Материал для подготовки к выполнению заданий обучающего тура (стр. 2 )

Решение. Обозначим точками карандаши и коробки. Сплошная линия будет обозначать, что карандаш лежит в соответствующей коробке, а пунктирная, что не лежит. Тогда с учетом задачи имеем G1 (Рис. 1).

Рис.1

Далее достраиваем граф по следующему правилу: поскольку в короб может лежать ровно один карандаш, то из каждой точки должны выходить одна сплошная линия и три пунктирные. Получается граф G2 , дающий решение задачи.

Ответ. Красный карандаш в зеленой коробке, синий карандаш в желтой коробке, зеленый карандаш в синей коробке, желтый карандаш в красной коробке.

Пример 1.7. Беседуют трое друзей: Белокуров, Чернов и Рыжов. Брюнет сказал Белокурову: «Любопытно, что один из нас белокурый, другой брюнет, третий рыжий, но ни у кого цвет волос не соответствует фамилии». Какой цвет волос имеет каждый из друзей?

Решение. Построим граф отношения, заданного в условии задачи. Для этого, прежде всего, выделим множество фамилий М и множество цветов волос К, элементы которых будем обозначать точками. Точки множества М назовем буквами Б, Ч, Р (Белокуров, Чернов и Рыжов); точки второго множества – б, бр, р (белокурый, брюнет, рыжий). Если точке из одного множества соответствует точка из другого, мы их соединим сплошной линией, а если не соответствует – штриховой. Условие задачи указывает лишь на несоответствия, поэтому вначале должен возникнуть граф, изображенный на рисунке 2.

Рис.2

Из условия задачи следует, что для каждой точки из множества М существует одна и только одна точка из множеств К, которая соответствует первой и, наоборот, каждой точке из множества К соответствует одна и только одна точка из множества М. Задача сводится к тому, чтобы найти это единственно возможное соответствие между элементами множеств М и К, т. е. к нахождению трех сплошных линий, соединяющих соответствующие точки множеств.

Принцип решения задачи прост. Если какая-то точка оказывается соединенной с двумя точками другого множества штриховыми линиями, то с его третьей точкой ее необходимо соединить сплошной линией. Поэтому граф на рисунке 2 дополняется сплошными линиями, соединяющими точки Б и р, Р и бр (Рис. 3).

Рис.3

Далее остается соединить сплошной линией точку Ч и точку б, так как точка Ч соединена с точкой бр штриховой линией, а точка р уже «занята» (Рис. 4).

Рис. 4

Таким образом, на графе этого рисунка автоматически прочитываем ответ.

Ответ. Белокуров — рыжий, Чернов — белокурый, Рыжов – брюнет.

В следующей задаче применение графов помогает обнаружить наличие двух решений.

Пример 1.8. Маша, Лида, Женя и Катя умеют играть на разных инструментах (виолончели, рояле, гитаре и скрипке), но каждая только на одном. Они же владеют разными иностранными языками (английским, французским, немецким и испанским), но каждая только одним. Известно, что:

1. девушка, которая играет на гитаре, говорит по-испански;

2. Лида не играет ни на скрипке, ни на виолончели и не знает английского языка;

3. Маша не играет ни на скрипке, ни на виолончели и не знает английского языка;

4. девушка, которая говорит по-немецки, не играет на виолончели;

5. Женя знает французский язык, но не играет на скрипке.

Кто на каком инструменте играет и какой иностранный язык знает?

Решение. Условию задачи соответствует граф, изображенный на рисунке 5.

Рис. 5

Проведем последовательно следующие сплошные отрезки: КС, ВЖ, ВФ, АК (рис.6).

Рис. 6

Тем самым образуются два «сплошных» треугольника ЖВФ и КСА. Проводим еще сплошной отрезок РН. Теперь убеждаемся, что условия задачи не обеспечивают однозначности выбора третьей точки для каждой из пар РН и ГИ. Возможны следующие варианты «сплошных» треугольников: МГИ и ЛРН или ЛГИ и МРН. Таким образом, задача имеет два решения.

Ответ. ЖВФ, КСА, МГИ и ЛРН или ЖВФ, КСА, ЛГИ и МРН

Метод блок-схем

В этом разделе рассматривается еще один тип логических задач. Это задачи, в которых с помощью сосудов известных емкостей требуется отмерить некоторое количество жидкости, а также задачи, связанные с операцией взвешивания на чашечных весах. Простейший прием решения задач этого класса состоит в переборе возможных вариантов. Понятно, что такой метод решения не совсем удачный, в нем трудно выделить какой-либо общий подход к решению других подобных задач.

