Matemáticas Discretas Enrique Muñoz de Cote INAOE. Permutaciones y Combinaciones

Transcripción

1 Matemáticas Discretas Enrique Muñoz de Cote INAOE Permutaciones y Combinaciones

2 Contenido Introducción Reglas de la suma y el producto Permutaciones Combinaciones Generación de permutaciones Teorema del Binomio 2

3 CONTEO Las técnicas de conteo son aquellas que son usadas para enumerar eventos difíciles de cuantificar. Ejemplo : Cuántas maneras tiene una persona de seleccionar una lavadora, una batidora y dos licuadoras, si encuentra en una tienda 8 modelos diferentes de lavadoras, 5 modelos diferentes de batidoras y 7 modelos diferentes de licuadoras?. Se les denomina técnicas de conteo a las: combinaciones, permutaciones y diagrama de árbol Las bases para entender el uso de las técnicas de conteo son el principio multiplicativo y el aditivo. 3

4 Introducción En ocasiones, interesa saber cuántas diferentes permutaciones/combinaciones de elementos se pueden generar a partir de cierto conjunto, por ejemplo: Cuántos comités diferentes de 3 personas puede haber a partir de un grupo de 10 individuos? De cuántas diferentes maneras pueden repartirse 5 cartas a partir de 52 cartas (poker)? De una urna con 10 bolas, 6 rojas y 4 negras, cuántas formas diferentes existen al extraer 4 bolas, asumiendo que cada vez que se saca una, se regresa a 4 la urna?

5 Introducción En esta sesión veremos la teoría matemática que nos permite hacer éstos cálculos, así como algunos ejemplos de aplicación 5

6 Motivación En la mayoría de los problemas de análisis combinatorio se observa que una operación o actividad aparece en forma repetitiva y es necesario conocer las formas o maneras que se puede realizar dicha operación. Para dichos casos es útil conocer determinadas técnicas o estrategias de conteo que facilitarán el calculo señalado.

7 Experimento Un proceso físico que tiene un número de posibles resultados Ejemplos: Tirar una moneda y observar que cara queda arriba Tirar n monedas y observar las caras que quedan arriba en cada moneda Sacar m pelotas de una caja con n pelotas Seleccionar 3 miembros para un comité de un grupo de n personas De n personas que fuman, observar cuántas tienen cáncer 7

8 Principio De Multiplicación Si un evento o suceso A puede ocurrir, en forma independiente, de m maneras diferentes y otro suceso de n maneras diferentes, entonces el número de maneras distintas en que pueden suceder ambos sucesos es m. n

9 Principio De Multiplicación Si hacemos 2 experimentos, uno con n posibles resultados, y otro con m posibles resultados, el número total de resultados al realizar ambos experimentos es m x n Ejemplos: A partir de 10 senadores y 10 diputados se va a hacer un comité con 3 senadores y 4 diputados, de cuántas maneras diferentes se puede conformar dicho comité 9

10 Ejemplo 1: En la etapa final de fútbol profesional de primera, cuatro equipos : CRISTAL ( C ), BOYS ( B),ESTUDIANTES ( E ), UNIVERSITARIO (U), disputan el primer y segundo lugar (campeón y subcampeón). De cuántas maneras diferentes estos equipos pueden ubicarse en dichos lugares? Solución : Utilizando el principio de multiplicación 1º 2º EXPLICACIÓN: 4 x 3 # maneras = 12 1 o El primer lugar puede ser ocupado por cualquiera de los cuatro equipos. 2 o El segundo lugar puede ser ocupado por cualquiera de los otros tres equipos que restan 3 o Por el principio de multiplicación, se observa que el evento del primer lugar se presenta de 4 maneras y el del segundo lugar de 3 maneras distintas, entonces el número de maneras totales será : 4x3 = 12

11 Principio de adición Supongamos que un evento A se puede realizar de m maneras y otro evento B se puede realizar de n maneras diferentes, además, no es posible que ambos eventos se realicen juntos (AÇ B ), entonces el evento A o el evento B se realizarán de (m + n) maneras.

