Дискретная математика
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Дискретная математика
Издательство:
Физматлит
Автор:
Редькин Николай Петрович
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 264
Дополнительно
В учебнике представлен основной материал обязательного курса
«Дискретная математика», читающегося на механико-математическом
факультете МГУ с 1998 г. В сжатой форме он содержит для первона-
чального ознакомления ряд важных разделов дискретной математики:
комбинаторный анализ, графы и сети, важнейшие классы управляющих
систем, тесты, алгоритмы, кодирование, дискретные экстремальные
задачи. К каждой главе приведены задачи, самостоятельное решение
которых будет способствовать более глубокому усвоению теоретиче-
ского материала и лучшей подготовке к экзамену.
Для студентов и аспирантов.
Рекомендовано УМО по классическому университетскому образо-
ванию в качестве учебника для студентов высших учебных заведе-
ний, обучающихся по направлениям подготовки 010100 «Математика»,
010200 «Математика. Прикладная математика», 011000 «Механика.
Прикладная математика».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.01: Математика
- 01.03.04: Прикладная математика
- ВО - Магистратура
- 01.04.01: Математика
- 01.04.04: Прикладная математика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 519.95 (075.8) ББК 22.18 Р 33 Р е д ь к и н Н. П. Дискретная математика. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 264 с. — ISBN 978-5-9221-1093-8. В учебнике представлен основной материал обязательного курса «Дискретная математика», читающегося на механико-математическом факультете МГУ с 1998 г. В сжатой форме он содержит для первоначального ознакомления ряд важных разделов дискретной математики: комбинаторный анализ, графы и сети, важнейшие классы управляющих систем, тесты, алгоритмы, кодирование, дискретные экстремальные задачи. К каждой главе приведены задачи, самостоятельное решение которых будет способствовать более глубокому усвоению теоретического материала и лучшей подготовке к экзамену. Для студентов и аспирантов. Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 010100 «Математика», 010200 «Математика. Прикладная математика», 011000 «Механика. Прикладная математика». ISBN 978-5-9221-1093-8 c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2009 c⃝ Н. П. Редькин, 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Г л а в а I. Элементы комбинаторики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 § 1. Комбинаторные объекты и комбинаторные числа . . . . . . . . 9 § 2. Формула включения-исключения. Производящие функции и возвратные последовательности . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 12 Г л а в а II. Графы и сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 § 1. Элементы графа. Подграфы. Способы задания графов . . . . 19 § 2. Геометрическая реализация графов. Верхняя оценка числа неизоморфных графов с m рёбрами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 § 3. Деревья. Характеристические свойства деревьев . . . .. . . . . 23 § 4. Верхняя оценка числа неизоморфных корневых деревьев с m рёбрами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 26 § 5. Теорема Кэли о числе деревьев с занумерованными вершинами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 § 6. Двудольные графы. Паросочетания и трансверсали. Теорема Холла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 29 § 7. Сети. Потоки в сетях. Теорема Форда–Фалкерсона . . . . . . 32 Г л а в а III. Булевы функции и формулы . . . . . . . . . . . . . . . . 40 § 1. Булевы функции. Элементарные булевы функции. . . . . . . . 40 § 2. Формулы и функции, реализуемые формулами. Простейшие эквивалентности . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 42 § 3. Разложение булевых функций. Дизъюнктивные нормальные формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 § 4. Полнота систем булевых функций. Представление булевых функций полиномами Жегалкина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 § 5. Функции k-значной логики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Оглавление Г л а в а IV. Предикаты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 § 1. Высказывания, предикаты, кванторы. Геометрический смысл кванторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 § 2. Модель, сигнатура модели, формулы в модели. Свободные и связанные переменные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 § 3. Истинность формулы в модели, на множестве. Тождественно истинные формулы . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 56 § 4. Эквивалентность формул. Правила преобразования формул с кванторами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 57 § 5. Приведённые формулы . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 60 § 6. Нормальные формулы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Г л а в а V. Схемы из функциональных элементов. Синтез и оценки сложности схем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 § 1. Схемы из функциональных элементов в базисе {&, ∨,− } . . 65 § 2. Синтез схем с использованием совершенных д.н.ф. . . . .. . . 69 § 3. Метод Шеннона . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 70 § 4. Асимптотически оптимальный метод синтеза схем (метод Лупанова) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 72 § 5. Мощностной метод получения нижней оценки для сложности схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Г л а в а VI. Тесты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 § 1. Полные диагностические тесты для таблиц. Оценки длины тестов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 § 2. Тесты для схем. Построение минимальных тестов методом Яблонского . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 § 3. Верхние оценки длины единичных тестов для схем . . . . .. . 88 § 4. Синтез легкотестируемых схем . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 89 Г л а в а VII. Ограниченно-детерминированные функции и реализация их автоматами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 § 1. Детерминированные и ограниченно-детерминированные функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 92 § 2. Способы задания ограниченно-детерминированных функций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 § 3. Схемы автоматов из функциональных элементов и элементов задержки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 99