Более систематический подход к решению задач "на переливание" заключается в использовании блок-схем. Суть этого метода состоит в следующем. Сначала выделяются операции, которые позволяют нам точно отмерять жидкость. Эти операции называются командами. Затем устанавливается последовательность выполнения выделенных команд. Эта последовательность оформляется в виде схемы. Подобные схемы называются блок-схемами и широко используются в программировании. Составленная блок-схема является программой, выполнение которой может привести нас к решению поставленной задачи. Для этого достаточно отмечать, какие количества жидкости удается получить при работе составленной программы. При этом обычно заполняют отдельную таблицу, в которую заносят количество жидкости в каждом из имеющихся сосудов.

Пример 1.9. Имеются два сосуда — трехлитровый и пятилитровый. Нужно, пользуясь этими сосудами, получить 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 литров воды. В нашем распоряжении водопроводный кран и раковина, куда можно выливать воду.

Решение. Перечислим все возможные операции, которые могут быть использованы нами, и введем для них следующие сокращенные обозначения: НБ — наполнить больший сосуд водой из-под крана; НМ — наполнить меньший сосуд водой из-под крана; ОБ — опорожнить больший сосуд, вылив воду в раковину; ОМ — опорожнить меньший сосуд, вылив воду в раковину; Б→М — перелить из большего в меньший, пока больший сосуд не опустеет или меньший сосуд не наполнится; М→Б — перелить из меньшего в больший, пока меньший сосуд не опустеет или больший сосуд не наполнится. Выделим среди перечисленных команд только три: НБ, Б→М, ОМ. Кроме этих трех команд рассмотрим еще две вспомогательные команды: Б = 0 ? — посмотреть, пуст ли больший сосуд;
М = З? — посмотреть, наполнен ли малый сосуд.

В зависимости от результатов этого осмотра мы переходим к выполнению следующей команды по одному из двух ключей - "да" или "нет". Такие команды в программировании принято называть командами "условного перехода" и изображать в блок-схемах в виде ромбика с двумя ключами-выходами.

Договоримся теперь о последовательности выполнения выделенных команд. После Б→М будем выполнять ОМ всякий раз, как меньший сосуд оказывается наполненным, и НБ всякий раз, как больший сосуд будет опорожнен. Последовательность команд изобразим в виде блок-схемы. Начнем выполнение программы. Будем фиксировать, как меняется количество воды в сосудах, если действовать по приведенной схеме. Результаты оформим в виде таблицы (Табл. 6):

Б	0	5	2	2	0	5	4	4	1	1	0	5	3	3	0	0
М	0	0	3	0	2	2	3	0	3	0	1	1	3	0	3	0
Табл. 6

Дальше эта последовательность будет полностью повторяться. Из таблицы видим, что количество воды в обоих сосудах вместе образует следующую последовательность: 0, 5, 2, 7, 4, 1, 6, 3, 0 и т. д. Таким образом, действуя по приведенной схеме, можно отмерить любое количество литров от 1 до 7. Чтобы отмерить еще и 8 литров, надо наполнить оба сосуда.

Пример 1.10. Среди четырех монет одна фальшивая. Она отличается массой, однако неизвестно, легче она или тяжелее. Масса настоящей монеты 5 г. Как при помощи двух взвешиваний на чашечных весах обнаружить фальшивую монету, если имеется одна гиря массой 5 г? Можно ли при этих условиях опознать, легче фальшивая монета или тяжелее?

Решение. Пусть m1, m2, m3, m4 – массы четырех монет соответственно, Г - масса гири. Оформим решение в виде блок-схемы (Схема 2.). Приведенная схема задает программу, осуществление которой позволяет установить фальшивую монету и определить, легче она или тяжелее. Взвешиваниям в блок-схеме соответствуют прямоугольники - операторы условного перехода. В схеме выделены первое и второе взвешивания горизонтальными линиями.

Прокомментируем для примера ход рассуждений, двигаясь лишь по одной ветви блок-схемы. Итак, первое взвешивание: пусть m1 + m2 < m3 + + Г. Это означает, что фальшивая монета находится среди первых трех монет, и, следовательно, четвертая монета истинная, то есть m4 = 5.

Схема 2.

