Связь комбинаторики с различными разделами математики

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Вятский государственный гуманитарный университет

Математический факультет

Кафедра алгебры и геометрии

Выпускная квалификационная работа

Связь комбинаторики с различными разделами математики

Выполнила:

студентка V курса математического факультета

Бородулина Юлия Анатольевна

Научный руководитель:

к. ф-м. н., доцент кафедры алгебры и геометрии

Е.М. Ковязина

Рецензент:

к. ф-м. н., доцент кафедры алгебры и геометрии

О.С. Руденко

Допущена к защите в государственной аттестационной комиссии

«___» __________2005 г. Зав. кафедрой Е.М. Вечтомов

«___»___________2005 г. Декан факультета В.И. Варанкина

Киров

2005

Содержание

Введение 3

§1. Применение леммы Бернсайда к решению комбинаторных задач 5

1.1. Орбиты группы перестановок 5

1.2. Длина орбиты группы перестановок. Лемма Бернсайда 5

1.3. Комбинаторные задачи 8

§2. «Метод просеивания» 21

2.1. Формула включения и исключения 21

2.2. Общий «метод просеивания» или «пропускания через решето». Решето Сильва-Сильвестра 23

2.3. Использование общего метода решета в теории чисел 23

§3. Разбиение фигур на части меньшего диаметра 28

§4. «Счастливые билеты» 34

Библиографический список 39

Введение

Область математики, в которой изучаются вопросы о том, сколько различных комбинаций, подчинённых тем или иным условиям, можно составить из заданных объектов называется комбинаторикой. Комбинаторика возникла в XVI веке. Вопросы, касающиеся азартных игр, явились движущей силой в развитии комбинаторики. Сейчас комбинаторные методы применяются как в самой математике, так и вне её – теория кодирования, планирование эксперимента, топология, конечная алгебра, математическая логика, теория игр, кристаллография, биология, статистическая физика, экономика и т.д.

Комбинаторика, пройдя многовековой путь развития, обретя собственные методы исследования, с одной стороны, широко используется при решении задач алгебры, геометрии, анализа, с другой стороны, сама использует геометрические, аналитические и алгебраические методы исследования.

Цель дипломной работы: показать связь комбинаторики с различными разделами математики.

Задачи:

Изучить лемму Бернсайда и решить комбинаторные задачи о раскраске с её применением;

Показать применение метода «просеивания» для подсчёта количества простых и взаимно простых чисел;

Рассмотреть теорему Борсука, которая решает задачу для плоских фигур о разбиении их на части меньшего диаметра;

Решить задачу о «счастливых билетах».

Дипломная работа состоит из четырёх частей:

В § 1 рассмотрена связь теории групп с комбинаторикой: применение группы перестановок к решению комбинаторных задач. Основной используемый факт в этом параграфе – лемма Бернсайда.

В § 2 показан наиболее общий метод пересчёта (известный ещё в XVIII веке), а также приведены примеры его использования в теории чисел.

Параграф 3 посвящён вопросу комбинаторной геометрии – вопросу о разбиении фигуры на несколько меньших частей. Рассмотренная теорема Борсука является тем стержнем, вокруг которого возможно дальнейшее рассмотрение этого вопроса.

В § 4 решается известная задача о счастливых билетах с привлечением методов из математического анализа.

§ 1. Применение леммы Бернсайда к решению комбинаторных задач [3]

1.1. Орбиты группы перестановок

Пусть G – группа перестановок на множестве М={1, 2, …, n}. Подмножество ОМ называется орбитой группы G, если: а) α(a)O для любого αG и любого aO, то есть действие перестановок из G на элементы О не выводит за пределы О; б) любые два элемента из О можно перевести друг в друга некоторой перестановкой из G.

Легко показать, что всякая группа перестановок G={ε=α0, α1, …, αk-1} имеет орбиты.

Орбитами подобного вида исчерпываются все типы орбит, то есть, если О – орбита группы G и аО, то О=О(а).

Любые две орбиты О(а) и О(b) либо совпадают (если bO(a)), либо не пересекаются (если bO(a)).

Таким образом, множество М распадается в объединение непересекающихся подмножеств – орбит группы G. В связи с разбиением множества М на орбиты группы перестановок G возникают следующие два вопроса:

1) Сколько орбит имеет группа G на множестве М?

