MAT2033 · 10. hafta · advanced counting

İleri sayma: tekrarlı seçim, binom teoremi ve yineleme bağıntıları

Tekrarlı permütasyon ve kombinasyon (yıldız-çubuk), tekrarlı harfli kelimeler, binom teoremi ve Pascal özdeşliği, sözlük sırasında sonraki permütasyon ve problemlerden yineleme bağıntısı kurma. Final konusu.

permutations with repetitioncombinations with repetitionstars and barspermutations of indistinguishable objectsbinomial coefficientbinomial theoremPascal's identitycombinatorial prooflexicographic ordernext permutationrecurrence relationinitial conditionsTower of Hanoi

Geçen hafta tekrar olmayan seçimleri saydık. Bu hafta tekrara izin veriyoruz, binom teoremini görüyoruz ve bir problemi yineleme bağıntısına (recurrence relation) çevirmeyi öğreniyoruz. Final konusu. Bir sonraki hafta (doğrusal yinelemeleri çözme) bunun devamı. Altın kurallar:

  1. Dört kutulu tablo: sıra önemli mi, tekrar var mı? Dört formülden birini seç.
  2. Tekrarlı kombinasyon = yıldız ve çubuk (stars and bars). rr yıldız, n−1n - 1 çubuk.
  3. Binom katsayısını bulurken içerideki sayıları ve işareti de üsse al.
  4. Yineleme kurarken son adıma bak ve başlangıç koşullarını (initial conditions) mutlaka yaz.

Dört formül tablosu

nn türden rr tane seçiyorsun:

Tekrar yokTekrar var
Sıra önemliP(n,r)=n!(n−r)!P(n,r) = \frac{n!}{(n-r)!}nrn^r
Sıra önemsizC(n,r)=n!r!(n−r)!C(n,r) = \frac{n!}{r!(n-r)!}C(n+r−1,r)C(n + r - 1, r)

Örnek (sıra önemli, tekrar var): 26 harfle 5 uzunluklu kelime, harfler tekrar edebilir: 265=1188137626^5 = 11881376.

Tekrarlı kombinasyon: yıldız ve çubuk

Örnek. Fırında 4 tür poğaça var, 6 tane alacaksın. Her türden istediğin kadar alabilirsin, sıra önemsiz. Kaç farklı alışveriş?

Bir alışverişi 6 yıldız ve türleri ayıran 3 çubukla yaz:

**|*||***    ->  tur1: 2, tur2: 1, tur3: 0, tur4: 3
|******||    ->  tur1: 0, tur2: 6, tur3: 0, tur4: 0

Her alışveriş, 9 karakterlik dizide 3 çubuğun yerini seçmeye karşılık gelir (birebir eşleme, bijection):

C(6+4−1,3)=C(9,3)=C(9,6)=84.C(6 + 4 - 1, 3) = C(9, 3) = C(9, 6) = 84.

Denklem çözümü sayma

x1+x2+x3=11x_1 + x_2 + x_3 = 11 denkleminin negatif olmayan tam sayı çözümleri: 11 yıldız, 2 çubuk, C(13,2)=78C(13, 2) = 78.

Her xi≥1x_i \ge 1 olsun istenirse: önce her kutuya 1 koy, geriye 8 kalır. y1+y2+y3=8y_1 + y_2 + y_3 = 8, C(10,2)=45C(10, 2) = 45.

Aynı model: 8 özdeş topu 4 farklı kutuya dağıtmak C(8+3,3)=C(11,3)=165C(8 + 3, 3) = C(11, 3) = 165 yol.

Bir örnek daha: 10 özdeş şekeri 3 çocuğa, her çocuk en az 2 alacak şekilde dağıt. Önce her çocuğa 2 ver (3⋅2=63 \cdot 2 = 6 şeker gitti), kalan 4 şeker serbest: y1+y2+y3=4y_1 + y_2 + y_3 = 4, C(4+2,2)=C(6,2)=15C(4 + 2, 2) = C(6, 2) = 15 yol. Alt sınırlı her soru bu iki adımla biter: önce zorunlu payı dağıt, sonra kalanı yıldız-çubukla say.

