容斥原理
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。
容斥原理和包含排斥原理

容斥原理和包含排斥原理容斥原理和包含排斥原理是概率论中常用的两个方法。
它们可以用来计算概率,计算组合数,以及解决其他一些概率统计上的问题。
容斥原理是指,如果我们要计算两个集合的并集,可以先计算它们的交集,再分别计算它们的差集,最后把差集相加即可。
具体来说,设 A 和 B 是两个集合,则它们的并集可以表示为:A ∪B = A + B - A ∩ B这里的 A ∩ B 表示 A 和 B 的交集,即 A 和 B 中都有的元素。
上式的含义是,我们把 A 和 B 的元素都加起来,但是要把 A 和 B 的交集中的元素从其中减去,避免重复计数。
A ∪B ∪C = A + B + C - A ∩ B - A ∩ C - B ∩ C + A ∩ B ∩ C包含排斥原理是容斥原理的一种扩展形式。
它可以解决更复杂的问题,如计算三个以及更多集合的交集大小。
它的基本形式是:|A ∩ B ∩ C ∩ D| = |A| + |B| + |C| + |D| - |A ∩ B| - |A ∩ C| - |A ∩ D| - |B ∩ C| - |B ∩ D| - |C ∩ D| + |A ∩ B ∩ C| + |A ∩ B ∩ D| + |A ∩ C ∩ D| + |B ∩ C ∩ D| - |A ∩ B ∩ C ∩ D|这个式子的含义是,我们把 A、B、C 和 D 的元素都加起来,但是要把 A 和 B、A和 C、A 和 D、B 和 C、B 和 D、C 和 D、A、B、C 和 D 的交集从中减去,避免重复计数,然后再加上 A 和 B、A 和 C、A 和 D、B 和 C、B 和 D、C 和 D、A、B、C 和 D 的交集,避免漏掉某些元素,最后再减去 A、B、C 和 D 的交集,避免重复计数。
总之,容斥原理和包含排斥原理都是非常有用的工具,能够帮助我们解决各种概率统计上的问题。
在实际应用中,我们可以根据具体情况选择使用哪种方法,以获得更精确的结果。
容斥原理

3.3 容斥原理的应用
例3:从100到999共900个三位数中,相邻 数字不相等的三位数共有多少个?
例5 在数码1,2,3,4,5,6,7,8,9的全排列中,求: (1)偶数都在原来自己的位置上,而奇数都不在原 来位置上的错排数目; (2)奇数都在原来自己的位置上,而偶数都不在原 来位置上的错排数目; (3)求所有奇数都不在原位置的错排数; (4)求所有偶数都不在原位置的错排数; 例6 求8个字母a,b,c,d,e,f,g,h的全部排列中,只有 四个元素不在原来位置上的排列种数(原来位置指 字母的自然顺序)。
• 例2:某班有25名学生,其中有16人学英语,12 人学日语,6人兼学日语和英语,5人兼学英语和 德语,有2人兼学这3门外语,学德语的8人均兼 学英语或日语。问该班不学这三门外语的有多少 人?
• 例3:1与1000之间不能被5,6,8整除的整 数有多少个?
• 例4:求由a,b,c,d四个字符构成的n位符号串 中,a,b,c,d至少出现一次的符号串的数目。
带有禁止模式的排列问题
重复数有限的集合的组合数
例11. 求长为5的二进制数的个数,要求其中每 个1都与另一个1相邻. 例12. 在所有的n位数中,含有3,8,9,但是不包含 0,4的数有多少个? 例13. 求能被5或7整除,但不能被3整除的三位 数的个数.
例14. 满足下列条件的正整数的全体用集合S 表示:”各位数字不同,且任意两位数字的和不 为9.”这里,S的元素用十进制表示,且S含1位 整数.