2) Какова длина каждой из этих орбит, то есть из скольких элементов они состоят?

Ответим на эти вопросы.

1.2. Длина орбиты группы перестановок. Лемма Бернсайда

Ответим на второй вопрос. Для любого элемента аМ можно рассмотреть группу Ga всех перестановок из G, для которых точка а является неподвижной. Она называется стабилизатором точки а. Ответим на вопрос, доказав следующую теорему:

Длина орбиты О(а) равна индексу стабилизатора Ga в группе G, то есть |O(a)|= | G |:| Ga |.

Доказательство. Пусть G={ε=α0, α1, …, αk-1}, Ga={ε=β0, β1, …, βs-1}. Для подсчёта различных элементов в последовательности a=α0(a), α1(a), …, αk-1(a) удобно особым образом расположить в ряд элементы группы G. Для этого используем тот факт, что группу G можно представить в виде объединения всевозможных непересекающихся правых классов смежности по подгруппе Ga, имеющих одинаковое число элементов. То есть существуют перестановки γ0=ε, γ1, …, γl-1 из группы G такие, что все перестановки ряда

α0= β0° γ0= ε, α1= β1° γ0, …, αs-1= βs-1° γ0,

αs= β0° γ1, αs+1= β1° γ1, …, α2s-1= βs-1° γ1, (*)

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

α(l-1)s= β0° γl-1, α(l-1)s+1= β1° γl-1, …, αls-1= βs-1° γl-1

попарно различны и исчерпывают всю группу G.

Для любого i=0, …, l-1 применение s перестановок αis, αis+1, …, α(i+1)s-1, образующих i-тую строку таблицы (*), к элементу а даёт один и тот же элемент γi(а) (так как β0, β1, …, βs-1 оставляют а неподвижным). Все l элементов γi(а) попарно различны. Действительно, если бы γi(а)=γj(а) для некоторых i, j, то а=(γj ° γi-1) (a), то есть перестановка (γj ° γi-1) Ga. Но это возможно только тогда, когда γi и γj содержатся в одном правом классе смежности группы G по подгруппе Ga, чего быть не может. Таким образом, длина орбиты О(а) равна l, то есть числу строк в таблице (*): k=l∙s (то есть l является индексом подгруппы в группе). По теореме Лагранжа l=| G |:| Ga |, то есть |O(a)|= | G |:| Ga |. Теорема доказана.

Теперь ответим на первый вопрос. Для этого сформулируем и докажем лемму Бернсайда.

Пусть λ(α) – число неподвижных точек перестановки α, t(G) – число орбит группы перестановок G={ε=α0, α1, …, αk-1}, действующей на множестве М={1, 2, …, n}. Тогда для любой группы перестановок имеет место равенство:

t(G)=λ(α), где αG.

Доказательство. Рассмотрим отношение «перестановка α сохраняет неподвижным элемент m» между перестановками группы G и элементами множества М. Сопоставим парам (α, m), αG, mM, вершины прямоугольной сети и отметим те из них, для которых соответствующая пара (α, m) находится в указанном отношении, то есть α(m)=m (рис. 1).

Иными словами, построим график указанного отношения.

Error: Reference source not found

Число отмеченных точек (точек, принадлежащих графику) можно подсчитать двумя способами: определить число отмеченных точек на каждой вертикали и просуммировать полученные величины или же определить число таких точек на каждой горизонтали и вычислить их сумму. Согласно определению отношения на каждой вертикали отмечаются все точки, сохраняемые перестановкой α, соответствующей этой вертикали. Их число равно λ(α). Поэтому число всех точек графика равно

λ(α0) + λ(α1) + … +λ(αk-1)= λ(α), где αG.

С другой стороны, на каждой горизонтали отмечаются все перестановки, сохраняющие элемент mM, отвечающий этой горизонтали. А такие перестановки образуют группу Gm – стабилизатор элемента m, - и их число, по теореме, доказанной ранее, равно |Gm|=|G|:|O(m)|. Поэтому при втором способе подсчёта числа отмеченных точек графика рассматриваемого отношения получаем выражение |G1| + |G2| + … + |Gn| = |Gm |(mM).

