פרק 4 - עקרון שובך היונים - Or-Alfa
Transcription
פרק 4 - עקרון שובך היונים - Or-Alfa
רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה ,2תשע"ג פרק - 4עקרון שובך היונים תיאוריה ושימושים משפט :אם מכניסים n+1יונים ל n -שובכים ,אז קיים שובך שבו יש לפחות 2 יונים. הוכחה :על דרך השלילה -נניח בשלילה כי בכל שובך יש לכל היותר יונה אחת .לכן ,מספר היונים הכולל הוא לכל היותר ,nבסתירה לנתון ש"קיימות" n+1יונים. שימושים פשוטים: )6בכל שלשה של אנשים תמיד ניתן למצוא זוג בני אותו מין (גברים או נשים). )2בקבוצה בת 31אנשים יהיו שניים שנולדו באותו חודש (לועזי) בשנה (שכן יש 32חודשים לועזיים בשנה). )3בקבוצה בת 133אנשים יהיו שניים שנולדו באותו יום בשנה (שכן יש 133 ימים בשנה). )4ישנם שני תושבים בראשל"צ אשר להם אותו מספר שערות על הראש (שכן ידוע כי לאדם יש לכל היותר 3300000שערות על הראש וכי בראשל"צ ,נכון לשנת ,2002ישנם כ 2000000 -תושבים). )5במגירה נמצאים 3זוגות גרביים בצבעים שונים .אם נוציא ממנה 7גרביים בודדים ,אזי לבטח יהיו בידינו זוג גרביים תואמים (באותו הצבע)( .במקרה זה, צבעי הגרביים 3 -במספר -מהווים את השובכים והגרביים המוצאים מן המגירה 7 -במספר – את היונים). )1במגירה גרביים לבנים ואדומים ביחס של , x y x : y . x, y אדם שעיניו מכוסות מוציא גרביים מן המגירה .עליו להוציא 1גרביים כדי לקבל בוודאות זוג גרביים באותו הצבע. שימושים נוספים: א .טענה :בין כל שלושה מספרים שלמים יש שניים שסכומם הוא מספר זוגי. הוכחה :כל מספר שלם הוא מספר זוגי או מספר אי-זוגי ,אך לא שניהם. בין כל שלושה מספרים שלמים יש לפחות שני מספרים זוגיים או לפחות שני מספרים אי-זוגיים .בהתבסס על התכונה הידועה שסכום שני מספרים זוגיים/אי-זוגיים הוא מספר זוגי ,הרי שקיימים בין שלושת המספרים הנ"ל □ שניים שסכומם הוא מספר זוגי. 601 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה ,2תשע"ג ב .טענה :תהי . A 0,1, 2,...,9בכל תת-קבוצה של Aשבה 3מספרים ,יש שני מספרים שסכומם .2 הוכחה :נחלק את הקבוצה Aל 3 -זוגות (תת-קבוצות) ,כך שסכום שני האיברים בכל זוג הוא . 0,9 ,1,8 ,2, 7 ,3, 6 , 4,5 :2זוגות (תת-קבוצות) אלו מהווים את השובכים וכל אחד מששת המספרים שנבחר מתוך Aיהווה יונה אחת .נכניס כל אחד מששת המספרים (היונים) שנבחרו לתוך התת- קבוצה (השובך) המתאימה לו .כך ,למשל ,המספר 1יוכנס לתת- הקבוצה . 3, 6 :ישנן 3יונים ורק 3שובכים ,ולכן בהכרח יהיה שובך אחד בו תמצאנה 2יונים .כלומר ,יהיו שם שני מספרים שסכומם ,2כנדרש. □ ג .טענה :כל מספר רציונלי ניתן להצגה עשרונית כשבר מחזורי אינסופי. 1 1 0.333... : 0.3 , 0.25000... : 0.250 , 3 4 דוגמאות: 1 3 0.142857142857... : 0.142857 , 0.272727... : 0.27 7 11 הוכחה :יהי q כלשהו ,ובה"כ נניח כי qהוא שבר מצומצם ,כלומר: m . q , m , n , g.c.d m , n 1נתעלם לעת עתה ,לצורך הפשטות, n מהסימן של .mכדי לקבל את ההצגה העשרונית של ,qנחלק את mב.n - שאריות החלוקה המתקבלות הן איברי הקבוצה . 0,1, 2,3,..., n 1 :מאחר וקבוצה זו היא קבוצה סופית ,הרי שלאחר nחלוקות לכל היותר ,תתקבל שארית אשר כבר התקבלה בשלב קודם .