TUZAK · nesne özdeş mi, farklı mı? Yıldız-çubuk sadece özdeş nesneler (aynı topa, aynı tür poğaçalar) için çalışır. 8 farklı topu 4 kutuya atıyorsan her top 4 kutudan birini seçer: 484^8.

Tekrarlı harfli kelimeler

nn nesneden n1n_1 tanesi bir tür, n2n_2 tanesi başka tür, … ise farklı dizilişlerin sayısı

n!n1! n2!⋯nk!.\frac{n!}{n_1!\, n_2! \cdots n_k!}.

BANANA: 6 harf, A üç kez, N iki kez, B bir kez. 6!3! 2! 1!=72012=60\frac{6!}{3!\,2!\,1!} = \frac{720}{12} = 60. Neden bölüyoruz? Üç A’nın kendi arasında yer değiştirmesi (3!3!) aynı kelimeyi verir, o tekrarları atıyoruz (bölme kuralı).

Binom teoremi (binomial theorem)

(x+y)n=∑j=0n(nj)xn−jyj.(x + y)^n = \sum_{j=0}^{n} \binom{n}{j} x^{n-j} y^j.

Sezgi: (x+y)(x+y)⋯(x+y)(x+y)(x+y)\cdots(x+y) çarpımında her parantezden ya xx ya yy seçersin. xn−jyjx^{n-j}y^j teriminin kaç kez çıktığı = nn parantezden yy‘yi seçeceğin jj tanesini seçme sayısı = (nj)\binom{n}{j}.

Örnek: (x+y)4=x4+4x3y+6x2y2+4xy3+y4(x + y)^4 = x^4 + 4x^3y + 6x^2y^2 + 4xy^3 + y^4. Katsayılar 1, 4, 6, 4, 1.

Çözümlü örnek. (2x−y)7(2x - y)^7 açılımında x3y4x^3y^4 katsayısı.

Genel terim: C(7, j) (2x)^(7-j) (-y)^j
x^3 y^4 icin j = 4
C(7, 4) * 2^3 * (-1)^4 = 35 * 8 * 1 = 280

İki önemli sonuç:

∑k=0n(nk)=2n(x=y=1),∑k=0n(−1)k(nk)=0(x=1, y=−1, n≥1).\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k} = 2^n \quad (x = y = 1), \qquad \sum_{k=0}^{n}(-1)^k\binom{n}{k} = 0 \quad (x = 1,\ y = -1,\ n \ge 1).

Örnek: (50)+⋯+(55)=1+5+10+10+5+1=32=25\binom{5}{0} + \dots + \binom{5}{5} = 1 + 5 + 10 + 10 + 5 + 1 = 32 = 2^5.

Pascal özdeşliği ve kombinatorik ispat

(n+1k)=(nk−1)+(nk).\binom{n+1}{k} = \binom{n}{k-1} + \binom{n}{k}.

Kombinatorik ispat (combinatorial proof): iki tarafın da aynı şeyi saydığını göster.

Proof. Let S be a set with n + 1 elements and fix one element a in S.
The left side counts the k-element subsets of S.
Such a subset either contains a or does not.
- If it contains a, choose the other k - 1 elements from the
  remaining n elements: C(n, k-1) ways.
- If it does not contain a, choose all k elements from the
  remaining n elements: C(n, k) ways.
By the sum rule the total is C(n, k-1) + C(n, k). ∎

Kontrol: (62)=15\binom{6}{2} = 15, (51)+(52)=5+10=15\binom{5}{1} + \binom{5}{2} = 5 + 10 = 15. Pascal üçgeninde her sayı üstündeki iki sayının toplamıdır.