12 Ejemplo 1: Un repuesto de automóvil se venden en 6 tiendas en Morelia o en 8 tiendas de Cuernavaca. De cuántas formas se puede adquirir el repuesto? Solución : Por el principio de adición: Morelia ó Cuernavaca 6 formas + 8 formas = 14 formas

13 Principio de adición Si hacemos 2 experimentos, uno con n posibles resultados, y otro con m posibles resultados, el número total de resultados al realizar exactamente uno de los experimentos es m + n Ejemplos: A partir de 10 senadores y 10 diputados se va a hacer un comité con 3 miembros, todos ellos diputados o senadores, de cuántas formas se puede conformar el comité? 13

14 Principio de adición ó multiplicación? Cómo podemos distinguir cuando hacer uso del principio multiplicativo y cuando del aditivo? Cuando se trata de una sola actividad, la cual requiere para ser llevada a efecto de una serie de pasos, entonces haremos uso del principio multiplicativo y si la actividad a desarrollar o a ser efectuada tiene alternativas para ser llevada a cabo, haremos uso del principio aditivo. 14

15 Ejercicio 1 Cuántas placas para automóviles pueden hacerse si cada placa consta de dos letras diferentes seguidas de tres dígitos diferentes? (considerar 26 letras del alfabeto)

16 Utilizando el principio de multiplicación Solución : letras Dígitos 26 x 25 x 10 x 9 x 8 # placas = EXPLICACIÓN: 1 o El primer casillero puede ser ocupado por cualquiera de las 26 letras 2 o El segundo casillero puede ser ocupado por cualquiera de las 25 letras que restan 3 o El tercer casillero puede ser ocupado por cualquiera de los 10 dígitos ( del 0 al 9) 4 o El cuarto casillero lo pueden ocupar los 9 dígitos restantes 5 o El quinto casiller puede ser ocupado por cualquiera de los 8 dígitos restantes 6 o Por el principio de multiplicación, el número de placas será = 26x25x10x9x8 =

17 Ejercicio 2 Se desea cruzar un río, para ello se dispone de 3 botes, 2 lanchas y 1 deslizador. De cuantas formas se puede cruzar el río utilizando los medios de transporte señalados?

18 Utilizando el Principio de adición RECUERDA: Solución: Bote Lancha Deslizador 3 o 2 o 1 Si se desea que se realicen los eventos A y B, entonces se utiliza el principio de multiplicación (x) Si se desea que se realicen los eventos A ó B, entonces se utiliza el principio de adición (+) # maneras = = 6

19 Permutaciones Dados n objetos, queremos obtener las diferentes formas de ordenar r de éstos objetos Por ejemplo, dada las letras a,b,c, de cuántas formas podemos arreglar 2 de ellas: ab, ba, ac, ca, bc, cb Esto se conoce como las permutaciones de r en n, P(n, r) 19

20 Permutaciones 20

21 Permutaciones 21

22 Permutaciones El número de permutaciones se obtiene de la siguiente manera: P(n,r) = n! / (n-r)! Donde n! es el factorial de n, definido como: n! = n (n-1) (n-2). x 2 x 1 (Por definición: 0! = 1) 22

23 Ejemplos: De cuántas maneras se pueden colocar 3 pelotas diferentes (azul, verde, rojas) en 10 cajas, si en cada caja sólo cabe una pelota? Si hay 7 oficinas, y queremos asignarle una oficina a cada uno de 4 estudiantes, de cuántas formas se pueden asignar las oficinas? Cuántos números de 3 dígitos se pueden escribir de forma que no se repitan dígitos? 23

24 Permutaciones Generalización Ahora consideramos que tenemos t clases de objetos, de forma que los de una clase son indistinguibles entre sí Cómo podemos ordenar n objetos, con q1 del tipo 1, q2 del tipo 2,, qt del tipo t? Por ejemplo, 3 letras, 2 a s y 1 b: aab, aba, baa 24

25 Permutaciones Generalización Esto lo podemos calcular de la siguiente manera: n! / (q1! q2! qt!) Ejemplos: Para el código morse (puntos y rayas), cuántos mensajes se pueden hacer con dos puntos y tres rayas? Hay 10 oficinas, 2 las va a explorar el robot 1, 5 el robot 2, y 3 el robot 3, de cuántas formas diferentes se pueden organizar los robots para explorar las oficinas? 25

26 Combinaciones Dado que tenemos n objetos, de cuántas formas podemos seleccionar r de éstos (sin importar el orden)? Por ejemplo, tenemos 3 pelotas, una roja, una verde y otra azul, de cuántas formas se pueden sacar 2 pelotas: (roja, verde), (roja, azul), (verde azul) 26

