容斥原理
容斥原理

令U为全体非负整数解,A1为其中x1>5的整数解, A2为其中x2>6的整数解,A3为其中x3>7的整数解。 则|U|=C(17,2)。A1相当于求线性方程 (x1+6)+x2+x3=15
的非负整数解,其个数为|A1|=C(9+3-1,9)=C(11,2)。 类似有:|A2|=C(8+3-1,8)=C(10,2), |A3|=C(7+3-1,8)=C(9,2)。
A B C U A BC A A C A B B B C C 871.
例6 求由abcd这4个字符构成的n位符号串中,a、b、 c都至少出现一次的数目。 令A、B、C分别表示不出现a、b、c的符号串的集合。 A中不出现a,即符号串的每一位只能取bcd之一, 有三种选择,因此|A|=3n。 类似有|B|=|C|= 3n , |A∩B|=|B∩C|=|A∩C|= 2n,|A∩B ∩C |= 1n=1,|U|= 4n。 因此满足条件的符号串的数目为:
例10 第二类Stirling数,是指m个不同的球放到n个 相同的盒子里,且无一空盒的方案数。 先考虑盒子都不相同的情形。 令Ai (i=1,2,…,n)表示第i个盒子为空的放法的集合。 则显然有|U|=nm,|Ai|=(n-1)m。 类似有:|Ai∩Aj|=(n-2)m, |Ai∩Aj∩Ak|=(n-3)m,… 因此第二类Stirling数为: n ! S ( m, m ) A1 A2 ... An
例如60=22×3×5,所以
y( n) = 60(1 1 / 2)(1 1 / 3)(1 1 / 5) 16,
即比60小且与60互素的数有16个: 1,7,11,13, 17, 19, 23,29,31,37,41,43,47,49,53,59。
容斥原理的应用举例

容斥原理的应用举例什么是容斥原理容斥原理是概率论、组合数学中常用的一种计数方法,它用于求解多个事件的并或交的概率或数量。
容斥原理是以集合论为基础的一种推理思想,通过排除重复计数,从而得到准确的计数结果。
容斥原理的公式容斥原理的公式可以表示为:|A1 ∪ A2 ∪ ... ∪ An| = |A1| + |A2| + ... + |An| - |A1 ∩ A2| - |A1∩ A3| - ... - |An-1 ∩ An| + |A1 ∩ A2 ∩ A3| + ... + (-1)^(n-1) * |A1 ∩ A2 ∩ ... ∩ An|其中,|A1 ∪ A2 ∪ … ∪ An| 表示事件 A1、A2、…、An 的并的概率或数量,|A1| 表示事件 A1 的概率或数量,|A1 ∩ A2| 表示事件 A1 和 A2 的交的概率或数量,以此类推。
容斥原理的应用举例容斥原理在组合数学和概率论中有广泛的应用,下面举几个例子来说明容斥原理的具体应用。
例子1:求解有限集合的元素个数假设有三个集合 A、B、C,它们分别有 |A|、|B|、|C| 个元素,求这三个集合的并集的元素个数。
根据容斥原理的公式,有:|A ∪ B ∪ C| = |A| + |B| + |C| - |A ∩ B| - |A ∩ C| - |B ∩ C| + |D|其中,|A ∩ B| 表示集合 A 和 B 的交的元素个数,以此类推。
例子2:求解排列组合中不满足条件的情况假设有两个集合 A 和 B,它们分别有 |A|、|B| 个元素,要求从 A 和 B 中选择指定数量的元素排列组合,但要满足某个特定的条件,那么可以使用容斥原理来计算不满足条件的情况。
Count = |A| * |B| - |A ∩ B|其中,|A ∩ B| 表示满足条件的情况。
例子3:求解事件的概率假设有三个事件 A、B、C,它们分别发生的概率分别为 P(A)、P(B)、P(C),求这三个事件的并的概率。
容斥原理

容斥原理(Inclusion–exclusion principle),是指在计数时,必须注意无一重复,无一遗漏,为了使重叠部分不被重复计算,人们研究出一种新的计数方法。
这种方法的基本思想是:先不考虑重叠的情况,把包含于某内容中的所有对象的数目先计算出来,然后再把计数时重复计算的数目排斥出去,使得计算的结果既无遗漏又无重复,这种计数的方法称为容斥原理。
