעמים הוא5n1 f (n 1) : נסכום את שקיבלנו : )f (n) 4 f (n 1) 5n1 f (n 1 ונסחאת הנסיגה שהתקבלה (בצירוף תנאי התחלה): f 1 4 , n 2 : f n 3 f n 1 5n1 פיתרו זאת ,וקבלו את מס' האפשרויות הרצוי. 4