27 Combinaciones 27

28 Combinaciones 28

29 Combinaciones Esto son las combinaciones r de n, o C(n, r), y se obtienen con la siguiente expresión: C(n,r) = n! / r! (n-r)! Ejemplos: De cuántas formas se pueden colocar 3 pelotas (iguales) en 10 cajas, cada caja puede tener máximo una pelota? Cuántos números binarios de 5 dígitos con 3 unos se pueden tener? Cuántos comités distintos de 3 personas podría haber en este grupo de 60 estudiantes? 29

30 Generación de permutaciones Cómo generar todas las posibles permutaciones de n objetos? Si son pocos, lo podemos hacer a mano : abc acb bac bca cab cba 30

31 Generación de permutaciones Si son muchos, ya no es tan fácil! Para ello requerimos de un algoritmo para generar las permutaciones El algoritmo se basa en asignarle un número consecutivo a cada objeto (1,2, ), de forma que las permutaciones sigan un orden, llamado orden lexicográfico 31

32 Orden lexicográfico En el ejemplo, si hacemos a=1, b=2, c=3, entonces: abc 123 acb 132 bac 213 bca 231 cab 312 cba 321 Están ordenadas lexicográficamente 32

33 Algoritmo Iniciar con la secuencia menor de acuerdo al orden (1,2,, n) Dada la secuencia a [a 1,a 2, a m, a n ], generar la siguiente secuencia b [b 1,b 2, b m, b n ] tal que: De izquierda a derecha, a i =b i, hasta el máximo posible valor m Sustituir el valor b m, por el valor más pequeño a j, j>m, que sea mayor a b m Ordenar los demás elementos de acuerdo al orden lexicográfico Repetir 2 hasta alcanzar la secuencia mayor (n, n-1,, 1) 33

34 Ejemplo Dado el elemento: El valor m=3 124 Por lo que el elemento 4 se sustituye por el 5 (el menor de 635 que es mayor a 4): 125 Agregando el resto de los elementos:

35 Permutaciones de r elementos El algoritmo anterior se extiende directamente para generar las permutaciones de r elementos a partir de n objetos 35

36 Teorema del Binomio Binomio al cuadrado: (a + b) 2 = (a + b)(a + b) = a 2 + ab + ba + b 2 = a 2 + 2ab + b 2 Binomio al cubo: (a + b) 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3 En general: (a + b) n =? 36

37 Teorema de Binomio En general, cada término surge de elegir a en n-k factores y b en k factores Por ejemplo, para el binomio al cubo: aba, aab, baa 3a 2 b C(3,1) a 2 b = 3a 2 b En general, cada término tiene como coeficiente C(n, k) 37

38 Teorema de Binomio Así, un binomio a la n se puede escribir como: (a + b) n = C(n,0) a n b 0 + C(n,1) a n-1 b C(n,n) a 0 b n Teorema del binomio: (a + b) n = Σ k C(n,k) a n-k b k 38

39 Triángulo de Pascal Una forma de obtener los coeficientes es mediante el triángulo de Pascal El triángulo tiene 1 s en las orillas, y todos los números interiores son la suma de los dos números de arriba 39

40 Triángulo de Pascal

41 Referencias [Liu] Capítulo 3 [Johnsonbaugh] Capítulo 4 41

42 Ejercicios Cuántos comités diferentes de 3 personas puede haber a partir de un grupo de 10 individuos? De cuántas diferentes maneras pueden repartirse 5 cartas a partir de 52 cartas (poker)? De una urna con 10 bolas, 6 rojas y 4 negras, cuántas formas diferentes existen al extraer 4 bolas, asumiendo que cada vez que se saca una, se regresa a la urna? 42

43 Ejercicios Cuántos comités de 3 estudiantes se pueden generar en el grupo (40 h, 20 m) si en el comité debe haber al menos un hombre y una mujer? Genera todas la permutaciones para 5 elementos (en orden lexicográfico) Dados 10 problemas, cuántos exámenes diferentes se pueden generar: (a) no importa el orden de los problemas, (b) si importa el orden 43

44 Ejercicios Extiende el algoritmo para generar permutaciones para r de n elementos Un paciente tiene 0, una o dos de 5 posibles enfermedades; y al menos un síntoma de 10 posibles síntomas. Cuántas posibles combinaciones de enfermedades-síntomas puede tener? Un robot puede observar de 1 a 3 marcas en un mapa con 50 marcas en cierto momento, cuántas posibles combinaciones de marcas puede observar 44

45 Ejercicios Da los coeficientes de expandir el binomio (a+b) 5 45