Permütasyon üretme: sözlük sırası

Sözlük sırasında (lexicographic order) a1a2…ana_1 a_2 \dots a_n‘den sonra gelen permütasyon:

  1. Sağdan sola ilerle, aj<aj+1a_j < a_{j+1} olan ilk jj‘yi bul.
  2. aja_j‘nin sağındakiler arasından aja_j‘den büyük en küçük sayıyı bul, aja_j ile yer değiştir.
  3. jj konumunun sağını artan sıraya diz.
362541
Sagdan: 4 > 1, 5 > 4, 2 < 5  ->  a_j = 2
2'nin sagi: 5 4 1, 2'den buyuk en kucuk = 4
Degistir: 364521
4'un sagini artan diz: 1 2 5  ->  364125

Yineleme bağıntıları (recurrence relations)

Yineleme bağıntısı, dizinin ana_n terimini önceki terimlerle ifade eder. Başlangıç koşulları olmadan dizi belirlenmez.

Örnek 1 (faiz). 1000 TL yıllık %5 faizle: Pn=1.05 Pn−1P_n = 1.05\,P_{n-1}, P0=1000P_0 = 1000. Üç yıl sonra P3=1000⋅1.053=1157.625P_3 = 1000 \cdot 1.05^3 = 1157.625.

Örnek 2 (Hanoi kuleleri, Tower of Hanoi). nn diski taşımak için: üstteki n−1n-1 diski yardımcı çubuğa taşı (Hn−1H_{n-1}), en büyüğü taşı (1), n−1n-1 diski üstüne taşı (Hn−1H_{n-1}):

Hn=2Hn−1+1,H1=1.H_n = 2H_{n-1} + 1, \qquad H_1 = 1.

İterasyonla 1,3,7,15,31,631, 3, 7, 15, 31, 63: tahmin Hn=2n−1H_n = 2^n - 1. Tümevarımla ispatı (hafta 3’ün şablonu):

Claim. H_n = 2^n - 1 for all integers n >= 1.
Basis step. n = 1: H_1 = 1 and 2^1 - 1 = 1. True.
Inductive step. Assume H_k = 2^k - 1 for some k >= 1 (IH).
Then H_(k+1) = 2 H_k + 1 = 2(2^k - 1) + 1 = 2^(k+1) - 2 + 1 = 2^(k+1) - 1.
So the claim holds for k + 1.
By mathematical induction, H_n = 2^n - 1 for all n >= 1. ∎

Örnek 3 (bit dizileri). ana_n: nn uzunluklu, iki ardışık 0 içermeyen bit dizilerinin sayısı. Son bite bak:

  • Son bit 1: önü geçerli herhangi bir n−1n-1 uzunluk dizi, an−1a_{n-1}.
  • Son bit 0: ondan önceki bit 1 olmak zorunda, önü geçerli n−2n-2 uzunluk dizi, an−2a_{n-2}.

an=an−1+an−2,a1=2, a2=3.a_n = a_{n-1} + a_{n-2}, \qquad a_1 = 2,\ a_2 = 3.

Değerler 2,3,5,8,13,212, 3, 5, 8, 13, 21: Fibonacci dizisi kaydırılmış haliyle.

İPUCU · “son adıma bak” tarifi. Yineleme kurarken dizinin son elemanına (son bit, son taşınan disk, son basamak) göre durumlara ayır. Her durumda kalan kısım daha kısa bir aynı problemdir. Durumları topla.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Tekrarlı kombinasyon C(n,r)C(n, r)C(n+r−1,r)C(n + r - 1, r)
Yıldız-çubukta nn çubuknn kutu için n−1n - 1 çubuk
Farklı nesneler için de yıldız-çubukFarklı nesne nn kutuya: nrn^r
xi≥1x_i \ge 1 şartını görmezden gelmekÖnce her kutuya 1 ver, r−nr - n kalan için say
BANANA =6!= 6!Tekrarlar bölünür: 6!/(3! 2!)=606!/(3!\,2!) = 60
(3x−2)6(3x-2)^6‘da x4x^4 katsayısı (64)\binom{6}{4}Sayılar da üsse: (64)34(−2)2=4860\binom{6}{4} 3^4 (-2)^2 = 4860
Yinelemeyi yazıp başlangıç koşulunu unutmaka1a_1, a2a_2 olmadan dizi belirsiz
Sonraki permütasyonda sağı ters sırada bırakmakDeğişimden sonra sağ taraf artan dizilir

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

How many strings of length 4 can be formed from the letters A, B, C if letters may be repeated?