Второе взвешивание: пусть m1+m3 > m4+Г. Тогда фальшивая монета тяжелее (так как m4+Г - вес двух истинных монет) и это либо первая, либо третья монета. Но показания весов при первом взвешивании (m1+m2 < m3+Г) позволяют нам сделать вывод, что более тяжелой является третья монета. Если бы показания весов при втором взвешивании были противоположными, то фальшивая монета должна бы быть более легкой, а, стало быть, это была первая монета. Наконец, если при втором взвешивании весы будут в равновесии, то и третья и первая монеты не могут быть фальшивыми. Следовательно, фальшивой является вторая монета и вес ее меньше 5 грамм.

Ответ. Фальшивой является вторая монета и вес ее меньше 5 грамм.

Метод бильярда

Надеемся, что Вам известна игра бильярд за прямоугольным столом с лузами. Подобно тому, как азартная игра в кости вызвала к жизни "исчисление" вероятностей, игра в бильярд послужила предметом серьезных научных исследований по механике и математике. Представьте себе горизонтальный бильярдный стол произвольной формы, но без луз. По этому столу без трения движется точечный шар, абсолютно упруго отражаясь от бортов стола. Спрашивается, какой может быть траектория этого шарика? Поиски ответа на этот вопрос и послужили появлению теории математического бильярда или теории траекторий.

Идея метода: нарисовать макет бильярдного стола и интерпретировать действия движениями бильярдного шара, фиксировать состояния в отдельной таблице.

Рассмотренные ранее, задачи на переливание жидкостей можно очень легко решать, вычерчивая бильярдную траекторию шара, отражающегося от бортов стола, имеющего форму параллелограмма. Рассмотрим туже задачу, что и в предыдущем разделе (Метод блок-схем).

Пример 1.11. Имеются два сосуда — трехлитровый и пятилитровый. Нужно, пользуясь этими сосудами, получить 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 литров воды. В нашем распоряжении водопроводный кран и раковина, куда можно выливать воду.

Решение. В рассматриваемой задаче стороны параллелограмма должны иметь длины 3 и 5 единиц. По горизонтали будем откладывать количество воды в литрах в 5-литровом сосуде, а по вертикали – в 3-литровом сосуде. На всем параллелограмме нанесена сетка из одинаковых равносторонних треугольников (Рис.7).

Рис. 7

Бильярдный шар может перемещаться только вдоль прямых, образующих сетку на параллелограмме. После удара о стороны параллелограмма шар отражается и продолжает движение вдоль выходящего из точки борта, где произошло соударение. При этом каждая точка параллелограмма, в которой происходит соударение, полностью характеризует, сколько воды находится в каждом из сосудов.

Пусть шар находится в левом нижнем углу и после удара начнет перемещаться вверх вдоль левой боковой стороны параллелограмма до тех пор, пока не достигнет верхней стороны в точке А. Это означает, что мы полностью наполнили водой малый сосуд. Отразившись упруго, шар покатится вправо вниз и ударится о нижний борт в точке В, координаты которой 3 по горизонтали и 0 по вертикали. Это означает, что в большом сосуде 3 литра воды, а в малом сосуде воды нет, то есть мы перелили воду из малого сосуда в большой сосуд.

Прослеживая дальнейший путь шара и записывая все этапы его движения в виде отдельной таблицы (Табл.7), в конце концов, мы попадаем в точку Н, которая соответствует состоянию, когда малый сосуд пуст, а в большом сосуде 4 литра воды. Таким образом, получен ответ и указана последовательность переливаний, позволяющих отмерить 4 литра воды. Все 8 переливаний изображены схематически в таблице.

	О	А	В						Н
М (3 литра)	0	3	0	3	1	1	0	3	0
Б (5 литров)	0	0	3	3	5	0	1	1	4
Табл. 7

Является ли это решение самым коротким? Нет, существует второй путь, когда воду сначала наливают в пятилитровый сосуд. Если на диаграмме шар из точки О покатится вправо по нижней стороне параллелограмма и затем, отразившись от правой боковой стороны, в точку 2 на верхней стороне параллелограмма и т. д., то получим более короткое решение задачи. Можно показать, что полученное решение с 6 переливаниями уже является самым коротким.

Метод кругов Эйлера

Этот метод даёт ещё более наглядное представление о возможном способе изображения условий, зависимости, отношений в логических задачах.

Один из величайших математиков петербургский академик Леонард Эйлер за свою долгую жизнь (он родился в 1707 г., а умер в 1783 г.) написал более 850 научных работ. В одной из них и появились эти круги. Эйлер писал тогда, что «они очень подходят для того, чтобы облегчить наши размышления». Наряду с кругами в подобных задачах применяют прямоугольники и другие фигуры.