Оглавление 5 Г л а в а VIII. Алгоритмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 § 1. Алгоритмы. Машины Тьюринга. Задание машины системой команд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 § 2. Композиции машин. Тезис Тьюринга . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 § 3. Проблема самоприменимости. Теорема о самоприменимости 106 Г л а в а IX. Кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 § 1. Алфавитное кодирование. Разделимые коды. Свойство префикса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 § 2. Неравенство Крафта–Макмиллана. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 112 § 3. Коды с минимальной избыточностью. Оптимальное кодирование Хаффмена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 115 § 4. Самокорректирующиеся коды. Коды Хэмминга. . . . . . . . . . 120 § 5. Геометрические свойства самокорректирующихся кодов. Оценки Хэмминга и Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Г л а в а X. Дискретные экстремальные задачи . . . . . . . . . . . . 127 § 1. Задача на покрытие. Точное решение задачи на покрытие 127 § 2. Градиентный алгоритм поиска приближённого решения. Оценка сложности градиентного покрытия. . . . . . . . .. . . . . . 129 § 3. Задача о минимальном остовном дереве. . . . . . . . .. . . . . . . 133 § 4. Поиск кратчайшего и надёжного путей в графе . . . . . . . . . 135 § 5. Точное решение задачи на покрытие методом динамического программирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 § 6. Приближённое решение задачи об упаковке в контейнеры 141 § 7. Классы P и NP. Полиномиальная сводимость задач . . . . . 143 Зaдачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 К главе I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 К главе II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 К главе III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 К главе IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 К главе V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 К главе VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 К главе VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 К главе VIII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 К главе IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 К главе X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Оглавление Ответы, указания, решения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 К главе I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 К главе II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 К главе III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 К главе IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 К главе V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 К главе VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 К главе VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 К главе VIII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 К главе IX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 К главе X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Светлой памяти моего учителя Олега Борисовича Лупанова посвящается Предисловие Эта книга возникла на основе годового обязательного курса лекций по дискретной математике, читающегося автором на механико-математическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова для студентов четвёртого курса отделения механики. Главная задача курса — обучение характерным для дискретной математики методам решения основных задач и соответствующему мышлению. Необходимость такого обучения диктуется научно-техническим прогрессом, поставившим перед математиками две крупные проблемы, которые часто оказываются взаимосвязанными. Одна из них — изучение сложных управляющих систем, разработка методов анализа и синтеза таких систем. Другая проблема — необходимость решения ряда новых задач, главной спецификой которых является дискретность. Такие задачи в настоящее время сплошь и рядом возникают как в теории, так и на практике — в экономике, технике, исследовании операций и т. п., а решение их даже с использованием мощной вычислительной техники часто наталкивается на принципиальные, порой непреодолимые затруднения, связанные с неприемлемо большими затратами машинного времени и памяти. Вошедший в курс материал достаточно условно можно разбить на две части. Одну из них составляют основные понятия, описания изучаемых объектов и доказательства ключевых фактов, теорем, ставших большей частью уже классическими. Сюда относятся: элементы комбинаторики, графы и сети, булевы функции и формулы, предикаты, алгоритмы, кодирование, частично — дискретные экстремальные задачи. Эта часть составляет основу того математического аппарата, владение которым в настоящее
Предисловие время представляется совершенно необходимым для выпускников математических факультетов. В другой части представлены важнейшие классы управляющих систем — схемы из функциональных элементов и автоматы, а также типовые задачи, связанные с синтезом и диагностикой состояния этих систем, и основные способы решения таких задач; здесь часто используются понятия, математические модели и теоремы из первой части. Приведены и типичные, наиболее известные дискретные экстремальные задачи, точные и приближенные решения этих задач, примеры получения оценок качества приближенных решений. Успешное, пусть даже начальное изучение дискретной математики вряд ли возможно без приобретения навыков решения подходящих задач, связанных с основными математическими моделями и теоремами. Для приобретения таких навыков освоение теоретического материала должно сопровождаться практическими занятиями. Для занятий к каждой главе книги прилагаются задачи различной степени трудности. Решение этих, а также, возможно, и других подходящих задач необходимо для глубокого и прочного усвоения теоретического материала. Содержание данной книги, стиль изложения материала в значительной степени определяются научно-педагогической школой кафедры дискретной математики механико-математического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, основателем и бессменным руководителем которой на протяжении четверти века был выдающийся математик и педагог, академик РАН Олег Борисович Лупанов.