Cevabı göster
81

Tekrarlı permütasyon: her pozisyon için 3 seçenek, 34=813^4 = 81.

Soru 2orta

An ice cream shop has 3 flavors. In how many ways can you choose 5 scoops (order does not matter, flavors may repeat)?

Cevabı göster
21

Tekrarlı kombinasyon: n=3n = 3 tür, r=5r = 5 seçim. C(n+r−1,r)=C(7,5)=C(7,2)=21C(n + r - 1, r) = C(7, 5) = C(7, 2) = 21. Yıldız-çubuk: 5 yıldız, 2 çubuk, 7 yerden 2 çubuğun yerini seç.

Soru 3orta

How many nonnegative integer solutions does x1+x2+x3+x4=10x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 10 have?

Cevabı göster
286

10 yıldızı 4 kutuya dağıtıyorsun, 3 çubuk lazım. C(10+4−1,4−1)=C(13,3)=13⋅12⋅116=286C(10 + 4 - 1, 4 - 1) = C(13, 3) = \frac{13 \cdot 12 \cdot 11}{6} = 286.

Soru 4zor

How many integer solutions does x1+x2+x3=15x_1 + x_2 + x_3 = 15 have with x1≥2x_1 \ge 2, x2≥3x_2 \ge 3, x3≥0x_3 \ge 0?

Cevabı göster
66

Alt sınırları önceden ver: x1=y1+2x_1 = y_1 + 2, x2=y2+3x_2 = y_2 + 3, x3=y3x_3 = y_3. Yeni denklem y1+y2+y3=10y_1 + y_2 + y_3 = 10, yi≥0y_i \ge 0. Çözüm sayısı C(10+2,2)=C(12,2)=66C(10 + 2, 2) = C(12, 2) = 66.

Soru 5orta

How many different strings can be made by rearranging the letters of LETTER?

Cevabı göster
180

6 harf: L, E, T, T, E, R. E iki kez, T iki kez. 6!2! 2! 1! 1!=7204=180\frac{6!}{2!\,2!\,1!\,1!} = \frac{720}{4} = 180.

Soru 6kolay

What is the coefficient of x2y5x^2 y^5 in the expansion of (x+y)7(x + y)^7?

Cevabı göster
21

Binom teoremi: xn−jyjx^{n-j} y^j teriminin katsayısı (nj)\binom{n}{j}. n=7n = 7, j=5j = 5: (75)=(72)=21\binom{7}{5} = \binom{7}{2} = 21.

Soru 7orta

What is the coefficient of x4x^4 in the expansion of (3x−2)6(3x - 2)^6?

Cevabı göster
4860

Genel terim (6k)(3x)k(−2)6−k\binom{6}{k}(3x)^k(-2)^{6-k}. x4x^4 için k=4k = 4: (64)⋅34⋅(−2)2=15⋅81⋅4=4860\binom{6}{4} \cdot 3^4 \cdot (-2)^2 = 15 \cdot 81 \cdot 4 = 4860. İşaret: (−2)2(-2)^2 pozitif.

Soru 8kolay

Evaluate ∑k=08(8k)\displaystyle\sum_{k=0}^{8} \binom{8}{k}.

Cevabı göster
256

Binom teoreminde x=y=1x = y = 1: (1+1)8=∑k(8k)(1 + 1)^8 = \sum_k \binom{8}{k}. Yani 28=2562^8 = 256. Kombinatorik anlamı: 8 elemanlı kümenin bütün alt kümeleri.

Soru 9orta

Evaluate ∑k=09(−1)k(9k)\displaystyle\sum_{k=0}^{9} (-1)^k \binom{9}{k}.

Cevabı göster
0

Binom teoreminde x=1x = 1, y=−1y = -1: (1−1)9=∑k(9k)19−k(−1)k=09=0(1 - 1)^9 = \sum_k \binom{9}{k} 1^{9-k}(-1)^k = 0^9 = 0.