Пример 1.12. Часть жителей города умеет говорить только по-русски, часть – только по-узбекски и часть умеет говорить на обоих языках. По-узбекски говорят 85%, по-русски 75%. Сколько процентов жителей говорят на обоих языках?

Решение. Составим схему.

В кружке под буквой «У» обозначим жителей, говорящих по-узбекски, под буквой «Р» - по-русски. В общей части кружков обозначим жителей, говорящих на обоих языках. Теперь от всех жителей (100%) отнимем кружок «У» (85%), получим жителей, говорящих только по-русски (15%). А теперь от всех, говорящих по-русски (75%), отнимем эти 15%. Получим говорящих на обоих языках (60%).

Ответ. 60%.

Пример 1.13. В трёх седьмых классах 70 ребят. Из них 27 занимаются в драмкружке, 32 поют в хоре, 22 увлекаются спортом. В драмкружке 10 ребят из хора, в хоре 6 спортсменов, в драмкружке 8 спортсменов; 3 спортсмена посещают и драмкружок и хор. Сколько ребят не поют в хоре, не увлекаются спортом и не занимаются в драмкружке? Сколько ребят заняты только спортом?

Решение. Д - драмкружок; Х - хор; С - спорт. В круге Д - 27 ребят, в круге Х - 32 человека, в круге С - 22 ученика. Те 10 ребят из драмкружка, которые поют в хоре, окажутся в общей части кругов Д и X. Трое из них ещё и спортсмены, они окажутся в общей части всех трёх кругов. Остальные семеро спортом не увлекаются. Аналогично, 8-3=5 спортсменов, не поющих в хоре и 6-3=3, не посещающих драмкружок. Легко видеть, что 5+3+3=11 спортсменов посещают хор или драмкружок, 22-(5+3+3)=11 заняты только спортом; 70-(11+12+19+7+3+3+5)=10 - не поют в хоре, не занимаются в драмкружке, не увлекаются спортом.

Ответ: 10 человек.

2. Комбинаторика

Общие правила комбинаторики

Решение многих комбинаторных задач основывается на двух фундаментальных правилах, называемых правилом суммы и правилом произведения. Прежде всего определимся в терминологии. Если имеется, к примеру, 5 шаров в ящике, то мы будем говорить, что один шар из ящика можно выбрать пятью способами.

Правило суммы. Если объект А можно выбрать n способами, а объект В - k способами, то объект "А или В" можно выбрать n+k способами.

Пример 2.1.В ящике находятся 20 шаров: 5 белых, 6 черных, 7 синих и 2 красных. Сколькими способами можно взять из ящика один цветной шар?

Решение. Здесь предполагается, что цветной шар - это синий или красный, поэтому надо применять правило суммы. Цветной шар можно выбрать 7 + 2 = 9 способами.

Правило произведения. Если объект А можно выбрать n способами, а объект В независимо от него - k способами, то пару объектов "А и В" можно выбрать n·k способами.

Пример 2.2. Сколько может быть различных комбинаций выпавших граней при бросании двух игральных костей? (Игральная кость - это кубик, на гранях которого нанесены числа 1, 2, 3, 4, 5, 6 )

Решение. На первой кости может выпасть 1, 2, 3, 4, 5 или 6 очков, то есть всего будет 6 вариантов. Точно так же и на второй кости 6 вариантов. По получится всего 6 · 6 = 36 способов. Правила суммы и произведения справедливы не только для двух, но и для любого числа объектов. Приведем еще несколько примеров, в которых необходимо выбрать правило суммы или произведения.

Пример 2.3.Из города А в город В ведут 5 дорог, а из города В в город С - 3 дороги. Сколькими способами можно проехать из города А в город С?

Решение. Чтобы проехать из А в С, надо проехать из А в В и из В в С, поэтому применим правило произведения. 5 · 3 = 15.

Пример 2.4. На книжной полке стоят 3 книги по алгебре, 4 книги по геометрии и 5 книг по литературе. Сколькими способами можно взять с полки одну книгу по математике?

Решение. Книга по математике - это книга по алгебре или по геометрии. Применяем правило суммы. 3 + 4 = 7.

Пример 2.5. В меню имеется 4 первых блюда, 3 вторых и 2 третьих. Сколько различных полных обедов можно из них составить?

Решение. Полный обед состоит из первого, и второго, и третьего блюд. По правилу произведения получаем 4 · 3 · 2 = 24 различных полных обеда.

