容斥原理

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容斥原理

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在计数时,必须注意无一重复,无一遗漏。为了使重叠部分不被重复计算,人们研究出一种新的计数方法,这种方法的基本思想是:先不考虑重叠的情况,把包含于某内容中的所有对象的数目先计算出来,然后再把计数时重复计算的数目排斥出去,使得计算的结果既无遗漏又无重复,这种计数的方法称为容斥原理。[1] 
中文名
容斥原理
外文名
Inclusion–exclusion principle
别    称
排容原理
应用学科
组合数学

目录

  1. 1 公式
  2. 2 严格证明
  3. 3 原理

公式编辑

也可表示为
设S为有限集,
  
,则
两个集合的容斥关系公式:A∪B =|A∪B| = |A|+|B| - |A∩B |(∩:重合的部分)
三个集合的容斥关系公式:|A∪B∪C| = |A|+|B|+|C| - |A∩B| - |B∩C| - |C∩A| + |A∩B∩C|
详细推理如下:
1、 等式右边改造 = {[(A+B - A∩B)+C - B∩C] - C∩A }+ A∩B∩C
2、文氏图分块标记如右图图:1245构成A,2356构成B,4567构成C
3、等式右边()里指的是下图的1+2+3+4+5+6六部分:
那么A∪B∪C还缺部分7。
4、等式右边[]号里+C(4+5+6+7)后,相当于A∪B∪C多加了4+5+6三部分,
减去B∩C(即5+6两部分)后,还多加了部分4。
5、等式右边{}里减去C∩A (即4+5两部分)后,A∪B∪C又多减了部分5,
则加上A∩B∩C(即5)刚好是A∪B∪C。

严格证明编辑

对于容斥原理我们可以利用数学归纳法证明:
证明:
  
时,等式成立(证明略)。
假设
  
时结论成立,则当
  
时,
所以当
  
时,结论仍成立。因此对任意
  
,均可使所证等式成立。[1] 