Однако, если элементы i, j M содержатся в одной орбите, то О(i)=O(j), и поэтому |Gi|=|G|:|O(i)|=|G|:|O(j)|=|Gj|. Пусть О1, О2, …, Оt – все орбиты группы G такие, что , и слагаемые в этом объединении не пересекаются. Разобьём |Gm | (где mM) на части так, чтобы внутри каждой из этих частей суммирование шло по элементам некоторой орбиты:

m| =m| + m| + … +m|.

Каждое из t слагаемых в правой части этого равенства можно преобразовать следующим образом:

m| = = = = |G|.

Поэтому m| = |G| + … +|G| = t∙|G|.

Таким образом, при втором способе подсчёта мы получили t∙|G| отмеченных точек графика. Приравнивая величины, полученные при первом и втором способах, получим

t|G| = ,

то есть t = t(G) = .

Лемма доказана.

1.3. Комбинаторные задачи

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих возможности применения леммы Бернсайда при решении комбинаторных задач на перечисление.

Задача 1. Сколькими способами можно раскрасить вершины куба в три цвета (например, красный, синий и зелёный)?

Решение. (В остальных задачах будем использовать обозначения, аналогичные обозначениям в этой задаче). Поскольку каждую из восьми вершин куба можно раскрасить тремя способами, причём независимо от того, как раскрашены другие вершины, то множество всех вершин куба можно раскрасить 38=6561 различными способами (по формуле ). Однако при таком подходе к решению задачи молчаливо предполагается, что мы умеем различать вершины куба перед окраской, то есть, скажем, куб жёстко закреплён или его вершины занумерованы. При этом полученный ответ можно интерпретировать следующим образом: можно так раскрасить 38 абсолютно одинаковых, жёстко закреплённых кубов, что все они будут различаться. Для 38+1 кубов этого сделать уже нельзя. Ситуация существенно меняется, если мы откажемся от предположения о том, что кубы жёстко закреплены, так как по-разному окрашенные кубы можно повернуть так, что в новом положении их окраски совпадут (рис.2).

Естественно считать, что два куба раскрашены одинаково, если их раскраски совпадают вплоть до способа размещения кубов в пространстве, то есть вплоть до некоторого вращения одного из кубов. Будем говорить, что такие раскраски кубов геометрически неотличимы. Поэтому естественным уточнением задачи о раскраске является следующая задача: сколькими геометрически различными способами можно раскрасить вершины куба в три цвета.

Переформулируем теперь эту задачу так, чтобы стала понятной её связь с леммой Бернсайда. Пусть М – множество всевозможных по-разному раскрашенных кубов одного размера, положение которых в пространстве фиксировано (|M|=38), G – группа всех вращений куба. Группа G естественным образом определяет группу перестановок на множестве М. Именно, если αG – некоторое вращение, то каждому кубу из М можно сопоставить некоторый другой куб, который получается из первого при вращении α. Это соответствие является перестановкой на М, которую будем обозначать . Группу всех таких перестановок множества М, определяемых перестановками из G будем обозначать . Ясно, что || = |G|. То, что два куба К1 и К2 из М раскрашены геометрически одинаково, означает, что один из них можно перевести вращением в такое положение, в котором они неразличимы. Иными словами, существует такая перестановка , что (К1) = К2, то есть К1 и К2 содержатся в одной орбите группы , действующей на множестве М. Таким образом, для того чтобы определить число геометрически различимых способов раскраски вершин куба, нужно найти количество орбит группы на множестве М. Считая вершины кубов занумерованными числами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, раскраску каждого из 38 кубов можно однозначно охарактеризовать «словом» из восьми букв, каждая из которых есть либо к, либо с, либо з. То, что i-тая буква слова равна к (или с, или з) означает, что i-тая вершина при выбранной нумерации окрашена в красный цвет (или в синий, или в зелёный соответственно). Перестановки из группы переставляют последовательности букв к, с, з. Для того чтобы применить лемму Бернсайда, необходимо определить число неподвижных точек каждой перестановки из . Последовательность букв к, с, з будет неподвижной для перестановки тогда и только тогда, когда при разложении соответствующей перестановки αG в произведение циклов вершины куба, номера которых входят в один и тот же цикл, окрашены одним цветом. Если перестановка αG разложена в произведение k циклов, то число её неподвижных точек равно 3k, где , так как вершины куба, номера которых входят в один цикл, можно раскрасить тремя способами. Опишем разложения в произведение циклов для всех перестановок из группы G вращений куба.