משלב זה ואילך (ממקום זה ואילך בשבר העשרוני) השאריות חוזרות על עצמן באופן מחזורי (הספרות חוזרות □ על עצמן מחזורית). הרחבת עקרון שובך היונים :אם מכניסים kn+1יונים לתוך nשובכים ,אז קיים שובך שבו יש לפחות k+1יונים. הוכחה :על דרך השלילה -נניח בשלילה שבכל שובך יש לכל היותר kיונים. מכאן ,בכל השובכים יחד יש לכל היותר knיונים – בסתירה לנתון. מסקנה מיידית :אם מכניסים mיונים לתוך nשובכים ,אז קיים שובך שבו יש m לפחות יונים. n הוכחה :על דרך השלילה -נניח בשלילה כי המסקנה אינה נכונה ,ונניח כי m בשובך ה i -יש C iיונים .לכן . 1 i n : C i :אולם C i ,הוא מספר שלם, n n n m m m m . Ci Ci Ci מכאן - m Ci n m :סתירה! ולכן: n n n i 1 i 1 n מסקנה מיידית – עקרון דיריכלה :אם לשתי קבוצות סופיות עוצמה שונה, הרי שלא קיימת פונקציית שקילות ביניהן. 601 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה ,2תשע"ג עקרון שובך היונים – הגירסא הגיאומטרית :נסמן ב A -את המידה של קבוצה ( Aאורך ,שטח ,נפח וכדומה) .אם A1 , A 2 ,..., A nהן קבוצות בעלות מידה n המוכלות ממש בקבוצה ,Bוסכום מידותיהן מקיים , A i B :אז קיימות i 1 לפחות 2קבוצות מתוך A1 , A 2 ,..., A n :שאינן זרות. n (בניסוח מתמטי) A1 , A2 ,..., A n B Ai B i j : Ai A j : i 1 פתרונות לדוגמא של תרגילים בעקרון שובך היונים .6צלף קולע 3חיצים לעבר מטרה שצורתה משולש שווה-צלעות ,שאורך צלעו 2מטרים .הוכיחו כי אם כל החיצים פוגעים במטרה ,אז יש בהכרח שני חיצים בה הנמצאים במרחק של מטר אחד לכל היותר זה מזה. פתרון :נחלק את המשולש ל 0 -משולשים קטנים שווי-צלעות ,שאורך צלעם מטר .קל לראות שהמרחק בין כל 2נקודות בכל אחד מהמשולשים הקטנים הוא לכל היותר מטר אחד .עפ"י עקרון שובך היונים ,לפחות 2חיצים נמצאים □ במשולש קטן אחד (או על שפתו) ,ומכאן מתקבלת התוצאה המבוקשת. .2הוכיחו כי אם 3אנשים נפגשים באקראי במסיבה ,הרי שישנם 1מביניהם המכירים זה את זה או שישנם 1מביניהם שאינם מכירים זה את זה. פתרון :נכנה את האנשים בשמות :א' ,ב' ,ג' ,ד' ,ה' ,ו' .נבחר אקראית אחד מהם ,ובה"כ נניח כי זה א' .נחלק את 3האנשים הנותרים לשתי קבוצות :כאלה המכירים את א' ,וכאלה שאינם מכירים את א' .לפי עקרון שובך היונים ,הרי שבאחת מהקבוצות הללו יש לפחות 1אנשים .נניח ,תחילה ,כי קבוצה זו היא קבוצת המכרים של א' .אם יש בקבוצה זו שני אנשים המכירים זה את זה ,הרי שיחד עם א' קיבלנו קבוצה של 1אנשים שכל אחד בה מכיר את האחר .אחרת – קיבלנו קבוצה של 1אנשים שאינם מכירים זה את זה. באופן דומה מטפלים גם במקרה השני ,בו קבוצת הלא-מכירים את א' מונה לפחות 1אנשים .אם יש שניים מביניהם שאינם מכירים זה את זה ,אז יחד עם א' קיבלנו קבוצה של 1אנשים שאינם מכירים זה את זה .אחרת – שלושתם מכירים □ זה את זה ,וקיבלנו קבוצה של 1אנשים שמכירים זה את זה. 601 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה ,2תשע"ג .3בהינתן לוח שחמט תיקני ,אשר הוסרו ממנו שתי המשבצות הקיצוניות באחד מהאלכסונים הראשיים שלו ,הוכיחו כי לא ניתן לכסותו באמצעות אבני דומינו תקניות (המורכבות משני ריבועים התואמים למשבצות הלוח). פתרון :שתי המשבצות שהוסרו הן מאותו הצבע (שחור או לבן) ,לכן מספר המשבצות הלבנות גדול ב 2 -ממספר המשבצות השחורות בלוח ,או להיפך .