Kombination mit Ausschluss

Sep 24 2020
  • Kate plant für sie $8$ Tage Studienzeit.
  • Jeden Tag kann sie eine der wählen $3$ Fächer: Mathematik, Englisch oder Physik.
  • An aufeinanderfolgenden Tagen lernt sie nie Mathematik und Englisch. (dh KEIN ME oder EM)
  • Sie will auch mindestens alle studieren $3$ Probanden an mindestens einem Tag ihrer Studienzeit.

Wie viele verschiedene Zeitpläne sind möglich?

Ich habe es versucht $3^4-3 \cdot 2^4+3 \cdot 1= 36$ zum $4$Tagesplan. Ich zeichne das Bild und es wird nur geben$10$mögliche Zeitpläne. Ich bin mir nicht sicher, wie ich an aufeinanderfolgenden Tagen ohne Mathematik und Englisch ausschließen soll. Bitte helfen Sie. Vielen Dank.

Antworten

1 MarkusScheuer Sep 26 2020 at 02:30

Die folgende Antwort ist ein zweistufiger Ansatz, der auf der Goulden-Jackson-Cluster-Methode und PIE, dem Prinzip des Einschluss-Ausschlusses, basiert .

Erster Schritt: $A(z)$ schlechte Worte vermeiden

Wir betrachten die Menge der Wörter der Länge $n\geq 0$ aus einem Alphabet gebaut $$\mathcal{V}=\{E,M,P\}$$ und das Set $B=\{EM, ME\}$von schlechten Wörtern , die nicht Teil der Wörter sein dürfen, nach denen wir suchen. Wir leiten eine generierende Funktion ab$A(z)$ mit dem Koeffizienten von $z^n$ ist die Anzahl der gewünschten Wörter der Länge $n$.

Nach dem Papier (S.7) die Erzeugungsfunktion $A(z)$ ist \begin{align*} A(z)=\frac{1}{1-dz-\text{weight}(\mathcal{C})}\tag{1} \end{align*} mit $d=|\mathcal{V}|=3$, die Größe des Alphabets und $\mathcal{C}$der Gewichtszähler von schlechten Wörtern mit\begin{align*} \text{weight}(\mathcal{C})=\text{weight}(\mathcal{C}[EM])+\text{weight}(\mathcal{C}[ME]) \end{align*}

Wir verfolgen auch die verwendeten Buchstaben, die bei der Betrachtung von PIE benötigt werden, und berechnen gemäß dem Papier \begin{align*} \text{weight}(\mathcal{C}[EM])&=-(EM)z^2-Ez\cdot\text{weight}(\mathcal{C}[EM])\\\ \text{weight}(\mathcal{C}[ME])&=-(ME)z^2-Mz\cdot\text{weight}(\mathcal{C}[ME])\\ \end{align*} was in ... endet \begin{align*} \text{weight}(\mathcal{C}[EM])=-EMz^2\frac{1-Ez}{1-EMz^2}\tag{2}\\ \text{weight}(\mathcal{C}[ME])=-EMz^2\frac{1-Mz}{1-EMz^2}\\ \end{align*}

Aus (1) und (2) in (1) erhalten wir die Erzeugungsfunktion

\begin{align*} \color{blue}{A}&\color{blue}{(z;E,M,P)}\\ &=\frac{1}{1-(E+M+P)+EMz^2\frac{1-Ez}{1-EMz^2}+EMz^2\frac{1-MZ}{1-EMz^2}}\\ &\,\,\color{blue}{=\frac{1-EMz^2}{1-(E+M+P)z+EMz^2+EMPz^3}}\tag{3} \end{align*}

Beachten Sie, dass \begin{align*} A(z)&=A(z;1,1,1)\\ &=\frac{1-z^2}{1-3z+z^2+z^3}\\ &=1+3z+7z^2+17z^3+41z^4+99z^5\\ &\qquad+239z^6+577z^7+\color{blue}{1\,393}z^8+3\,363z^9+8\,119z^{10}+\cdots \end{align*} wo die Koeffizienten von $z^n$ Geben Sie die Anzahl der Wörter mit der Länge an $n$ die nicht enthalten $EM$ oder $ME$. Diese Koeffizienten (berechnet mit Wolfram Alpha) stimmen mit den in der Antwort von @GregBrowns angegebenen Zahlen überein.

Zweiter Schritt: Mit PIE zu $B(z;E,M,P)$

Wir suchen nach Wörtern, die jeden der Buchstaben enthalten $\{E,M,P\}$ und bezeichnen die entsprechende Erzeugungsfunktion $B(z;E,M,P)$. Wir tun dies mit Worten ohne die sie nicht eines dieser Buchstaben mit PIE enthalten. Um Wörter zu erhalten, die zum Beispiel nicht enthalten$E$, wir rechnen \begin{align*} [E^0]A(z;E,M,P)=A(z;E,M,P)|_{E=0} \end{align*} was wir als bezeichnen $A(z;0,M,P)$.