公式也可表示为设S为有限集,,则两个集合的容斥关系公式:A∪B=A+B-A∩B(∩:重合的部分)三个集合的容斥关系公式:A∪B∪C=A+B+C-A∩B-B∩C-C∩A+A∩B∩C详细推理如下:1、等式右边改造={[(A+B-A∩B)+C-B∩C]-C∩A}+A∩B∩C2、文氏图分块标记如右图图:1245构成A,2356构成B,4567构成C3、等式右边()里指的是下图的1+2+3+4+5+6六部分:那么A∪B∪C还缺部分7。
4、等式右边[]号里+C(4+5+6+7)后,相当于A∪B∪C多加了4+5+6三部分,减去B∩C(即5+6两部分)后,还多加了部分4。
5、等式右边{}里减去C∩A(即4+5两部分)后,A∪B∪C又多减了部分5,则加上A∩B∩C(即5)刚好是A∪B∪C。
2严格证明对于容斥原理我们可以利用数学归纳法证明:证明:当时,等式成立()。
假设时结论成立,则当时,所以当时,结论仍成立。
因此对任意,均可使所证等式成立。
3原理1如果被计数的事物有A、B两类,那么,A类B类元素个数总和=属于A类元素个数+属于B类元素个数—既是A类又是B类的元素个数。
(A∪B=A+B-A∩B)例1一次期末考试,某班有15人数学得满分,有12人语文得满分,并且有4人语、数都是满分,那么这个班至少有一门得满分的同学有多少人?分析依题意,被计数的事物有语、数得满分两类,“数学得满分”称为“A类元素”,“语文得满分”称为“B类元素”,“语、数都是满分”称为“既是A类又是B 类的元素”,“至少有一门得满分的同学”称为“A类和B类元素个数”的总和。
容斥原理

容斥原理(包含与排除)集合:把具有某种性质的同类事物放在一起。
如A={五(1)班全体同学}、 B={1,2,3,4,…}。
|A|定义为集合A的个数。
A∪B:并集。
集合A={1,2,3},集合B={2,4,6,8},则A∪B={1,2,3,4,6,8}:交集。
上题,A∩B={2}A: 补集(或余集)。
集合I={1,3,5,7,9},集合A={3,5,7},则A={1,9}。
显然:A∩A=∅如果集合A和B没有公共元素,显然有|A∪B|=|A|+|B|。
如果集合A与B有公共元素,则|A∪B|=|A|+|B|-|A∩B|。
这就是两个集合的容斥原理:集合A与B的并的元素个数,等于集合A的元素个数与集合B的元素个数的和,减去集合A与B的交的元素个数。
例1、桌上有两张圆纸片A、B。
假设圆纸片A的面积为30平方厘米,圆纸片B的面积为20平方厘米。
这两张圆纸片重叠的面积为10平方厘米。
则这两张圆纸片覆盖桌面的面积。
解:|A∪B|=30+20-10=40(平方厘米)。
例2、求在1至100的自然数中能被3或7整除的数的个数。
解:设A={在1~100的自然数中能被3整除的数},B={在1~100的自然数中能被7整除的数},则A∩B={在1~100的自然数中能被21整除的数}。
∵100÷3=33…1,∴|A|=33。
∵100÷7=14…2,∴|B|=14。
∵100÷21=4…16,∴|A∩B|=4。
由容斥原理:|A∪B|=33+14-4=43。
答:略。
例3、求在1~100的自然数中不是5的倍数也不是6的倍数的数有多少个?解:设A={在1~100的自然数中5的倍数的数},B={在1~100的自然数中6的倍数的数}。
∵100÷50=20,∴|A|=20 又∵100÷6=16…4,∴|B|=16∵100÷30=3…10,∴|A∩B|=3,|A∪B|=|A|+|B|-|A∩B|=20+16-3=33。
数学———容斥原理

数学———容斥原理(1)如果被计数的事物有A、B两类,那么,A类B类元素个数总和= 属于A类元素个数+ 属于B类元素个数—既是A类又是B类的元素个数。
两个集合的容斥关系公式:A∪B = A+B - A∩B (∩:重合的部分)(把A、B两个集合的元素个数相加,因为既是A类又是B类的部分重复计算了一次,所以要减去。
)总数=两个圆内的-重合部分的(2)如果被计数的事物有A、B、C三类,那么,A类和B类和C 类元素个数总和= A类元素个数+ B类元素个数+C类元素个数—既是A类又是B类的元素个数—既是A类又是C类的元素个数—既是B类又是C类的元素个数+既是A类又是B 类而且是C类的元素个数。
三个集合的容斥关系公式:A∪B∪C = A+B+C - A∩B - B∩C - C∩A +A∩B∩C总数=三个圆内的—重合两次的+重合三次的【例题1】某大学某班学生总数是32人,在第一次考试中有26人及格,在第二次考试中有24人及格,若两次考试中,都没及格的有4人,那么两次考试都及格的人数是( ) A.22B.18C.28D.26【解析】:设A=第一次考试中及格的人数(26人),B=第二次考试中及格的人数(24人),显然,A+B=26+24=50;A∪B=32-4=28,则根据A∩B=A+B-A ∪B=50-28=22。