а) Вокруг каждой из трёх осей, соединяющих центры противоположных граней, имеется три вращения на углы , , . Им соответствуют перестановки:

1) (1, 5, 8, 4) (2, 6, 7, 3)

2) (1, 8) (2, 7) (3, 6) (4, 5)

3) (1, 4, 8, 5) (2, 3, 7, 6)

4) (1, 4, 3, 2) (5, 8, 7, 6)

5) (1, 3) (2, 4) (5, 7) (6, 8)

6) (1, 2, 3, 4) (5, 6, 7, 8)

7) (1, 5, 6, 2) (3, 4, 8, 7)

8) (1, 6) (2, 5) (3, 8) (4, 7)

9) (1, 2, 6, 5) (3, 7, 8, 4)

б) Вокруг каждой из четырёх диагоналей куба имеется по два вращения. Им соответствуют перестановки:

10) (1) (2, 5, 4) (3, 6, 8) (7)

11) (2) (1, 3, 6) (4, 7, 5) (8)

12) (3) (1, 6, 8) (2, 7, 4) (5)

13) (4) (1, 3, 8) (2, 7, 5) (6)

14) (1) (2, 4, 5) (3, 8, 6) (7)

15) (2) (1, 6, 3) (4, 5, 7) (8)

16) (3) (1, 8, 6) (2, 4, 7) (5)

17) (4) (1, 8, 3) (2, 5, 7) (6)

в) Вокруг каждой из шести осей, соединяющих середины противоположных рёбер куба, имеется одно вращение. Им соответствуют перестановки:

18) (1, 5) (2, 8) (3, 7) (4, 6)

19) (1, 2) (3, 5) (4, 6) (7, 8)

20) (1, 7) (2, 3) (4, 6) (5, 8)

21) (1, 7) (2, 6) (3, 5) (4, 8)

22) (1, 7) (2, 8) (3, 4) (5, 6)

23) (1, 4) (2, 8) (3, 5) (6, 7)

Вместе с тождественной перестановкой (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8) получаем 24 перестановки – все элементы группы G. Итак, в группе G вращений куба имеется:

1 перестановка типа <1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1>,

6 перестановок типа <4, 4>,

9 перестановок типа <2, 2, 2, 2>,

8 перестановок типа <1, 1, 3, 3>.

Тогда перестановка первого типа имеет 38 неподвижных точек, любая из перестановок второго типа – 32, третьего и четвёртого типов – 34 неподвижных точек (по формуле nk = nk). Поэтому согласно лемме Бернсайда, имеем (38 + 6∙32 + 9∙34 + 8∙34) = 333.

Таким образом, число геометрически различимых способов раскраски вершин куба в три цвета равно 333.

Задача 2. Сколько различных ожерелий из семи бусин можно составить из бусин двух цветов – красного и синего?

Решение. Переформулируем эту задачу следующим равносильным образом: сколькими геометрически различными способами можно раскрасить вершины правильного семиугольника в два цвета? Пусть М – множество всевозможных по-разному раскрашенных правильных семиугольников одного размера, положение которых в пространстве фиксировано. Тогда имеется 27 = 128 различных вариантов раскраски вершин семиугольника, так как каждую вершину независимо от других можно раскрасить двумя способами. Здесь два способа раскраски неотличимы, если один из них можно получить из другого, применяя к семиугольнику либо преобразования вращения, либо симметрии относительно осей. Будем описывать раскраски «словами» длины 7, составленными из букв к (вершина окрашена в красный цвет) и с (вершина окрашена в синий цвет). Проделаем те же действия, что и в задаче 1 для применения леммы Бернсайда. Опишем разложения в произведение циклов для всех перестановок из группы G.

а) Тождественному преобразованию соответствует перестановка:

1) (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)

б) Поворотам на углы соответствуют перестановки:

2) (1,2,3,4,5,6,7)

3) (1,3,5,7,2,4,6)

4) (1,4,7,3,6,2,5)

5) (1,5,2,6,3,7,4)

6) (1,6,4,2,7,5,3)

7) (1,7,6,5,4,3,2)

в) Симметриям относительно осей, соединяющих вершины