Saymaya giriş ve güvercin yuvası ilkesi
Çarpım ve toplam kuralı, içerme-dışlama, güvercin yuvası (genelleştirilmiş hali dahil), permütasyon P(n,r) ve kombinasyon C(n,r). Final konusu, bu dönem vizede yok.
Bu hafta sayma (counting) başlıyor. Bu dönemin vizesinde yok, final konusu. Ama kombinatorik sınavda en çok puanın döndüğü yerlerden biri, çünkü sorular kısa ve cevap tek sayı. Mesele hangi kuralı uygulayacağını doğru seçmek. Altın kurallar:
- “Ve” çarpılır, “veya” toplanır (seçenekler çakışmıyorsa).
- Çakışma varsa içerme-dışlama: iki kere saydığını bir kere çıkar.
- “En az bir” sorusu tümleyenle çözülür: hepsi eksi hiç olmayanlar.
- Sıra önemliyse permütasyon, önemsizse kombinasyon. Her soruda kendine sor: “AB ile BA farklı mı?”
- Güvercin yuvasında kutuyu ve nesneyi açıkça adlandır. Yarı puan o cümlede.
Temel sayma kuralları
Çarpım kuralı (product rule)
Bir iş art arda iki adımda yapılıyorsa, birinci adım , ikinci adım (her durumda) yoldan yapılabiliyorsa iş yoldan yapılır.
Örnek: 3 başlangıç, 4 ana yemek, 2 tatlıdan bir menü: menü. Ağaç diyagramı (tree diagram) çizsen 24 yaprak çıkar.
Çarpım kuralının en önemli sonuçları:
- uzunluklu bit dizisi: .
- elemanlı kümeden elemanlı kümeye fonksiyon: her eleman için seçenek, .
- elemanlı kümenin alt kümeleri: her eleman ya içeride ya dışarıda, (hafta 4’teki kuvvet kümesi).
Toplam kuralı (sum rule)
İş ya birinci yoldan ( seçenek) ya ikinci yoldan ( seçenek) yapılıyorsa ve ortak seçenek yoksa: . Örnek: proje A listesinde 12, B listesinde 9 konu var, ortak konu yok. Bir konu seçmenin yolu var.
Çıkarma kuralı (inclusion-exclusion)
Ortak seçenek varsa iki kere sayarsın, bir kere çıkarırsın:
Örnek. 7 bitlik dizilerden kaç tanesi 1 ile başlar veya 00 ile biter?
1 ile baslayan: kalan 6 bit serbest -> 2^6 = 64
00 ile biten: kalan 5 bit serbest -> 2^5 = 32
ikisi birden (1....00): ortadaki 4 bit -> 2^4 = 16
Toplam: 64 + 32 - 16 = 80
“En az bir” ve tümleyen
Örnek. 4 karakterli şifre, karakterler büyük harf (26) veya rakam (10). En az bir rakam içeren kaç şifre var?
Doğrudan saymak dağınık (bir rakam, iki rakam, …). Tümleyen ile:
TUZAK · “en az bir”i çarpım kuralıyla yapmak. “Bir pozisyonu rakam yap (4 yol), o pozisyona 10 rakam, kalan 3 pozisyon 36” diye hesaplamak yanlış: iki rakamlı şifreleri birden fazla sayar. Tümleyen yöntemi her zaman güvenli.
Bölme kuralı (division rule)
Her sonucu tam kez sayıyorsan, toplamı ‘ye bölersin. Örnek: 5 kişi yuvarlak masada. Düz sırada , ama döndürmeler aynı oturuş sayılır, her oturuş 5 kez sayıldı: .
Güvercin yuvası ilkesi (pigeonhole principle)
İlke. kutuya (veya daha fazla) nesne koyarsan, en az bir kutuda en az iki nesne olur.
Proof. Suppose, for contradiction, that k + 1 objects are placed
into k boxes and no box contains more than one object.
Then the total number of objects is at most k * 1 = k.