答案为A。
【例题2】电视台向100人调查前一天收看电视的情况,有62人看过2频道,34人看过8频道,11人两个频道都看过。
问两个频道都没看过的有多少人?【解析】:设A=看过2频道的人(62),B=看过8频道的人(34),显然,A+B=62+34=96;A∩B=两个频道都看过的人(11),则根据公式A∪B= A+B-A∩B=96-11=85,所以,两个频道都没看过的人数为100-85=15人。
【例题3】一次期末考试,某班有15人数学得满分,有12人语文得满分,并且有4人语、数都是满分,那么这个班至少有一门得满分的同学有多少人?【解析】:数学得满分人数→A,语文得满分人数→B,数学、语文都是满分人数→A ∩B,至少有一门得满分人数→A∪B。
容斥原理及其应用

容斥原理及其应用容斥原理是组合数学中一种重要的计数技巧,被广泛运用于排列组合、概率统计等领域。
它的核心思想是通过求出多个集合的交集和并集来计算所需的数量,从而避免重复计数,确保准确性和全面性。
本文将介绍容斥原理的基本概念、推导过程以及其在实际问题中的应用。
一、容斥原理的基本概念容斥原理是根据集合的性质和运算规则推导出的一种计数方法。
在给定一组集合时,容斥原理可以帮助我们计算这些集合的交集和并集的元素个数。
在具体运用中,我们将问题转化成求解几个集合的元素个数之和的问题。
容斥原理表达式如下:∣A1∪A2∪⋯∪An∣=∣A1∣+∣A2∣+⋯+∣An∣−∣A1∩A2∣−∣A1∩A3∣−⋯−∣An−1∩An∣+⋯+(−1)^n−1∣An−1∩An∣其中,∣A∣表示集合A的元素个数,∪表示集合的并集,∩表示集合的交集,n表示集合的数量。
二、容斥原理的推导过程容斥原理的推导过程可以通过数学归纳法来实现,下面简要介绍:首先,我们给定两个集合A和B,我们用∣A∣表示集合A的元素个数,用∣B∣表示集合B的元素个数。
如果我们要计算A和B的并集∣A∪B∣,那么可以采取如下步骤:1. 首先,我们直接将∣A∣和∣B∣相加,得到∣A∣+∣B∣。
2. 然后,我们需要减去重复计算的部分,即集合A和B的交集∣A∩B∣。
因为∣A∩B∣这部分元素已经在∣A∣和∣B∣中被计算了一次,所以需要减去∣A∩B∣。
通过以上步骤,我们得到了∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣。
这就是容斥原理的基本推导过程。
接下来,我们将容斥原理推广到更多集合的情况。
假设我们有三个集合A、B和C,我们想要计算它们的并集∣A∪B∪C∣,我们可以按照以下步骤进行:1. 首先,我们将∣A∣、∣B∣和∣C∣相加,得到∣A∣+∣B∣+∣C∣。
2. 然后,我们需要减去两两集合的交集部分,即∣A∩B∣、∣A∩C∣和∣B∩C∣。
这是因为这些部分元素在∣A∣、∣B∣和∣C∣中都被计算了一次,所以需要减去。
容斥原理知识点

容斥原理知识点
容斥原理是一种计数方法,主要用于解决重叠问题。
其基本思想是:先不考虑重叠的情况,把包含于某内容中的所有对象的数目先计算出来,然后再把计数时重复计算的数目排斥出去,使得计算的结果既无遗漏又无重复。
例如,有3个集合A、B和C,它们的并集是{1,2,3,4,5},而集合A是{1,2,3}、集合B是{3,4}、集合C是{4,5}。
虽然数字3在两个集合中出现,但在求并集时只计算一次;数字4在集合B和集合C中出现,但在求并集时也只计算一次。
这样,求出的并集既无遗漏又无重复。
以上内容仅供参考,建议查阅数学书籍或咨询数学老师获取更准确的信息。
容斥原理是什么意思

容斥原理是什么意思容斥原理是什么意思?当 n>1时,任何一个非空集都可以用一个数来表示。
对于集合 A,对于每一个元素 x, y,使得:当 n≥1时,都存在正整数 N,使得对于任意两个不同的元素 x, y,都有 a ≤x≤y≤a 当且仅当 A={ a}。
它们最大的不同在于,一个集合是否能够由这样一个常数 a 来唯一确定,即 a 是否是一个常量。
因此,我们又引入了另外三种等价的说法:第一种情况:多余数为零;第二种情况:奇数个整数组成的集合中至少有一个偶数;第三种情况:如果集合 A 中所含元素全部是偶数,则称 A 为偶数集。