כל אבן דומינו תקנית מכסה בדיוק שתי משבצות בלוח שצבען שונה .כל סידור של אבני דומינו אלה על-גבי לוח שחמט תיקני (מלא) יוצר ,למעשה ,פונקציית שקילות בין קבוצת המשבצות הלבנות בו לקבוצת המשבצות השחורות בו .אם לשתי הקבוצות עוצמה שונה ,הרי שעפ"י עקרון דיריכלה ,לא תיתכן פונקציית □ שקילות ביניהן. תרגילים (תרגילי כיתה) .6נתונים 21מספרים דו-ספרתיים שונים .הוכיחו כי ניתן לבחור מתוכם 2 מספרים ,כך שההפרש ביניהם הוא מספר דו-ספרתי ששתי ספרותיו זהות. .2קודקודיו של מחומש הם נקודות סריג במישור (נקודות במישור אשר הקואורדינטות שלהן הן מספרים שלמים) .הוכיחו כי קיימים לפחות 2 קודקודים של המחומש שנקודת האמצע שלהם היא עצמה נקודת סריג במישור. n .3אנשים נפגשו במסיבה וחלקם לחצו ידיים זה לזה .הוכיחו כי קיימים 2 אנשים שלחצו את אותו מספר ידיים. .4הוכיחו כי קיימת כפולה של 1229שיצוגה העשרוני כולל רק ספרות בינאריות. .5נתונות 6נקודות במישור ,אשר אף 1מהן אינן על ישר אחד .מחברים כל 1 נקודות בקטע ישר וצובעים אותו באחד משני הצבעים :כחול או אדום. הוכיחו כי בכל צביעה כזו נוצר לפחות משולש אחד שכל צלעותיו צבועות באותו הצבע. 12 .1נקודות מפוזרות בריבוע ששטחו 1מ"ר .הוכיחו כי 3מתוכן נמצאות בתוך 1 מ'. עיגול שרדיוסו 7 601 רפאל ברכאן מתמטיקה בדידה ,2תשע"ג תרגיל בית מס' – 12עקרון שובך היונים .6הוכיחו כי בקרב כל n 1מספרים טבעיים קיימים שניים שהפרשם מתחלק ב.n - .2נתונה הקבוצה . A 1,2,3,...,2n :הוכיחו כי בכל בחירה של n 1מספרים מ ,A -ישנם שניים הזרים זה לזה (כלומר – המחלק המשותף הגדול ביותר שלהם הוא .)3 .3נתונה הקבוצה . A 1,2,3,...,2n :הוכיחו כי בכל בחירה של n 1מספרים מ ,A -ישנם שניים כך שהאחד מחלק את השני (ללא שארית). (הדרכה -השתמשו בטענת העזר הבאה :כל מספר טבעי nניתן להצגה באופן יחיד כמכפלה של מספר אי-זוגי במספר שהוא חזקה שלמה של ,2 כלומר). n i, j 0 : n 2i 2j 1 : .4נתון כי סכום של 2מספרים טבעיים הוא .20הוכיחו כי קיימים ביניהם 1 מספרים שסכומם הוא לפחות .10 .5מסדרים את המספרים 1,2,3,…,10 :על-גבי מעגל בסדר כלשהו .הוכיחו כי קיימים על-גבי המעגל 1מקומות סמוכים שסכום מספריהם גדול או שווה ל- .37 .1במישור נתונות 37נקודות ,אשר אף 1מהן אינן על ישר אחד .מחברים כל 2 נקודות בקטע וצובעים את כל הקטעים באחד משלושת הצבעים :ירוק ,כחול או לבן .הוכיחו כי באיור (בגרף השלם) שהתקבל יש משולש שכל צלעותיו צבועות באותו הצבע. .1הוכיחו כי בכל בחירה של 5נקודות מתוך ריבוע במימדים , 1cm 1cm :קיימות 2 1 . נקודות אשר המרחק ביניהן אינו עולה על 2 cm .1הוכיחו כי בעיגול שרדיוסו 2לא ניתן לסמן 303נקודות כך שהמרחק בין כל שתיים מהן גדול מ.2 - .1הוכיחו כי. k m, n : m n 2m 2n 2009k : .60הוכיחו כי קיימת חזקה טבעית של 3המסתיימת בספרות ( 001בבסיס .)10 (במילים אחרות ,הוכיחו כי קיים n כך שהייצוג העשרוני של 3nמסתיים בספרות).001 : בהצלחה! 660