Soru 10orta

The Tower of Hanoi numbers satisfy Hn=2Hn−1+1H_n = 2H_{n-1} + 1 with H1=1H_1 = 1. Find H8H_8.

Cevabı göster
255

İterasyon: H1=1H_1 = 1, H2=3H_2 = 3, H3=7H_3 = 7, H4=15H_4 = 15, H5=31H_5 = 31, H6=63H_6 = 63, H7=127H_7 = 127, H8=255H_8 = 255. Kapalı form Hn=2n−1H_n = 2^n - 1 ile de 28−1=2552^8 - 1 = 255.

Soru 11zor

Let ana_n be the number of strings of length nn over {0,1,2}\{0, 1, 2\} that contain no two consecutive 0s. Find a recurrence for ana_n with initial conditions, and compute a5a_5.

Cevabı göster
a_n = 2a_{n-1} + 2a_{n-2}, a_1 = 3, a_2 = 8; a_5 = 164

Son karaktere bak. Son karakter 1 veya 2 ise (2 seçenek) önündeki n−1n-1 uzunluk geçerli herhangi bir dizi: 2an−12a_{n-1}. Son karakter 0 ise ondan önceki 0 olamaz, 1 veya 2 olmalı (2 seçenek), onun önü geçerli n−2n-2 uzunluk: 2an−22a_{n-2}. Başlangıç: a1=3a_1 = 3, a2=9−1=8a_2 = 9 - 1 = 8 (sadece 00 yasak). Sonra a3=2⋅8+2⋅3=22a_3 = 2 \cdot 8 + 2 \cdot 3 = 22, a4=2⋅22+2⋅8=60a_4 = 2 \cdot 22 + 2 \cdot 8 = 60, a5=2⋅60+2⋅22=164a_5 = 2 \cdot 60 + 2 \cdot 22 = 164.

Soru 12orta

Find the permutation that comes right after 25431 in lexicographic order.

Cevabı göster
31245

Sağdan sola ilk "küçük-büyük" çiftini bul: 2 < 5 (konum 1). 2'nin sağındaki 5431 içinde 2'den büyük en küçük sayı 3. 2 ile 3'ü değiştir: 35421. 3'ün sağını artan sıraya diz: 1245. Sonuç 31245.

Doğrulama: Bütün sayımlar node ile formül ve tam sayım (çözümleri, kelimeleri, dizileri tek tek üreterek) olarak iki yoldan, binom katsayıları polinom çarpımıyla, sonraki permütasyonlar algoritma ve tüm permütasyonları sıralayarak, yineleme değerleri iterasyon ve kaba kuvvet sayımıyla doğrulandı (verify/MAT2033/10.mjs).

Deftere not kartı

Tekrarli permutasyon (sira onemli): n^r Tekrarli kombinasyon (sira onemsiz): C(n + r - 1, r) = C(n + r - 1, n - 1) x1 + ... + xn = r, xi >= 0 -> C(r + n - 1, n - 1) (r yildiz, n-1 cubuk) Alt sinir xi >= a -> once a'yi ver, r'den dus Tekrarli harf: n! / (n1! n2! ... nk!) BANANA = 6!/(3!2!) = 60 Binom: (x+y)^n = toplam C(n,j) x^(n-j) y^j Katsayi bulurken sayilari ve ISARETI de us al: (3x-2)^6 -> C(6,4) 3^4 (-2)^2 Toplam C(n,k) = 2^n; alterne toplam = 0 Pascal: C(n+1,k) = C(n,k-1) + C(n,k) Sonraki permutasyon: sagdan ilk a_j < a_(j+1); sagdaki en kucuk buyukle degistir; sagi artan diz Yineleme: son adima bak, kucuk durumlara bol; BASLANGIC KOSULLARINI yaz Hanoi H_n = 2H_(n-1) + 1 = 2^n - 1; "00 yok" bit dizisi a_n = a_(n-1) + a_(n-2)