其实,无论哪一种说法,都隐藏着一条重要的性质——容斥原理。
那就是:若 A 是偶数集,则必然包括奇数个整数。
换句话说,只要满足容斥原理, A 就是偶数集。
但是,容斥原理并没有给出具体的证明方式和步骤,而是留下了许多问题让人去探索、发现。
例如,容斥原理究竟适用于什么场景呢?比如,对于偶数集 A,它到底应该怎样解释才算恰当呢?再者,既然容斥原理已经被提出来了,那么,它会随着科学技术的进步而改变吗?还有,如果 A 真的是偶数集,那么, A 与 B 之间又有什么关系呢……带着诸多疑惑,本文将从四个角度展开讨论,分别介绍容斥原理及其推广形式,希望通过这些内容的阐述,能帮助读者更好地认识容斥原理,掌握容斥原理的精髓。
第一种情况:多余数为零;设 A 是偶数集,则 A 中至少有一个元素是0。
也就是说, A 中至少有一个元素是非负整数。
假设某次考试中,共有100名考生参加考试,其中90名考生的答案为“ A”或“ B”,那么,他们的平均值为70.5分(即,90/100);剩下10名考生的答案为“ C”或“ D”,那么,他们的平均值为71.25分(即,10/90)。
显然,后面10位考生的平均分高于前9位考生的平均分。
根据容斥原理,可知,这10名考生的答案肯定是错误的!上面的例子告诉我们,当 A 是偶数集时,多余数为零,故 A 中至少有一个元素是非负整数。
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例2 有100位旅客,其中10人不懂英语又不懂俄语,有75人懂英语,83人懂 俄语,既懂英语又懂俄语的有多少人?
①这个题目中告诉的量有重复的,也有独立的,这时我们可以这样来画图表示:
75+83+10-100=68(人) 答:既懂英语又懂俄语的有68人。
例2 有100位旅客,其中10人不懂英语又不懂俄语,有75人懂英语,83人懂 俄语,既懂英语又懂俄语的有多少人?
=总数-[(一项)+(一项)-(两项) [两项都没 (一项)+(一项)-(两项) ]+两项都没=总数]
=4(人) 40-(25+19-8) 答:没有采集标本的有4人。
1.某班有48人,其中37人做完了语文作业,42人做完了数学作业,语 文、数学作业都没做完的人一个也没有。这个班语文、数学作业都做 完的有多少人?
75+83+10-100 =68(人) 答:既懂英语又懂俄语的有68人。
小 结
1.只有两个部分的包含排除问题中,总量的求法: 求独立的部分之和; 有重复部分的两个量的和减去重复部分。
2.公式:
(一项)+(一项)-(两项)+两项都没=总数
尝试训练二
京华小学五年级的学生采集标本,采集昆虫标本的有 25人,采集植物 标本的有19人,两种标本都采集的有8人,全班学生共有40人,没有 采集标本的有多少人?
容斥原理
王老师有一次统计一下她班级里的一次考试的成绩。语文得优秀的同学有 22人。数学得优秀的有25人。可是她发现不对?她们班总共只有30名同学,
可是现在却是22+25,怎么就有47名同学了呢?
所以,我们在计数的时候,一定要把重复的部分去掉。这也就是 我们这一节课的精髓——包含与排除问题。
例1
某校艺术团的小演奏家们,每人都至少会演奏小提琴和钢琴中
短跑 17 游泳 18 篮球 15 短跑和游泳 6 游泳和篮球 6 篮球和短跑 5 短跑、游泳 和篮球 2
动手画韦恩图,然后分析数据,理解韦恩图中各个部分的数学意义。
除了4个学生三个项目都没有达到优秀外,其余学生每人至少有一项优 秀,用韦恩图表示为:
例5
某小学45名学生参加数学、作文、美术竞赛,有21ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ参加数学
竞赛,15人参加作文竞赛,其中7人既参加作文竞赛又参加数学竞赛, 3人既参加作文竞赛又参加美术竞赛,但没有一人既参加数学竞赛又参 加美术竞赛。 (1)只参加数学竞赛的有( (2)只参加作文竞赛的有( (3)只参加美术竞赛的有( )人; )人; )人;
这里有3个量,所以要用3个圆圈来表示,再根据题目的意思,我们知道数学与 作文有交叉,作文与美术有交叉,但美术与数学没有交叉。所以,我们可以画 图如下: A 数学 D E 作文 B 美术 C
和,还应该知道哪些量,怎么运算?
