diff --git a/school/di-ma/20181023_1-zahlpartitionen.md b/school/di-ma/20181023_1-zahlpartitionen.md new file mode 100644 index 0000000..5ba005e --- /dev/null +++ b/school/di-ma/20181023_1-zahlpartitionen.md @@ -0,0 +1,76 @@ +--- +title: Zahlpartitionen +date: 2018-10-23 +--- + +**Gegeben**: $n,k \in \mathbb{N}$, $k < n$ + +Auf wie viele Arten kann man $n$ als Summe von $k$ natürlichen Zahlen $\geq 1$ schreiben + +**Beispiel**: + +$$ +n = 4, k = 2 \\ +4 = 1 + 3 \\ +4 = 2 + 2 \\ +4 = 3 + 1 +$$ + +# Ungeordnete Zahlpartitionen + +Eine ungeordnete Zahlpartition entspricht einer Multimenge $\{s_1,...,s_n\}$, so dass $s_i \geq 1, s_i \in \mathbb{N}$ +und $\sum\limits_{i=1}^k s_i = n$. Wir bezeichnen die Anzahl dieser ungeordneten Zahlpartitionen/Multimengen mit +$P_{n,k}$. + +## Satz + +Es gilt $P_{n,k} = P_{n-1,k-1} + P_{n-k,k}$ mit $P_{n,0} = P_{0,0} = 0$ und $P_{n,n} = P_{n,1} = 1$ + +## Beweis + +Wir teilen die Zahlpartitionen diesmal in $(k+1)$ disjunkte Fälle auf. + +* Fall $i$ ($i \in \{1,...,k\}$) + + Wir betrachten die Zahlpartitionen, bei denen genau $i$ der Summanden gleich $1$ sind. Ohne Einschränkung sei + $s_1 = s_2 = ... = s_i = 1$ und damit $s_{i+1},...,s_k \geq 2$ + + Es gilt $\sum\limits_{j=i+1}^k s_j = (n-i)$ + + Betrachte wieder $s_j' = s_{j-1}$ für $j \in \{i-1,...,k\}$. Dann gilt + $\sum\limits_{j=i+1}^k s_j' = (n-i) - (k-i) = (n-k)$ und $s_j' \geq 1$. Damit gibt es im Fall $i$ genau $P_{n-k,k}$ + Möglichkeiten. + +Summenregel liefert + +$$ +P_{n,k} = \sum\limits_{i=0}^k P_{n-k,k-i} = \sum\limits_{j=0}^k P_{n-k,j} +$$ +$$ +\tag*{$\Box$} +$$ + + +# Geordnete Zahlpartitionen + +Eine geordnete Zahlpartition entspricht einem $k$-Tupel $(s_1, ...s_k)$ mit $\sum\limits_{i=1}^k s_i = n$ mit +$s_i \in \mathbb{N}, s_i \geq 1$. Wir zählen die Anzahl der Tupel wie folgt: + +* Schreibe $n$ als Summe von $n$ Einsen +* Jede $k$-Partition entspricht der Wahl von $(k-1)$ Plus Zeichen in obiger Summe. Da es $(n-1)$ Plus Zeichen gibt, + erhalten wir $\binom{n-1}{k-1}$ geordnete $k$-Partitionen der Zahl. + +## Satz + +Die Anzahl der geordneten $k$-Partitionen der Zahl $n$ ist $\binom{n-1}{k-1}$ + +**Beispiel**: + +a) Frage: Wie viele Lösungen hat die Gleichung $x_1+x_2+...+x_{10} = 100$ mit $x_i \in \mathbb{N}, x_i \geq 1$? + + Antwort: $\binom{99}{9}$ + +b) Wie viele Lösungen hat die Gleichung $x_1+x_2+...+x_{10} = 100$ mit $x_i \in \mathbb{N} \cup \{0\}$ ($x_i \geq 0$)? + + Trick: wir betrachten $y_i = x_i + 1$. Dann gilt $y_1 + y_2+...+y_{10} = 100 + 10 = 110$. Damit gibt es + $\binom{109}{9}$ Möglichkeiten. diff --git a/school/di-ma/20181023_2-baelle_und_urnen.md b/school/di-ma/20181023_2-baelle_und_urnen.md new file mode 100644 index 0000000..f219f29 --- /dev/null +++ b/school/di-ma/20181023_2-baelle_und_urnen.md @@ -0,0 +1,29 @@ +--- +title: Bälle und Urnen +date: 2018-10-23 +--- + +**Gegeben**: $n$ Bälle, $m$ Urnen + +**Frage**: Wie viele Möglichkeiten gib es, diese Bälle auf die Urnen zu verteilen? + +Antwort ist abhängig davon, was man genau möchte. + +* Bälle/Urnen (nicht) unterscheidbar +* In jeder Urne höchstens ein Ball (injektiv) $\Rightarrow m \geq n$ +* In jeder Urne mindestens ein Ball (surjektiv) $\Rightarrow n \geq m$ +* In jeder Urne genau ein Ball (bijektiv) $\Rightarrow n = m$ + +Notation: +* $U \widehat{=}$ unterscheidbar +* $N \widehat{=}$ nicht unterscheidbar + +| ... | beliebig | injektiv | surjektiv | bijektiv | +| --- | --- | --- | --- | --- | +| B: $U$, U: $U$ | A: $m^n$ | B: $n^{\underline{m}}$ | F: $m!s_{n,m}$ | $n! = m!$ | +| B: $N$, U: $U$ | D: $\binom{m+n-1}{n}$ | C: $\binom{m}{n}$ | H: $\binom{n-1}{m-1}$ | 1 | +| B: $U$, U: $N$ | I: $\sum\limits_{k=1}^m S_{n,k}$ | 1 | E: $S_{n,m}$ | 1 | +| B: $N$, U: $N$ | J: $\sum\limits_{k=1}^m P_{n,k}$ | 1 | G: $P_{n,m}$ | 1 | + +Die Fälle A-D entsprechen genau den Fällen A-D beim ziehen von $n$ Elementen aus einer $m$-elementingen Menge (gezogen +werden Urnen für die Bälle). diff --git a/school/di-ma/index.md b/school/di-ma/index.md index 570797a..1695e04 100644 --- a/school/di-ma/index.md +++ b/school/di-ma/index.md @@ -9,3 +9,5 @@ subtitle: > - [2018-10-10 Binomialkoeffizient](20181010_1-binomialkoeffizient) - [2018-10-16 Kombinatorische Prinzipien](20181016_1-kombinatorische_prinzipien) - [2018-10-17 Wichtige Kombinatorische Probleme](20181017_1-wichtige_kombinatorische_probleme) +- [2018-10-23 Zahlpartitionen](20181023_1-zahlpartitionen) +- [2018-10-23 Bälle und Urnen](20181023_2-baelle_und_urnen)