Размещения

Если из данного множества предметов мы будем выбирать некоторое подмножество, то его будем называть выборкой. Выборки бывают упорядоченные и неупорядоченные. В упорядоченной выборке существенен порядок, в котором следуют ее элементы, другими словами, изменив порядок элементов, мы получим другую выборку. Например, из цифр 1, 2, 3, 4, 5 составляем трехзначные числа 123, 431, 524, ...и т. д. Это упорядоченные трехэлементные выборки, ведь 123 и 132 - разные числа. Другой пример: из 20 учащихся класса будем выбирать двух дежурных. Любая пара дежурных представляет собой неупорядоченную двухэлементную выборку, так как порядок их выбора не важен.

Определение. Размещениями из n элементов по m (m n) называются упорядоченные m - элементные выборки из данных n элементов.

Из определения следует, что размещения отличаются друг от друга либо самими элементами, либо их порядком.

Число размещений из n по m обозначается Чтобы вывести формулу числа размещений, заметим, что первый элемент в выборку мы можем выбрать n способами, второй из оставшихся n-1 элементов (n-1) способами, третий - (n-2) способами и так далее, m-й элемент можно выбрать n-(m-1) = n-m+1 способами. По правилу произведения получим:

 (1)

Это и есть формула для вычисления числа размещений. Найдем, например, число размещений из 7 по 3. Здесь n = 7, n - m +1 =5. Значит,

Заметим, что верхний индекс 3 показывает, сколько сомножителей надо взять в произведение. Приведем еще несколько примеров:

Пример 2.6. Составить все из трех букв А, В, С по две буквы.

Решение. Это будут: АВ, АС, ВС, ВА, СА, СВ. Проверим по формуле: Их действительно 6 штук. Отметим, что АВ и ВА - разные размещения.

Пример 2.7. На пяти карточках написаны числа 1, 2, 3, 4, 5. Сколько различных трехзначных чисел можно из них составить?

Решение. Трехзначные числа представляют собой трехэлементные выборки из пяти цифр, причем, выборки упорядоченные, поскольку порядок цифр в числе существенен. Значит, этих чисел будет столько, сколько существует из пяти элементов по 3.

Ответ: 60 чисел.

Часто формулы комбинаторики записывают с помощью факториалов. Произведение всех последовательных натуральных чисел от 1 до n обозначается n! (читается: эн-факториал).

n! = 1 · 2 · 3 · ... · n.

Эту Формулу можно теперь преобразовать следующим образом. Умножим и разделим правую часть этой формулы на выражение

(n-m)! = 1 · 2 · 3 · ... ·(n-m).

Тогда получится:

(2)

вычислим например, по этой формуле:

Мы видим, что здесь приходится еще сокращать дробь, поэтому для вычисления числа с конкретными значениями m и n первая формула предпочтительнее. Условились считать, что 0! =1.

Перестановки

Определение. Перестановками из n элементов называются размещения из n элементов по n.

Из определения следует, что в данном случае в упорядоченную выборку входят все n элементов и отличаться выборки могут только порядком. Поэтому все перестановки имеют один и тот же состав и отличаются только порядком элементов. Число перестановок из n элементов обозначается Рn. Подставляя в формулу (1) или (2) m = n, получим формулу для вычисления числа перестановок из n элементов:

 (3)

Приведем несколько примеров использования этой формулы.

Р5 = 5! = 1· 2 ·3 · 4 ·5 = 120; Р2 = 2! = 1· 2 = 2; Р1 = 1! = 1.

Рассмотрим басню Ивана Крылова «Квартет»:

Проказница Мартышка, Осёл, Козёл

Да косолапый Мишка

Затеяли сыграть Квартет.

…………………………………………

Ударили в смычки, дерут, а толку нет.

«Стой, братцы, стой! – кричит Мартышка.-

Погодите!

Как музыке идти? Ведь вы не так сидите».

В содержании басни можно легко рассмотреть задачу комбинаторики: Сколькими различными способами могут сесть музыканты?»: Первое место может занять любой из четырёх зверей, второе - любой из трёх других, третье - любой из двух оставшихся, ну а четвёртое место займёт единственный оставшийся зверь, после того как три первых места заняли.

Значит, если применить правило произведения, то получим, что число перестановок из четырёх элементов (четырёх зверей) равно

Р4 = 4! = 4 * 3 * 2 * 1 = 24

Пример 2.8. Составить все размещения из трех букв А, В, С.

Решение. АВС, АСВ, ВАС, ВСА, СВА, САВ. Проверим по формуле:

Р3 = 1·2·3 = 6.

Пример 2.9. Сколькими способами можно расставить 7 книг на книжной полке? Решение. Каждая расстановка будет отличаться от другой порядком следования книг. Поэтому это будут перестановки из семи элементов.