Prinzip der Inklusion- Exklusion
Ziel: Zählen von Elementen in nicht-disjunkten Mengen.
2 Mengen A1,A2: Zählen zunächst die Elemente in A1.
Addieren dazu die Anzahl der Elemente in A2.
Zählen damit den Schnitt von A1und A2doppelt.
|A1A2|=|A1|+|A2|−|A1A2|
3 Mengen: Zählen die Elemente in A1,A2und A3einzeln.
Subtrahieren Anzahl der Elemente in A1A2,A1A3und A2A3.
Damit wurden die Elemente in A1A2A3dreimal gezählt und
dreimal abgezogen.
|A1A2A3|=|A1|+|A2|+|A3|
(|A1A2|+|A1A3|+|A2A3|)
+|A1A2A3|
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Prinzip der Inklusion-Exklusion
Satz Inklusion-Exklusion
Seien A1, . . . , Anendliche Mengen. Dann gilt
|Sn
i=1Ai|=Pn
r=1(1)r1P1i1<...<irn|Tr
j=1Aij|.
Beweis
Idee: Zeigen, dass jedes Element agenau einmal gezählt wird.
Sei ain kMengen Aienthalten.
akommt im Schnitt der Aijvor, gdw aAijfür alle ij.
Damit kommt ain genau k
rSchnittmengen vor.
Insgesamt zählen wir damit jedes amit der Häufigkeit
n
X
r=1
(1)r1k
r=
n
X
r=1k
r(1)r=1
n
X
r=0k
r(1)r
=1
k
X
r=0k
r(1)r1kr=1(11)k=1.
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Anwendung Inklusion-Exklusion
Bsp: Sei A={x[100]|(2|x)oder (3|x)oder (5|x)}. Bestimme |A|.
Definieren Ak:= {n[100]|kteilt n}. Damit gilt A=A2A3A5.
Für die Kardinalität von Akerhalten wir |Ak|:= 100
k.
Außerdem gilt AiAj=AkgV{i,j}
Damit erhalten wir insgesamt
|A|=|A2A3A5|
=|A2|+|A3|+A5| − (|A6|+|A10|+|A15|) + |A30|
=50 +33 +20 (16 +10 +6) + 3=74
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Permutationen
Definition Permutation, Fixpunkt, Symmetrische Gruppe
Sei π:AAeine Funktion.
1Wir bezeichnen πals Permutation gwd πbijektiv ist.
2Für eine Permutation πbezeichnen wir alle aAmit π(a) = aals
Fixpunkte.πheißt fixpunktfrei, falls πkeine Fixpunkte enthält.
3Die Menge der Permutationen auf A= [n]bezeichen wir als
symmetrische Gruppe Gn.
Es gilt |Gn|=n!.
Schreibweise für ein π∈ G5:π=12345
23541
Das Element 4 ist der einzige Fixpunkt der Permutation π.
Bei fester Anordnung von a1, . . . , anAwürde die zweite Zeile
(π(a1)π(a2). . . π(an))
genügen. Vorsicht: Verwechslungsgefahr mit Zyklenschreibweise.
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Fixpunktfreie Permutationen
Definition Derangementzahl
Wir bezeichnen mit Dndie Anzahl fixpunktfreier Permutationen in Gn.
Dnheißt auch Derangementzahl. Mit ζnbezeichnen wir die Anzahl der
Permutationen in Gnmit mindestens einem Fixpunkt.
Offenbar gilt: Dn=|Gn| − ζn.
Um Dnzu bestimmen, genügt es ζnzu bestimmen.
Aibezeichne die Menge der Bijektionen {π∈ Gn|π(i) = i}.
Es gilt ζn=Sn
i=1Ai.
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