diff --git a/luku22.tex b/luku22.tex index b1639bf..f8d2815 100644 --- a/luku22.tex +++ b/luku22.tex @@ -527,21 +527,19 @@ and the rooted trees are \end{tikzpicture} \end{center} +\section{Inclusion-exclusion} -\section{Inkluusio-ekskluusio} +\index{inclusion-exclusion} -\index{inkluusio-ekskluusio} - -\key{Inkluusio-ekskluusio} -on tekniikka, jonka avulla pystyy laskemaan -joukkojen yhdisteen koon leikkausten -kokojen perusteella ja päinvastoin. -Yksinkertainen esimerkki periaatteesta on kaava +\key{Inclusion-exclusion} is a technique +that can be used for counting the size +of a union of sets when the sizes of +the intersections are known, and vice versa. +A simple example of the technique is the formula \[ |A \cup B| = |A| + |B| - |A \cap B|,\] -jossa $A$ ja $B$ ovat joukkoja ja $|X|$ -tarkoittaa joukon $X$ kokoa. -Seuraava kuva havainnollistaa kaavaa, -kun joukot ovat tason ympyröitä: +where $A$ and $B$ are sets and $|X|$ +is the size of a set $X$. +The formula can be illustrated as follows: \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.8] @@ -556,16 +554,20 @@ kun joukot ovat tason ympyröitä: \end{tikzpicture} \end{center} -Tavoitteena on laskea, kuinka suuri on yhdiste $A \cup B$ -eli alue, joka on toisen tai kummankin ympyrän sisällä. -Kuvan mukaisesti yhdisteen $A \cup B$ koko -saadaan laskemalla ensin yhteen ympyröiden $A$ ja $B$ koot -ja vähentämällä siitä sitten leikkauksen $A \cap B$ koko. +In the above example, our goal is to calculate +the size of the union $A \cup B$ +that corresponds to the area of the region +that is inside at least one circle. +The picture shows that we can calculate +the area of $A \cup B$ by first summing the +areas of $A$ and $B$, and then subtracting +the area of $A \cap B$. -Samaa ideaa voi soveltaa, kun joukkoja on enemmän. -Kolmen joukon tapauksessa kaavasta tulee +The same idea can be applied, when the number +of sets is larger. +When there are three sets, the formula becomes \[ |A \cup B \cup C| = |A| + |B| + |C| - |A \cap B| - |A \cap C| - |B \cap C| + |A \cap B \cap C| \] -ja vastaava kuva on +and the corresponding picture is \begin{center} \begin{tikzpicture}[scale=0.8] @@ -585,35 +587,37 @@ ja vastaava kuva on \end{tikzpicture} \end{center} -Yleisessä tapauksessa yhdisteen $X_1 \cup X_2 \cup \cdots \cup X_n$ -koon saa laskettua käymällä läpi kaikki tavat muodostaa -leikkaus joukoista $X_1,X_2,\ldots,X_n$. -Parittoman määrän joukkoja sisältävät leikkaukset -lasketaan mukaan positiivisina ja -parillisen määrän negatiivisina. +In the general case, the size of the +union $X_1 \cup X_2 \cup \cdots \cup X_n$ +can be calculated by going through all ways to +construct an intersection for a collection of +sets $X_1,X_2,\ldots,X_n$. +If the intersection contains an odd number of sets, +its size will be added to the answer, +and otherwise subtracted from the answer. -Huomaa, että vastaavat kaavat toimivat myös käänteisesti -leikkauksen koon laskemiseen yhdisteiden kokojen perusteella. -Esimerkiksi +Note that similar formulas also work when counting +the size of an intersection from the sizes of +unions. For example, \[ |A \cap B| = |A| + |B| - |A \cup B|\] -ja +and \[ |A \cap B \cap C| = |A| + |B| + |C| - |A \cup B| - |A \cup C| - |B \cup C| + |A \cup B \cup C| .