第三章
容斥原理
3.1 引论
在这一章,将得出并应用一个重要的计数公式,叫做容斥原 理。回忆加法原理在集合间不相重迭的情况下,即在这些集合确 定一个划分的情况下,给出了这些集合的并的成员的简单计数公 式。容斥原理则将给出最一般情形下的一个公式,此时集合间可 以重迭而没有限制,这个公式应该更复杂,但是应用也将更广泛。 容斥原理又叫逐步淘汰原理,是组合分析中十分常用、十分 重要的计数原理,甚至在概率论和数论等领域也经常应用这个原 理。容斥原理的基本思考方法是将难的问题分解成若干简单的问 题,通过对这些简单问题的结果代数求和来得到这个难的问题的 解,也就是通过间接计数来解决直接计数不容易解决的问题。
容斥原理公式及运用

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,研究出一种新的计数方法。
这种方法的基本思路是: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。
一、容斥原理1:两个集合的容斥原理如果被计数的事物有A、B两类,那么,先把A、B两个集合的元素个数相加,发现既是A类又是B类的部分重复计算了一次,所以要减去。
如下图所示。
【示例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。
A∪B=15+12-4=23,共有23人至少有一门得满分。
二、容斥原理2:三个集合的容斥原理如果被计数的事物有A、B、C三类,那么,将A、B、C三个集合的元素个数相加后发现两两重叠的部分重复计算了1次,三个集合公共部分被重复计算了2次。
如下图所示,灰色部分A∩B-A∩B∩C、B∩C-A∩B∩C、C∩A-A∩B∩C都被重复计算了1次,黑色部分A∩B∩C被重复计算了2次,因此总数A∪B∪C=A+B+C-(A∩B-A∩B∩C)-(B∩C-A∩B∩C)-(C∩A-A∩B∩C)-2A∩B∩C=A+B+C-A∩B-B∩C-C∩A+A∩B∩C。
即得到:【示例2】??某班有学生45人,每人都参加体育训练队,其中参加足球队的有25人,参加排球队的有22人,参加游泳队的有24人,足球、排球都参加的有12人,足球、游泳都参加的有9人,排球、游泳都参加的有8人,问:三项都参加的有多少人参加足球队→A,参加排球队→B,参加游泳队→C,足球、排球都参加的→A∩B,足球、游泳都参加的→C∩A,排球、游泳都参加的→B∩C,三项都参加的→A∩B ∩C。
三项都参加的有A∩B∩C=A∪B∪C-A-B-C+A∩B+B∩C+C∩A=45-25-22-24+12+9+8=3人。
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。
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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?
2、五(1)班36个同学在一次测验中,答对第一题的有25人,答对第二题的有23人,两题都答对的有15人。
问有几个同学两题都不对?
容斥原理(也称包含与排斥原理或逐步淘汰原理或取舍原理) 在计数时,为了既不重复也不遗漏,人们研究出一种新的方法,这种间接的计数方法称为容斥原理。
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。
这个原理直观易懂,思路明确,方法也是程式化,是学习组合数学中计数问题的一个十分重要的基本工具。
1、对于两个有限集合A 、B 的容斥原理,如图: B A B A B A -+=
2、对于三个有限集合A 、B 、C 的容斥原理,如图:
C
B A
C B B A B A C B A C B A +---++=
容斥原理的灵活运用
导入 知识精讲
【例1】如图所示: (1)已知:∠AOB=90°,∠COD=80°。
∠COB=30°,求∠AOD 。
(2)已知:∠AOB=100°,∠COD=70°,∠AOD=135°,求∠COB 。
【巩固】
1、如图,桌面上放有两本书,A 的面积是56,B 的面积是48,桌面面积是200,书本未覆盖部分面积是116,求两本书重叠部分的
面积。
例题精讲
B A D B
C A O
2、如下图,矩形ABCD中,AB=6厘米,BC=4厘米,扇形ABE半径AE=6厘米,扇形CBF的半径CB=4厘米,求阴影部分的面积。
【例2】50 名同学面向老师站成一行.老师先让大家从左至右按1,2,3,…,49,50 依次报数;再让报数是4的倍数的同学向后转,接着又让报数是6的倍数的同学向后转。
问:现在面向老师的同学还有多少名?
【巩固】
1、有100 盏亮着的电灯,各有一个拉线开关控制着,现按其顺序编号为1,2,3,…,100,然后将编号为2的倍数的灯线拉一下,再将编号为3 的倍数的灯线拉一下,这时亮着的灯有多少盏?
2、有2008 盏亮着的电灯,各有一个拉线开关控制着,现按其顺序编号为1,2,3,…,2008,然后将编号为2的倍数的灯线拉一下,再将编号为3的倍数的灯线拉一下,最后将编号为5的倍数的灯线拉一下,三次拉完后,亮着的灯有多少盏?
【例3】在一根长的木棍上有三种刻度线,第一种刻度线将木棍分成10等份,第二种将木棍分成12等份,第三种将木棍分成15等份。
如果沿每条刻度线将木棍锯断,木棍总共被锯成多少段?
【巩固】
1、某个班的全体学生在进行了短跑、游泳、投掷三个项目的测试后,有4名学生在这三个项目上都没有达到优秀,其余每人至少有一项达到了优秀,达到了优秀的这部分学生情况如下表:
求这个班的学生共有多少人?
2、在游艺会上,有100名同学抽到了标签分别为1至100的奖券.按奖券标签号发放奖品的规则如下:
(1)标签号为2的倍数,奖2支铅笔;
(2)标签号为3的倍数,奖3支铅笔;
(3)标签号既是2的倍数,又是3的倍数可重复领奖;
(4)其他标签号均奖1支铅笔.