Г л а в а I ЭЛЕМЕНТЫ КОМБИНАТОРИКИ § 1. Комбинаторные объекты и комбинаторные числа В комбинаторном анализе изучаются различные объекты, порождаемые элементами из конечного множества A = {a1, ... , an}, и числовые характеристики этих объектов. Часто рассматриваются, например, упорядоченные или неупорядоченные подмножества множества A, подмножества с повторяющимися элементами из множества A и т. п. Вместе с классами таких комбинаторных объектов естественным образом вводятся и так называемые комбинаторные числа, задающие число объектов в том или ином классе и зависящие от некоторых параметров, например, от мощностей исходного множества A и рассматриваемых подмножеств множества A. Размещения элементов. Пусть A = {a1, ... , an}. Размещением элементов из A по k (или размещением из n элементов по k) называется упорядоченное подмножество из k элементов множества A. Для A = {a1, a2, a3, a4} размещениями из A по 3 будут, например, {a1, a3, a4}, {a3, a4, a1}, {a2, a3, a4}. Обозначим число размещений из n элементов по k через (n)k. При построении конкретного размещения первым элементом в нём можно взять любой из n элементов множества A, вторым элементом — любой из n − 1 оставшихся в A элементов и т. д. Поэтому (n)k = n(n − 1) ... (n − k + 1) при 1 ⩽ k ⩽ n. При k > n не существует размещений из n по k, следовательно, (n)k = 0 при k > n; при k = 0 полагаем (0)0 = (n)0 = 1. Нетрудно заметить, что для чисел (n)k выполняются тождества: (n)k =n(n − 1)k−1, (n)k =(n)k−1 · (n − k + 1).
Гл. I. Элементы комбинаторики Перестановки элементов. Перестановками элементов множества A = {a1, ... , an} (или перестановками из n элементов) называются всевозможные упорядоченные множества из n элементов a1, ... , an. Для A = {a1, a2, a3} перестановками будут, например, {a1, a3, a2}, {a2, a1, a3}, {a2, a3, a1}. Перестановки из n элементов — частный случай размещений из n элементов по n. Поэтому (n)n = n(n − 1) ... 2 · 1 = n! Как обычно, полагаем 0! = 1. Сочетания элементов. Сочетанием элементов из A = {a1, ... ... , an} по k (или сочетанием из n элементов по k) называется неупорядоченное подмножество из k элементов множества A. Для A = {a1, a2, a3} всевозможными сочетаниями по 2 элемента будут {a1, a2}, {a1, a3}, {a2, a3}. В сочетании, в отличие от размещения, порядок следования элементов не учитывается. Поэтому из одного сочетания (из n элементов по k) получается k! размещений. Отсюда для числа n k сочетаний из n элементов по k получается формула n k = (n)k k! = n(n − 1) ... (n − k + 1) k! = n! k!(n − k)! (0 ⩽ k ⩽ n; вместо n k часто используется также обозначение Ck n). Из последней формулы следует 0 0 = n 0 = n n = 1 и n k = n n − k . Для случая k > n полагаем n k = 0, поскольку при k > n не существует сочетаний из n элементов по k. Числа n k фигурируют в функциональном тождестве, называемом формулой для бинома Ньютона: (1 + x)n = n 0 + n 1 x + ... + n k xk + ... + n n xn. (1) В правой части данного тождества коэффициент при xk есть количество способов, которыми можно выбрать из k скобок (1 + x) переменную x, а из остальных скобок 1, что даёт ровно n k слагаемых.