Mit PIE berechnen wir $B(z;E,M,P)$ mit Hilfe von (3) als \begin{align*} B&(z;E,M,P)\\ &=A(z;E,M,P)\\ &\qquad-A(z;0,M,P)-A(z;E,0,P)-A(z;E,M,0)\\ &\qquad+A(z;0,0,P)+A(z;0,M,0)+A(z;E,0,0)\\ &\qquad-A(z;0,0,0)\\ &=\frac{1-EMz^2}{1-(E+M+P)z+EMz^2+EMPz^3}\\ &\qquad-\frac{1}{1-(M+P)z}-\frac{1}{1-(E+P)z}-\frac{1-EMz^2}{1-(E+M)z+EMz^2}\\ &\qquad+\frac{1}{1-Pz} +\frac{1}{1-Mz}+\frac{1}{1-Ez}\\ &\qquad-1\tag{4}\\ \end{align*}

Wir bekommen endlich die gewünschte Erzeugungsfunktion $B(z)$ aus (4) als \begin{align*} \color{blue}{B(z)}&=B(z;1,1,1,1)\\ &=\frac{1-z^2}{1-3z+z^2+z^3}-\frac{2}{1-2z}-\frac{1-z^2}{1-2z+z^2}+\frac{3}{1-z}-1\\ &\,\,\color{blue}{=\frac{1+z}{1-2z-z^2}-\frac{2}{1-2z}+\frac{1}{1-z}}\\ &=2z^3+10z^4+36z^5+112z^6+322z^7+\color{blue}{882}z^8+2\,340z^9+\cdots\tag{5} \end{align*} wo die letzte Zeile mit Hilfe von Wolfram Alpha berechnet wurde.

Ergebnis: Es gibt$\color{blue}{882}$ gültige Wörter der Länge $8$ die nicht enthalten $EM$ und $ME$ und so, dass jedes Wort die drei Buchstaben enthält $E,M,P$.



Zwei Plausibilitätsprüfungen: $n=4$ und $n=8$.

  • Wir sehen in (5), dass es gibt $10$ gültige Wörter der Länge $4$. Diese sind\begin{align*} &\text{EEPM}\quad\text{EPMM}\quad\text{EPMP}\quad\text{EPPM}\quad\text{MMPE}\\ &\text{MPEE}\quad\text{MPEP}\quad\text{MPPE}\quad\text{PEPM}\quad\text{PMPE} \end{align*}

  • Wir berechnen den Koeffizienten von manuell $z^8$aus (5). Wir verwenden den Koeffizienten des Operators$[z^n]$um den Koeffizienten einer Reihe zu bezeichnen. Wir erhalten\begin{align*} \color{blue}{[z^8]}&\color{blue}{B(z)}=[z^8]\left(\frac{1+z}{1-2z-z^2 }-\frac{2}{1-2z}+\frac{1}{1-z}\right)\\ &=\left([z^8]+[z^7]\right)\sum_{j=0}^\infty z^j(2+z)^j-2[z^8]\sum_{j=0}^\infty(2z)^j+[z^8]\sum_{j=0}^\infty z^j\\ &=\sum_{j=0}^8[z^{8-j}](2+z)^j+\sum_{j=0}^7[z^{7-j}](2+z)^j-2(2^8)+1\\ &=\sum_{j=0}^8\binom{j}{8-j}2^{2j-8}+\sum_{j=0}^7\binom{j}{7-j}2^{2j-7}-2^9+1\\ &=\binom{4}{4}2^0+\binom{5}{3}2^2+\binom{6}{2}2^4+\binom{7}{1}2^6+\binom{8}{0}2^8\\ &\qquad+\binom{4}{3}2^1+\binom{5}{2}2^3+\binom{6}{1}2^5+\binom{7}{0}2^7-511\\ &=1+40+240+448+256\\ &\qquad+8+80+192+128-511\\ &\,\,\color{blue}{=882} \end{align*} wie erwartet.

2 GregBrown Sep 28 2020 at 00:42

Wenn an Tag 1 P gewählt wurde, dann alle 3 (P, M, E) an Tag 2. Wenn sie M gewählt hat, hat sie nur 2 (P, M) an Tag 2 und wenn sie E gewählt hat, hat sie auch nur 2 (P, M) P, E) für Tag 2. Addieren Sie alle Möglichkeiten, die sie für Tag 2 insgesamt 7 Fälle hat.

An Tag 3 und in allen Szenarien an Tag 2 kann sie P ausführen, sodass sie 3 + 2 + 2 = 7 Optionen hat. Wenn sie E gewählt hat, hat sie 3 + 2 = 5 und das gleiche für M. Fügt hinzu, dass alle Möglichkeiten für Tag 3 17 sind.