原理编辑

如果被计数的事物有A、B两类,那么,A类B类元素个数总和= 属于A类元素个数+ 属于B类元素个数—既是A类又是B类的元素个数。(A∪B = A+B - A∩B)
例1 一次期末考试,某班有15人数学得满分,有12人语文得满分,并且有4人语、数都是满分,那么这个班至少有一门得满分的同学有多少人?
分析
依题意,被计数的事物有语、数得满分两类,“数学得满分”称为“A类元素”,“语文得满分”称为“B类元素”,“语、数都是满分”称为“既是A类又是B类的元素”,“至少有一门得满分的同学”称为“A类和B类元素个数”的总和。
答案
15+12-4=23
试一试
电视台向100人调查前一天收看电视的情况,有62人看过2频道,34人看过8频道,其中11人两个频道都看过。两个频道都没看过的有多少人?
100-(62+34-11)=15
中学教科书给出的定义
如果被计数的事物有A、B、C三类,那么,A类和B类和C类元素个数总和= A类元素个数+ B类元素个数+C类元素个数—既是A类又是B类的元素个数—既是A类又是C类的元素个数—既是B类又是C类的元素个数+既是A类又是B类而且是C类的元素个数。(A∪B∪C = A+B+C - A∩B - B∩C - C∩A + A∩B∩C)[1] 
例1(小学奥数题)
某校六⑴班有学生45人,每人在暑假里都参加体育训练队,其中参加足球队的有25人,参加排球队的有22人,参加游泳队的有24人,足球、排球都参加的有12人,足球、游泳都参加的有9人,排球、游泳都参加的有8人,问:三项都参加的有多少人?
分析:参加足球队的人数25人为A类元素,参加排球队人数22人为B类元素,参加游泳队的人数24人为C类元素,既是A类又是B类的为足球排球都参加的12人,既是B类又C类的为足球游泳都参加的9人,既是C类又是A类的为排球游泳都参加的8人,三项都参加的是A类B类C类的总和设为X。注意:这个题说的每人都参加了体育训练队,所以这个班的总人数即为A类B类和C类的总和。
答案:25+22+24-12-9-8+X=45 ,解得X=3[2] 
例2(高中题)
在1到1000的自然数中,能被3或5整除的数共有多少个?不能被3或5整除的数共有多少个?
分析:显然,这是一个重复计数问题(当然,如果不怕麻烦你可以分别去数3的倍数,5的倍数)。我们可以把“能被3或5整除的数”分别看成A类元素和B类元素,能“同时被3或5整除的数(15的倍数)”就是被重复计算的数,即“既是A类又是B类的元素”。求的是“A类或B类元素个数”。我们还不能直接计算,必须先求出所需条件。1000÷3=333……1,能被3整除的数有333个(想一想,这是为什么?)同理,可以求出其他的条件。
例3(高中题)
分母是1001的最简分数一共有多少个?
分析:这一题实际上就是找分子中不能与1001进行约分的数。由于1001=7×11×13,所以就是找不能被7,11,13整除的数。
解答:1~1001中,有7的倍数1001/7 = 143 (个);有11的倍数1001/11 = 91 (个),有13的倍数1001/13 = 77 (个);有7´11=77的倍数1001/77 = 13 (个),有7´13=91的倍数1001/91 = 11 (个),有11´13=143的倍数1001/143 = 7 (个).有1001的倍数1个。
由容斥原理知:在1~1001中,能被7或11或13整除的数有(143+91+77)-(13+11+7)+1=281(个),从而不能被7、11或13整除的数有1001-281=720(个).也就是说,分母为1001的最简分数有720个。
例4(小学奥数题)
某个班的全体学生在进行了短跑、游泳、投掷三个项目的测试后,有4名学生在这三个项目上都没有达到优秀,其余每人至少有一项达到了优秀,达到了优秀的这部分学生情况如下表:
短跑
游泳
投掷
短跑、游泳
短跑、投掷
游泳、投掷
短跑、游泳、投掷
1 7
1 8
1 5
6
6
5
2
求这个班的学生共有多少人?
分析:这个班的学生数,应包括达到优秀和没有达到优秀的。
4+17+18+15-6-6-5+2=39(人)
试一试:一个班有42人,参加合唱队的有30人,参加美术组的有25人,有5人什么都没有参加,求两种都参加的有多少人?
(30+25+5)-42=18(人)[2] 
例5(小学奥数题)
在一根长的木棍上有三种刻度线,第一种刻度线将木棍分成10等份,第二种将木棍分成12等份,第三种将木棍分成15等份。如果沿每条刻度线将木棍锯断,木棍总共被锯成多少段?
分析:
很显然,要计算木棍被锯成多少段,只需要计算出木棍上共有多少条不同的刻度线,在此基础上加1就是段数了。
若按将木棍分成10等份的刻度线锯开,木棍有9条刻度线。在此木棍上加上将木棍分成12等份的11条刻度线,显然刻度线有重复的,如5/10和6/12都是1/2。同样再加上将木棍分成15等份的刻度线,也是如此。所以,我们应该按容斥原理的方法来解决此问题。用容斥原理的那一个呢?想一想,被计数的事物有那几类?每一类的元素个数是多少?
解答
解一:[10,12,15]=60,设木棍60厘米
60÷10=6厘米,60÷12=5厘米,60÷15=4厘米
10等分的为第一种刻度线,共10-1=9条
12等分的为第二种刻度线,共12-1=11条
15等分的为第三种刻度线,过15-1=14条
第一种与第二种刻度线重合的[6,5]=30,60÷30-1=2-1=1条
第一种与第三种刻度线重合的[6,4]=12,60÷12-1=5-1=4条
第二种与第三种刻度线重合的[5,4]=20,60÷20-1=3-1=2条
三种刻度线重合的没有,[6、5、4]=60
因此,共有刻度线9+11+14-1-4-2=27条,木棍总共被锯成27+1=28段。
解二:总长看成单位1分别分成10、12、15段。1/10与1/12的最小公倍数1/2,1/10与1/15的最小公倍数1/5,1/12与1/15的最小公倍数1/3,1/10,1/12和1/15的最小公倍数为1,有10+12+15-(2+5+3)+1=28
解三:
10、12、15的最小公倍数是60,假设木棍就是长60,
1、那么,分成10等份的每份6,刻度就是
0,6,12,18,24,30,36,42,48,54,60
2、分成12等分的每份就是5,
0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60
3、分成15等分的每份就是4,
0,4,8,12,16,20,24,28,32,36,40,44,48,52,56,60
4、把相同刻度的合并,就是有刻度如下:
0,4,5,6,8,10,12,15,16,18,20,24,25,28,30,32,35,36,40,42,44,45,48,50,52,54,55,56,60[2] 
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