§ 1. Комбинаторные объекты и комбинаторные числа 11 Полагая в (1) x = 1, получим тождество n 0 + n 1 + ... + n k + ... + n n = 2n; (2) при x = −1 получим n 0 − n 1 + ... + (−1)n n n = 0. (3) Из соотношений (2) и (3) следуют тождества n 0 + n 2 + ... + n n = n 1 + n 3 + ... + n n − 1 = 2n−1 при чётном n и n 0 + n 2 + ... + n n − 1 = n 1 + n 3 + ... + n n = 2n−1 при нечётном n. Сочетания с повторениями элементов. Сочетанием с повторениями элементов из A = {a1, ... , an} по k (или сочетанием с повторениями из n элементов по k) называется неупорядоченный набор из k элементов множества A, в котором элементы могут повторяться. Для A = {a1, a2, a3} всевозможными сочетаниями с повторениями по 2 элемента будут (a1, a1), (a1, a2), (a1, a3), (a2, a2), (a2, a3), (a3, a3). Обозначим через Hk n число сочетаний с повторениями из n элементов по k; найдём это число. Пусть a — произвольное сочетание с повторениями элементов из A = {a1, ... , an} по k. Этому сочетанию поставим в соответствие набор α(a) длины n + k − 1 из n − 1 нулей и k единиц. В наборе α(a) число единиц, находящихся между (i − 1)-м и i-м нулями (i = 2, ... , n − 1), равно числу элементов ai, входящих в сочетание a, а число единиц, стоящих перед первым нулём (после последнего нуля), равно числу элементов a1 (соответственно элементов an), входящих в сочетание a. Указанное соответствие между сочетаниями a и наборами α(a) взаимно однозначно. Различных наборов длины n + k − 1, содержащих n − 1 нулей и k единиц, имеется ровно n+k−1 k штук, поскольку каждому такому набору можно взаимно однозначно сопоставить сочетание из n + k − 1 элементов по k. В итоге получаем Hk n = n + k − 1 k .
Гл. I. Элементы комбинаторики § 2. Формула включения-исключения. Производящие функции и возвратные последовательности Рассмотрим — главным образом с иллюстративной целью — несколько способов подсчёта комбинаторных чисел. Формула включения-исключения. Пусть имеется m предметов и n различных свойств, которыми могут обладать эти предметы. Пусть m(i1, ... , ik) — число предметов, обладающих i1-м, ... , ik-м свойствами. В таком случае число m0 предметов, не обладающих ни одним из n свойств, определяется по следующей формуле включения-исключения: m0 = m − n i=1 m(i) + 1⩽i1<i2⩽n m(i1, i2) − ... + + (−1)l 1⩽i1<...<il⩽n m(i1, i2, ... , il) + ... + (−1)nm(1, 2, ... , n). (1) Формулу (1) можно получить, например, индукцией по n. При n = 1 имеем m0 = m − m(1), т. е. формула (1), очевидно, справедлива. Предположим, что формула (1) справедлива для (n − 1) свойств. Пусть m(i1, ... , ik) — число предметов, не обладающих ни одним из свойств i1, ... , ik. По предположению индукции имеем m′ 0 = m(1, ... , n − 1) = m − n−1 i=1 m(i)+ + 1⩽i1<i2⩽n−1 m(i1, i2) − ... + (−1)n−1m(1, 2, ... , n − 1). (2) Эта формула справедлива и для отдельно взятой совокупности предметов, обладающих n-м свойством, т. е. m(1, ... , n − 1, n) = m(n) − n−1 i=1 m(i, n)+ + 1⩽i1<i2⩽n−1 m(i1, i2, n) − ... + (−1)n−1m(1, 2, ... , n − 1, n), (3) где m(1, ... , n − 1, n) — число предметов, обладающих свойством n, но не обладающих ни одним из свойств 1, ... , n − 1. Как нетрудно заметить, m(1, ... , n − 1, n) = m(1, ... , n − 1) − m(1, ... , n − 1, n).