(D,G,用A+B-D-G,因为D、G两部分加起来就是黑色圈与 棕色圈相交的部分) (3)假如知道了黑色圈、棕色圈、绿色圈这三个圈所表示的数字, 要求这三个圈的和,我们应该怎么办呢?
尝试训练三
一个工厂有一批工人,每人至少会一门技术,其中会开车床的有 235 人,会开铣床的有218人,会开刨床的有207人,既会开车床又会开铣 床的有112人,既会开车床又会开刨床的有71人,既会开铣床又会开 刨床的有63人,三种都会的有19人,这个工厂一共有多少人?
=[(一项)+(一项)]+两项都没-总数 [两项 (一项)+(一项)-(两项) ]+两项都没=总数
37+42+0-48 =31(人)
2.在87人中,会下中国象棋的有68人,会下国际象棋的有50 人,两种象棋都不会下的有10人。两种象棋都会下的有几人?
1.只有两个部分的包含排除问题中,总量的求法:
①求独立的部分之和,
②有重复部分的两个量的和减去重复部分。 2.理解韦恩图中各个部分的数学意义是解题关键。 3.公式 (一项)+(一项)-(两项)+两项都没=总数
(1)假如知道黑色的圈所代表的数量,要求A所表示的数量,我
们还必须这里面的哪些量?
(D,F,G) (2)假如知道了黑色圈与棕色圈所代表的数字,要求这两个圈的
①这个题目中告诉的量有重复的,也有独立的,这时我们可以这样来画图表示:
[(一项)+(一项)-(两项)]+两项都没=总数 (一项)+(一项)-(两项)=总数
例2 有100位旅客,其中10人不懂英语又不懂俄语,有75人懂英语,83人懂 俄语,既懂英语又懂俄语的有多少人?
[(一项)+(一项)-(两项) ]+两项都没=总数 两项=(一项)+(一项)+两项都没-总数
和中减去重复的量。
(一项)+(一项)-(两项)=总数
尝试训练一
一个班有42名学生都订了《中国少年报》和《小学生报》两种报纸, 订阅《中国少年报》有32人,订阅《小学生报》有27人,至少有多少 人订阅两种报纸?
(一项)+(一项)-(两项) 两项=(一项)+(一项)-总数 =总数
32+27-42 =17(人)
小 结
1.当两个计数部分有重复时,为了不重复计数,应该从它们的 和中减去重复部分。这一原理,就是包含与排除原理。 2.用包含与排除原理解决问题有两种方法: 第一种方法是:先把有重复的计数部分处理成没有重复的计数 部分,然后把几个不重复的计数部分相加。 第二种方法是:先把有重复计数部分的几个量相加,再从这个
的一种,他们中有32人会拉小提琴,27人弹钢琴,小提琴和钢琴都能 演奏有11人,这个团共有多少个演奏家?
分 析
解法一:只会拉小提琴的:32-11=21(人)
只会弹钢琴的:27-11=16(人) 全团总人数:21+16+11=48(人) 解法二:32+27-11=48(人) 答:这个团共有48个小演奏家。
[(一项和)-(两项) ]+两项都没 =总数 =总数 (一项)+(一项)-(两项) ]+两项都没 [(一项和)-(两项和)+三项]+三项都没=总数 235+218+207-(112+71+63)+19 =433(人)
例4
某班全体学生进行了短跑、游泳、篮球三个项目测试,有4个学生
在这三个项目都没达到优秀,其余学生每人至少有一项达到优秀,这部分 学生达到优秀项目的人数如下表。求这个班的学生人数。
短跑 17 游泳 18 篮球 15 短跑和游泳 6 游泳和篮球 6 篮球和短跑 5 短跑、游泳 和篮球 2
[(一项和)-(两项和)+三项]+三项都没=总数
17+18+15-(6+6+6)+2+4 =39(人)
例4
某班全体学生进行了短跑、游泳、篮球三个项目测试,有4个学生
在这三个项目都没达到优秀,其余学生每人至少有一项达到优秀,这部分 学生达到优秀项目的人数如下表。求这个班的学生人数。