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容斥原理


|A| 表示集合 A基数,那么立即得到

 |A union B|=|A|+|B|-|A intersection B|,
(1)

其中  union 表示并集,而  intersection 表示交集。更一般的陈述

 | union _(i=1)^NE_i|<=sum_(i=1)^N|E_i|,
(2)

也成立,被称为布尔不等式或 邦弗罗尼不等式 之一。

这个公式可以以下列优美的方式推广。设 A={A_i}_(i=1)^p 为集合 Sp-系统,由集合 A_1, ..., A_p 组成,则

 |A_1 union A_2 union ... union A_p|=sum_(1<=i<=p)|A_i|-sum_(1<=i_1<i_2<=p)|A_(i_1) intersection A_(i_2)|+sum_(1<=i_1<i_2<i_3<=p)|A_(i_1) intersection A_(i_2) intersection A_(i_3)|-...+(-1)^(p-1)|A_1 intersection A_2 intersection ... intersection A_p|,
(3)

其中求和是对 k-子集 A 进行的。这个公式对于无限集 S 以及有限集都成立(Comtet 1974,第 177 页)。

尼古拉斯·伯努利使用容斥原理来解决重合问题,即寻找错位排列的数量(Bhatnagar 1995,第 8 页)。

例如,对于三个子集 A_1={2,3,7,9,10}, A_2={1,2,3,9}, 和 A_3={2,4,9,10},其中 S={1,2,...,10},下表总结了出现在总和中的项。

#集合长度
1A_1{2, 3, 7, 9, 10}5
A_2{1, 2, 3, 9}4
A_3{2, 4, 9, 10}4
2A_1 intersection A_2{2, 3, 9}3
A_1 intersection A_3{2, 9, 10}3
A_2 intersection A_3{2, 9}2
3A_1 intersection A_2 intersection A_3{2, 9}2

|A_1 union A_2 union A_3| 因此等于 (5+4+4)-(3+3+2)+2=7,对应于七个元素 A_1 union A_2 union A_3={1,2,3,4,7,9,10}


参见

贝叶斯定理, 邦弗罗尼不等式

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Andrews, G. E. 数论. Philadelphia, PA: Saunders, pp. 139-140, 1971.Andrews, G. E. q-级数:它们在分析、数论、组合数学、物理学和计算机代数中的发展和应用. Providence, RI: Amer. Math. Soc., p. 60, 1986.Bhatnagar, G. 逆关系、广义双基级数及其 U(n) 扩展. Ph.D. thesis. Ohio State University, 1995.Comtet, L. 高级组合学:有限与无限展开的艺术,修订增补版. Dordrecht, Netherlands: Reidel, pp. 176-177, 1974.da Silva. "Proprietades geraes." J. de l'Ecole Polytechnique, cah. 30.de Quesada, C. A. "Daniel Augusto da Silva e la theoria delle congruenze binomie." Ann. Sci. Acad. Polytech. Porto, Coīmbra 4, 166-192, 1909.Dohmen, K. 改进的邦弗罗尼不等式及其应用:容斥类型的 不等式和恒等式. Berlin: Springer-Verlag, 2003.Havil, J. 伽玛:探索欧拉常数. Princeton, NJ: Princeton University Press, p. 66, 2003.Knuth, D. E. 计算机程序设计艺术,第 1 卷:基本算法,第 3 版. Reading, MA: Addison-Wesley, pp. 178-179, 1997.Sylvester, J. "Note sur la théorème de Legendre." Comptes Rendus Acad. Sci. Paris 96, 463-465, 1883.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

容斥原理

请引用为

Weisstein, Eric W. "容斥原理。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Inclusion-ExclusionPrinciple.html

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