This contradicts having k + 1 objects. Hence some box contains
at least two objects. ∎
Genelleştirilmiş ilke. nesneyi kutuya koyarsan, bir kutuda en az nesne vardır.
Örnek: 40 öğrencilik sınıfta en az kişi aynı ayda doğmuştur. Gerekçe: her ayda en fazla 3 kişi olsaydı toplam en fazla .
“Garanti için en az kaç tane?” soruları
Tarif: en kötü durumu kur, bir ekle. Not 5 harf (A, B, C, D, F). Aynı notu alan 5 öğrenci garanti olsun diye sınıf en az kaç kişi olmalı? En kötü durum: her nottan 4 kişi, kişi ve henüz 5 aynı yok. Bir kişi daha: .
Genel kalıp: kutu, tane aynı istiyorsan cevap .
İPUCU · kutuyu doğru seç. Soru “farkı 4’e bölünen iki sayı” diyorsa kutular mod 4 kalanlardır. “Toplamı 10 olan iki sayı” diyorsa kutular çiftleridir. Kutuyu bulduğun an soru biter.
Permütasyon ve kombinasyon
Permütasyon (r-permutation): farklı nesneden tanesini sıralı dizmek.
Kombinasyon (r-combination): farklı nesneden tanesini sırasız seçmek (alt küme).
Bağlantı: . Önce hangi nesne (kombinasyon), sonra onları kaç türlü dizeceğin ().
| Soru | Sıra önemli mi? | Cevap |
|---|---|---|
| 9 kişiden başkan ve yardımcı | Evet | |
| 10 kişiden 4 kişilik ekip | Hayır | |
| 10 kişiden 6 kişilik ekip | Hayır | |
| 10 bitlik dizide 1’lerin yerleri (üç tane) | Hayır |
: 4 kişiyi seçmek, dışarıda kalacak 6 kişiyi seçmekle aynı iş.
İPUCU · faktöriyeli elle sadeleştir. Hesap makinesi yok. için ‘i hesaplama: yaz, önce sadeleştir. , , geriye kalır. Payda her zaman tam bölünür, çünkü sonuç bir sayımdır.
Çözümlü örnek: kısıtlı sıralama
6 kişi sıraya giriyor, A ile B yan yana olmalı.
1) A ve B'yi tek blok yap: [AB] + 4 kisi = 5 nesne
2) 5 nesneyi sirala: 5! = 120
3) Blok icinde AB veya BA: 2
4) Carpim kurali: 2 * 120 = 240
“Yan yana olmasın” diye sorarsa tümleyen: .
Hangi kural? Karar sırası
Soruyu okuyunca şu sırayla kendine sor:
- Kaç adımda kuruluyor? Art arda adımlar varsa çarpım kuralı.
- Ayrı durumlar mı var? “Ya şu ya bu” diye bölünüyorsa her durumu ayrı say, topla.
- Durumlar çakışıyor mu? Çakışıyorsa kesişimi çıkar.
- “En az”, “en fazla” kelimesi var mı? Tümleyen genelde daha kısa.
- Seçilenlerin sırası önemli mi? Önemliyse , değilse .
Çözümlü örnek. kümesinin 5 elemanlı alt kümelerinden kaç tanesi 1’i veya 2’yi içerir?
Tum 5 elemanli alt kumeler: C(10,5) = 252
Ne 1 ne 2 iceren (kalan 8'den 5): C(8,5) = 56
En az birini iceren (tumleyen): 252 - 56 = 196
Aynı cevabı içerme-dışlamayla da bul: 1’i içeren , 2’yi içeren , ikisini de içeren . . İki yoldan aynı sayı çıkıyorsa güvenle yaz. Sınavda vaktin varsa bu çapraz kontrolü yap.