Day 1   Day 2   Day 3   Day 4   Day 5   Day 6   Day 7    Day 8

M 1 2 5 12 29 70 169 408

E 1 2 5 12 29 70 169 408

P 1 3 7 17 41 99 239 577

Gesamt 3 7 17 41 99 239 577 1393

Nehmen Sie nicht alle 3 Probanden im Zeitplan mit = 2 * 2 ^ 8 (Anzahl der Tage) = 512

Addiere 1 für die Unterzählung

882

1 RobPratt Sep 26 2020 at 03:14

Hier ist ein einfacher rekursiver Ansatz. Zum$d \in \{0, \dots, 8\}$, $m \in \{0,1\}$, $e \in \{0,1\}$, $p \in \{0,1\}$, $s \in \{.,\text{M},\text{E},\text{P}\}$, Lassen $f(d,m,e,p,s)$ Geben Sie die Anzahl der angegebenen Zeitpläne an $d$ verbleibende Tage, $m$ erforderliche Tage Mathe verbleiben, $e$ erforderliche Tage Englisch übrig, $p$ erforderliche Tage der verbleibenden Physik und vorheriges Fach $s$. Dann$$f(d,m,e,p,s) = \begin{cases} 0 & \text{if $d <m + e + p$} \\ 1 & \text{if $d = 0$} \\ [s \not= \text{E}] f(d-1,\max(m-1,0),e,p,\text{M})\\ + [s \not= \text{M}] f(d-1,m,\max(e-1,0),p,\text{E})\\ + f(d-1,m,e,\max(p-1,0),\text{P}) &\text{otherwise} \end{cases} $$ Wenn $d<m+e+p$Es bleiben nicht genügend Tage, um die Anforderungen aller Probanden zu erfüllen. Ansonsten wenn$d=0$gibt es nur den leeren Zeitplan. Andernfalls hängen die zulässigen Auswahlmöglichkeiten für das aktuelle Fach vom vorherigen Fach ab$s$und welches Thema auch immer gewählt wird, reduziert die verbleibenden Tage um $1$ und die Anforderung für dieses Thema von $1$es sei denn, die Anforderung wurde bereits erfüllt. Die Klammern$[]$ sind Iverson-Notation, die ergibt $1$ wenn der Ausdruck wahr ist und $0$wenn der Ausdruck falsch ist. Wir wollen rechnen$f(8,1,1,1,.)$, was sich herausstellt $882$.

Apropos, $f(4,1,1,1,.)=10 \not= 8$.


Weil die erforderliche Anzahl von Tagen für jedes Fach ist $1$könnte man stattdessen lassen $g(d,S,s)$ Geben Sie die Anzahl der angegebenen Zeitpläne an $d$ verbleibende Tage, $S\subseteq\{\text{M},\text{E},\text{P}\}$ Teilmenge der verbleibenden Themen und vorheriges Thema $s$. Dann$$g(d,S,s) = \begin{cases} 0 & \text{if $d <| S |$} \\ 1 & \text{if $d = 0$} \\ [s \not= \text{E}] g(d-1,S\setminus \{\text{M}\},\text{M})\\ + [s \not= \text{M}] g(d-1,S\setminus \{\text{E}\},\text{E})\\ + g(d-1,S\setminus \{\text{P}\},\text{P}) &\text{otherwise} \end{cases} $$ Dann $g(8,\{\text{M},\text{E},\text{P}\},.)=882$.


Hier ist eine Formalisierung des ersten Teils des Ansatzes von @ GregBrown, wobei die Anforderung, jedes Fach mindestens einmal zu studieren, ignoriert wird. Lassen$m_n$ (und $e_n$ und $p_n$) ist die Anzahl der Längenpläne $n$ das endet in $M$ (und $E$ und $P$jeweils) und enthalten nicht $ME$ oder $EM$. Dann$m_1=e_1=p_1=1$, $m_2=e_2=2$, $p_2=3$, und für $n\ge 3$ wir haben \begin{align} m_n &= m_{n-1} + p_{n-1} \tag1\\ e_n &= e_{n-1} + p_{n-1} \tag2\\ p_n &= m_{n-1} + e_{n-1} + p_{n-1} \tag3 \end{align} Nun lass $t_n=m_n+e_n+p_n$ sei die Anzahl der Zeitpläne der Länge $n$ das enthalten nicht $ME$ oder $EM$und beachten Sie die Summierung $(1)$, $(2)$, und $(3)$ impliziert, dass $$t_n=2t_{n-1}+p_{n-1}=2t_{n-1}+t_{n-2}.$$ Durch Verwendung dieser Wiederholung und der Anfangsbedingungen $t_1=3$ und $t_2=7$, wir glauben, dass \begin{align} t_3 &= 2t_2 + t_1 = 2(7)+3=17 \\ t_4 &= 2t_3 + t_2 = 2(17)+7=41 \\ t_5 &= 2t_4 + t_3 = 2(41)+17=99 \\ t_6 &= 2t_5 + t_4 = 2(99)+41=239 \\ t_7 &= 2t_6 + t_5 = 2(239)+99=577 \\ t_8 &= 2t_7 + t_6 = 2(577)+239=1393 \end{align}