那么游艺会为该项活动准备的奖品铅笔共有多少支?
【例4】有25人参加跳远达标赛,每人跳三次,每人至少有一次达到优秀。
第一次达到优秀的有10人,第二次达到优秀的有13人,第三次达到优秀的有15人,三次都达到优秀的只有1人。
只有两次达到优秀的有多少人?
【巩固】
1、有28人参加田径运动会,每人至少参加两项比赛。
已知有8人没参加跑的项目,参加投掷项目的人数与参加跑和跳两项的人数都是17人。
问:只参加跑和投掷两项的有多少人?
2、70名学生参加体育比赛,短跑得奖的31人,投掷得奖的36人,弹跳得奖的29人,短跑与投掷二项均得奖的12人,跑、跳、投三项均得奖的有5人,只得弹跳奖的有7人,只得投掷奖的有15人.
求:(1)只得短跑奖的人数;
(2)得二项奖的总人数;
(3)一项奖均未得的人数.
【例5】某校六年级二班有49人参加了数学、英语、语文学习小组,其中数学有30人参加,英语有20人参加,语文小组有10人。
老师告诉同学既参加数学小组又参加语文小组的有3人,既参加数学又参加英语和既参加英语又参加语文的人数均为质数,而三种全参加的只有1人,求既参加英语又参加数学小组的人数。
【巩固】
1、某校五年级三班有51人参加了数学、英语、语文学习小组,其中数学有30人参加,英语有20人参加,语文小组有20人。
老师告诉同学既参加数学小组又参加语文小组的有8人,既参加数学又参加英语和既参加英语又参加语文的人数均为质数,而三种全参加的只有1人,求既参加英语又参加数学小组的人数。
2、某班同学参加升学考试,得满分的人数如下:数学20人,语文20人,英语20人,数学、英语两科满分者8人,数学、语文两科满分者7人,语文、英语两科满分者9人,三科都没得满分者3人。
问这个班最多多少人?最少多少人?
【例6】有个老师他想知道自己所带班的60人中,游泳、自行车、乒乓球这三个运动班上的普及程度,于是就在班问了一下,当他分别问会游泳、会自行车、会乒乓球请举手时,分别有40人、45人、48人举手,问这三项运动都会的有22人举手,问完这些后就有事先走了,后来他想知道班上最多有多少学生这三项运动都不会,能否根据有限的条件计算出来。
【巩固】
五(1)班有28位同学,每人至少参加数学、语文、自然课外小组中的一个。
其中仅参加数学与语文小组的人数等于仅参加数学小组的人数,没有同学仅参加语文或仅参加自然小组,恰有6个同学参加数学与自然小组但不参加语文小组,仅参加语文与自然小组的人数是3个小组全参加的人数的5倍,并且知道3个小组全参加的人数是一个不为0的偶数,那么仅参加数学和语文小组的人有多少人?
练习
1、实验小学四年级二班,参加语文兴趣小组的有28人,参加数学兴趣小组的有29人,有12人两个小组都参加.这个班有多少人参加了语文或数学兴趣小组?
2、四(二)班有48名学生,在一节自习课上,写完语文作业的有30人,写完数学作业的有20人,语文数学都没写完的有6人.
⑴问语文数学都写完的有多少人?
⑵只写完语文作业的有多少人?
圆B表示这50个数中能被5整除的数,则阴影部分表示的数
是。
4、某班学生手中分别拿红、黄、蓝三种颜色的小旗,已知手中有红旗的共有34人,手中有黄旗的共有26人,手中有蓝旗的共有18人.其中手中有红、黄、蓝三种小旗的有6人.而手中只有红、黄两种小旗的有9人,手中只有黄、蓝两种
小旗的有4人,手中只有红、蓝两种小旗的有3人,那么这个班共有多少人?
5、某班有42人,其中26人爱打篮球,17人爱打排球,19人爱踢足球,9人既爱打篮球又爱踢足球,4人既爱打排球又爱踢足球,没有一个人三种球都爱好,也没有一个人三种球都不爱好.问:既爱打篮球又爱打排球的有几人?
6、新年联欢会上,共有90人参加了跳舞、合唱、演奏三种节目的演出.如果只参加跳舞的人数三倍于只参加合唱的人数;同时参加三种节目的人比只参加合唱的人少7人;只参加演奏的比同时参加演奏、跳舞但没有参加合唱的人多4人;50人没有参加演奏;10人同时参加了跳舞和合唱但没有参加演奏;40人参加了合唱;那么,同时参加了演奏、合唱但没有参加跳舞的有多少人.。