\] -\subsubsection{Epäjärjestykset} +\subsubsection{Derangements} -\index{epxjxrjestys@epäjärjestys} +\index{derangement} -Lasketaan esimerkkinä, -montako tapaa on muodostaa luvuista -$(1,2,\ldots,n)$ \key{epäjärjestys} -eli permutaatio, -jossa mikään luku ei ole alkuperäisellä paikallaan. -Esimerkiksi jos $n=3$, niin epäjärjestyksiä on kaksi: $(2,3,1)$ ja $(3,1,2)$. +As an example, let's count the number of \key{derangements} +of numbers $\{1,2,\ldots,n\}$, i.e., permutations +where no element remains in its original place. +For example, when $n=3$, there are +two possible derangements: $(2,3,1)$ ja $(3,1,2)$. -Yksi tapa lähestyä tehtävää on käyttää inkluusio-ekskluusiota. -Olkoon joukko $X_k$ niiden permutaatioiden joukko, -jossa kohdassa $k$ on luku $k$. -Esimerkiksi jos $n=3$, niin joukot ovat seuraavat: +One approach for the problem is to use +inclusion-exclusion. +Let $X_k$ be the set of permutations +that contain the number $k$ at index $k$. +For example, when $n=3$, the sets are as follows: \[ \begin{array}{lcl} X_1 & = & \{(1,2,3),(1,3,2)\} \\ @@ -621,14 +625,14 @@ X_2 & = & \{(1,2,3),(3,2,1)\} \\ X_3 & = & \{(1,2,3),(2,1,3)\} \\ \end{array} \] -Näitä joukkoja käyttäen epäjärjestysten määrä on +Using these sets the number of derangements is \[ n! - |X_1 \cup X_2 \cup \cdots \cup X_n|, \] -eli -riittää laskea joukkojen yhdisteen koko. -Tämä palautuu inkluusio-eks\-kluu\-sion avulla -joukkojen leikkausten kokojen laskemiseen, -mikä onnistuu tehokkaasti. -Esimerkiksi kun $n=3$, joukon $|X_1 \cup X_2 \cup X_3|$ koko on +so it suffices to calculate the size of the union. +Using inclusion-exclusion, this reduces to +calculating sizes of intersections which can be +done efficiently. +For example, when $n=3$, the size of +$|X_1 \cup X_2 \cup X_3|$ is \[ \begin{array}{lcl} & & |X_1| + |X_2| + |X_3| - |X_1 \cap X_2| - |X_1 \cap X_3| - |X_2 \cap X_3| + |X_1 \cap X_2 \cap X_3| \\ @@ -636,12 +640,13 @@ Esimerkiksi kun $n=3$, joukon $|X_1 \cup X_2 \cup X_3|$ koko on & = & 4, \\ \end{array} \] -joten ratkaisujen määrä on $3!-4=2$. +so the number of solutions is $3!-4=2$. -Osoittautuu, että tehtävän voi ratkaista myös toisella -tavalla käyttämättä inkluusio-ekskluusiota. -Merkitään $f(n)$:llä jonon $(1,2,\ldots,n)$ epäjärjestysten määrää, -jolloin seuraava rekursio pätee: +It turns out that there is also another way for +solving the problem without inclusion-exclusion. +Let $f(n)$ denote the number of derangements +for $\{1,2,\ldots,n\}$. We can use the following +recursive formula: \begin{equation*} f(n) = \begin{cases} @@ -651,18 +656,24 @@ jolloin seuraava rekursio pätee: \end{cases} \end{equation*} -Kaavan voi perustella käymällä läpi tapaukset, -miten luku 1 muuttuu epäjärjestyksessä. -On $n-1$ tapaa valita jokin luku $x$ luvun 1 tilalle. -Jokaisessa tällaisessa valinnassa on kaksi vaihtoehtoa: +The formula can be derived by going through +the possibilities how the number 1 changes +in the derangement. +There are $n-1$ ways to choose a number $x$ +that will replace the number 1. +In each such choice, there are two options: -\textit{Vaihtoehto 1:} Luvun $x$ tilalle valitaan luku 1. -Tällöin jää $n-2$ lukua, joille tulee muodostaa epäjärjestys. +\textit{Option 1:} We also replace the number $x$ +by the number 1. +After this, the remaining task is to construct +a derangement for $n-2$ numbers. -\textit{Vaihtoehto 2:} Luvun $x$ tilalle ei valita lukua 1. -Tällöin jää $n-1$ lukua, joille tulee muodostaa epäjärjestys, -koska luvun $x$ tilalle ei saa valita lukua 1 -ja kaikki muut luvut tulee saattaa epäjärjestykseen. +\textit{Option 2:} We replace the number $x$ +by some other number than 1. +Now we should construct a derangement +for $n-1$ numbers, because we can't replace +the number $x$ with number $1$, and all other +numbers should be changed. \section{Burnsiden lemma}