Sık yapılan hatalar
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Çakışan “veya”da sadece topla | İçerme-dışlama: kesişimi çıkar |
| 4 veya 6’ya bölünen için 24’ün katlarını çıkar | ‘nin katlarını çıkar |
| “En az bir rakam” için | Tümleyen: |
| Madalya dağıtımı | Sıra önemli: |
| Ekip seçimi | Sıra önemsiz: |
| Güvercin yuvasında | Yukarı yuvarla: |
| “Garanti için” sorusunda | En kötü durum , cevap |
| Blok yöntemi sonrası ‘yi unutmak | Blok içi düzen (AB, BA) ayrıca çarpılır |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
A license plate consists of 2 letters (26 choices each) followed by 3 digits. How many plates are possible?
Cevabı göster
Çarpım kuralı: beş pozisyon, her biri bağımsız. .
How many bit strings of length 10 are there? How many of them contain exactly three 1s?
Cevabı göster
Her bit için 2 seçenek: . Tam üç tane 1: 10 pozisyondan 1 olacak 3'ünü seç, sıra önemsiz: .
How many bit strings of length 8 begin with 11 or end with 0?
Cevabı göster
: 11 ile başlayan, kalan 6 bit serbest: . : 0 ile biten: . : 11 ile başlayıp 0 ile biten, ortadaki 5 bit serbest: . İçerme-dışlama: .
How many integers from 1 to 500 (inclusive) are divisible by 4 or by 6?
Cevabı göster
4'e bölünen: . 6'ya bölünen: . İkisine birden bölünen = 'ye bölünen (24 değil!): . Toplam .
How many people must be in a room to guarantee that at least two of them have first names starting with the same letter (26 letters)?
Cevabı göster
Kutular harfler (26), nesneler insanlar. 26 kişide herkes farklı harfle başlayabilir. 27. kişi mutlaka dolu bir kutuya düşer: .
A drawer contains socks of 5 different colors. How many socks must you take (without looking) to be sure of getting 3 socks of the same color?
Cevabı göster
En kötü durum: her renkten 2 tane, toplam çorap ve henüz 3 aynı yok. Bir sonraki çorap hangi renk olursa olsun o rengi 3'e çıkarır. Genelleştirilmiş güvercin yuvası: için en küçük .
A committee of 4 is to be chosen from 7 women and 5 men. How many committees contain exactly 2 women?
Cevabı göster
İki bağımsız seçim, çarpım kuralı: 7 kadından 2'si , 5 erkekten 2'si . .
In how many ways can gold, silver and bronze medals be awarded among 8 runners?
Cevabı göster
Sıra önemli (altın ≠ gümüş), tekrar yok: permütasyon. .
In how many ways can 6 people stand in a row if two particular people, A and B, must stand next to each other?
Cevabı göster
A ile B'yi tek bir blok say. Blok + 4 kişi = 5 nesne, sıralama. Blok içinde AB ya da BA: 2 seçenek. Toplam .
Among 100 people, at least how many must have been born on the same day of the week?
Cevabı göster
Genelleştirilmiş güvercin yuvası: . Gerekçe: her güne en fazla 14 kişi düşseydi toplam en fazla olurdu.
Prove that among any 5 integers, there are two whose difference is divisible by 4.
Cevabı göster
Kutular: mod 4'teki kalanlar 0, 1, 2, 3 (4 kutu). Nesneler: 5 tam sayı. , güvercin yuvasına göre iki sayı, diyelim ve , aynı kalana sahip: . O zaman , yani . ∎ (4 sayıyla iddia bozulabilir: 0, 1, 2, 3.)
Let and . How many functions are there? How many of them are one-to-one?
Cevabı göster
Her elemanı 5 değerden birine gider: . Birebir (one-to-one) ise değerler farklı olmalı: .
Doğrulama: Bütün sayımlar node ile hem formülle hem de olasılıkları tek tek üretip sayarak (bit dizileri, şifreler, komiteler, sıralamalar, fonksiyonlar) doğrulandı; güvercin yuvası iddiası 0-11 aralığındaki tüm 5'lilerde tarandı (verify/MAT2033/09.mjs).