§ 2. Формула включения-исключения 13 Отсюда следует, что формула (1) получается вычитанием формулы (3) из (2). З а м е ч а н и е. Формулу включения-исключения можно интерпретировать ещё и таким образом. Множество всех m предметов обозначим через A, а через Ai обозначим подмножество всех предметов, обладающих i-м свойством (i = 1, ... , n; понятно, что подмножества A1, ... , An могут быть совершенно произвольными). В этом случае формула включения-исключения запишется так: |A \ (A1 ∪ ... ∪ An)| = |A| − n i=1 |Ai| + 1⩽i1<i2⩽n |Ai1 ∩ Ai2| − ... + + (−1)l 1⩽i1<...<il⩽n |Ai1 ∩ Ai2 ∩ ... ∩ Ail| + ... + + ... + (−1)n|A1 ∩ ... ∩ An|. Производящие функции часто используются при нахождении комбинаторных чисел и при установлении комбинаторных тождеств. Пусть имеется последовательность a0, a1, ... , ak, ... Этой последовательности сопоставим ряд ∞ k=0 aktk (для конечной последовательности a0, a1, ... , ak указанный ряд превращается в многочлен). В ряде случаев, например, при определённых ограничениях, данный ряд может оказаться сходящимся и задавать некоторую функцию A(t): A(t) = ∞ k=0 aktk. Эта функция A(t) называется производящей для последовательности {ak}. Если производящая функция A(t) известна и допускает разложение в ряд Маклорена, причём единственным образом, то этим обстоятельством можно воспользоваться для нахождения комбинаторных чисел ai. Проиллюстрируем сказанное на следующем простом примере. Предположим, что нужно найти n k . Нетрудно заметить, что
Гл. I. Элементы комбинаторики из правил возведения в степень и определения числа сочетаний из n элементов по k следует равенство (1 + t)n = 1 + n 1 t + ... + n k tk + ... + n n tn; правую часть данного равенства формально можно рассматривать как некоторый ряд, а выражение в левой части равенства — как производящую функцию для данного ряда. Легко заметить, что функция (1 + t)n допускает разложение в ряд Маклорена, причём единственным образом: (1 + t)n = 1 + n 1!t + n(n − 1) 2! t2 + ... + + n(n − 1) · ... · (n − k + 1) k! tk + ... + n(n − 1) · ... · 2 · 1 n! tn. В силу единственности разложения коэффициенты при tk в обоих полученных выражениях для (1 + t)n должны быть равны, т. е. n k = n · (n − 1) · ... · (n − k + 1) k! . Второй пример. С помощью производящих функций установим тождество 2n n = n k=0 n k 2 . Для этого возьмём тождество (1 + t)2n = (1 + t)n(1 + t)n и разложим функции (1 + t)2n и (1 + t)n в левой и в правой частях этого тождества в ряды: 2n i=1 2n i ti = n k=0 n k tk n m=0 n m tm . Сравнивая коэффициенты при tn в левой и в правой частях последнего тождества, получаем 2n n = n k=0 n k n n − k = n k=0 n k 2 . Возвратные последовательности. При решении многих задач (и не только комбинаторного характера) возникают рекур
§ 2. Формула включения-исключения 15 рентные соотношения. Рассмотрим те из них, которые приводят к так называемым возвратным последовательностям. Последовательность a0, a1, ... , an, ... называется возвратной последовательностью степени k, если для некоторого k и всех n выполняется соотношение an+k + p1an+k−1 + ... + pkan = 0, (4) где коэффициенты pi (i = 1, ... , k) не зависят от n. Многочлен P(x) = xk + p1xk−1 + ... + pk (5) называется характеристическим для возвратной последовательности (4). Сформулируем и докажем несколько утверждений, в совокупности позволяющих находить решения рекуррентных соотношений вида (4). У т в е р ж д е н и е 1. Возвратная последовательность степени k полностью определяется заданием её первых k членов и соотношением (4). Д о к а з а т е л ь с т в о легко получается индукцией по n. Первые k членов известны по условию. Далее согласно (4) каждый последующий член последовательности однозначно находится по k предыдущим: an+1 = −p1an − p2an−1 − ... − pkan−k+1. У т в е р ж д е н и е 2. Если λ является корнем характеристического многочлена, то последовательность {λn} удовлетворяет соотношению (4). Д о к а з а т е л ь с т в о. Требуется доказать, что λn+k + + p1λn+k−1 + ... + pkλn = 0, или, что то же самое, λn(λk + p1λk−1 + ... + pk) = 0. По условию λ является корнем многочлена (5), и выражение в скобках обращается в 0. У т в е р ж д е н и е 3. Если λ1, ... , λk — простые корни характеристического многочлена (5), то общее решение рекуррентного соотношения (4) представимо в виде an = c1λn 1 + ... + ckλn k, где c1, ... , ck — произвольные константы. Д о к а з а т е л ь с т в о. Заметим, что если последовательности {an} и {bn} удовлетворяют соотношению (4), то и последовательность {dn}, где dn = an + bn, удовлетворяет соотношению (4). Отсюда и из предыдущего утверждения следует, что an = c1λn 1 + ... + ckλn k удовлетворяет соотношению (4). Убедимся теперь, что любая последовательность {an}, удовлетворяющая (4), может быть представлена в виде an = c1λn 1 +