Математичні парадокси

Словник / Комбінаторика

Словник · комбінаторика

Чи бачив хтось колись такий самий порядок карт?

Візьміть звичайну колоду з 52 карт і добре її перетасуйте. Колодами грають сотні років, мільйони людей щодня, тож здається, що всі порядки давно перебрали. Насправді ваш порядок майже напевно новий: його ще ніхто й ніколи не тримав у руках. Комбінаторика — це вміння рахувати, скількома способами можна щось розкласти чи вибрати, не перебираючи всі способи по одному.

На пальцяхкартинки, аналогії, маленькі числа

Шар «На пальцях» приховано на всіх задачах.

Парадокс перетасованої колоди

Почніть з маленької колоди й додавайте карти повзунком. Під картами — скільки існує різних порядків, і скільки часу пішло б, щоб перебрати їх усі, викладаючи по одному порядку щосекунди. Скільки карт треба, щоб на це не вистачило віку Всесвіту?

Різних порядків–
Перебрати всі, по одному щосекунди–

Скільки карт треба, щоб перебирати порядки довше, ніж:

    Ваш порядок ніхто не бачив

    Для повної колоди порядків приблизно 8 · 1067: вісімка і ще 67 цифр. Уявіть, що всі 8 мільярдів людей тасують колоду щосекунди, і почали ще у Великому вибуху, 13,8 мільярда років тому. Разом вийде близько 3,5 · 1027 перетасовок. Це лише частка 4 · 10−41 від усіх можливих порядків, тобто нічого. Для порівняння: атомів у всій Землі за оцінками фізиків близько 1050, а порядків колоди ще в сотні мільйонів мільярдів разів більше.

    Секрет у множенні. Кожна нова карта не додає порядків, а множить їх: її можна вставити в будь-яке місце вже наявного ряду. Сьома карта множить на 7, двадцята — на 20, п'ятдесят друга — на 52.

    Строготаблиці, графіки, формули

    Шар «Строго» приховано на всіх задачах.

    Перестановки: n!

    Перестановка — це один зі способів вишикувати n різних предметів у ряд. На перше місце можна поставити будь-який з n, на друге — будь-який з решти n − 1, і так далі до останнього. Число способів позначають n! і читають «n факторіал».

    n! = n · (n − 1) · … · 2 · 1 · 3! = 3 · 2 · 1 = 6 · 4! = 24 · 10! = 3 628 800

      Сполучення: вибрати k з n

      Часто порядок не важить: важить лише, які саме предмети вибрано. Скільки існує способів вибрати k предметів з n, позначають C(n, k) і читають «сполучення з n по k» (в англійській — «n choose k»).

      Приклад: лотерея «6 з 49»

      Спершу рахуємо так, ніби порядок важить: першу кульку можна вибрати 49 способами, другу 48, і так до шостої.

      49 · 48 · 47 · 46 · 45 · 44 = 10 068 347 520 упорядкованих виборів

      Але кожен квиток — це набір з шести чисел, а одні й ті самі шість чисел можна витягнути в 6! = 720 різних порядках. Тож ділимо:

      C(49, 6) = 10 068 347 520 / 720 = 13 983 816 різних квитків

      Шанс угадати всі шість одним квитком — один на майже 14 мільйонів.

      Порахуйте самі

      Порядок важить–
      Порядок не важить: C(n, k)–

      Трикутник Паскаля

      Усі C(n, k) зручно скласти в трикутник: у рядку n стоять C(n, 0), C(n, 1), … C(n, n). Краї завжди одиниці, а кожне число всередині дорівнює сумі двох над ним. Натисніть на будь-яке число.

      –

      Коли порядок важить, а коли ні

      • П'єдестал — порядок важить8 бігунів, золото, срібло й бронза: 8 · 7 · 6 = 336 варіантів. Хто третій, а хто перший — різні результати.
      • Команда — порядок не важитьВибрати трьох з тих самих восьми в команду: C(8, 3) = 336 / 3! = 56. Ушестеро менше, бо кожну трійку можна вишикувати 6 способами.
      • Рука в покері — набірП'ять карт з 52, і не важить, у якому порядку їх роздали: C(52, 5) = 2 598 960 різних рук.
      • Повтори — окрема історіяУ PIN-коді цифри можуть повторюватися, тож це не перестановка і не сполучення: 10 · 10 · 10 · 10 = 10 000 кодів.
      • Питайте себе: «А якщо переставити?»Якщо від перестановки двох вибраних предметів результат змінюється — рахуйте з порядком. Якщо ні — діліть на k!.
      Глибшеузагальнення, теорія, історія

      Шар «Глибше» приховано на всіх задачах.

      Звідки формула сполучень

      Упорядкованих виборів k предметів з n стільки: n · (n − 1) · … · (n − k + 1). Цей добуток — це n!, у якому відкинули хвіст (n − k)!. Кожен невпорядкований набір з k предметів потрапив сюди рівно k! разів, по разу на кожне його впорядкування. Тож ділимо ще на k!:

      n · (n − 1) · … · (n − k + 1) = n! / (n − k)! ⇒ C(n, k) = n! / (k! · (n − k)!)

      Звідси одразу видно симетрію C(n, k) = C(n, n − k): вибрати 6 кульок з 49 — те саме, що вибрати 43, які не потрапили в квиток. Тому трикутник Паскаля симетричний.

      Чому кожне число — сума двох над ним

      C(n, k) = C(n − 1, k − 1) + C(n − 1, k)

      Позначте один предмет з n, скажімо туза пік. Усі набори з k предметів діляться на дві купки, що не перетинаються. Або туз у наборі: тоді решту k − 1 предметів вибираємо з n − 1, це C(n − 1, k − 1) способів. Або туза в наборі немає: тоді всі k вибираємо з n − 1, це C(n − 1, k). Разом — усі набори, кожен рівно один раз.

      –

      Те саме міркування пояснює, чому сума рядка n дорівнює 2n: кожен предмет або беруть, або ні, тож усіх наборів будь-якого розміру 2 · 2 · … · 2.

      Формула Стірлінга: n! без множення

      n! ≈ √(2πn) · (n / e)n

      Множити 52 числа довго, а Джеймс Стірлінг ще в 1730 році знайшов короткий шлях. Для двадцяти формула помиляється менш ніж на пів відсотка, і що більше n, то точніше: відносна похибка близько 1 / (12n). Порівняйте з точним значенням.

      Точно n!–
      За Стірлінгом–
      Похибка–
      Оцінка 1 / (12n)–

      Звідки тут π і e? Логарифм факторіала — це сума ln 1 + ln 2 + … + ln n, а сума майже дорівнює площі під кривою ln x, тобто приблизно n ln n − n. Звідси множник (n / e)n. Корінь √(2πn) — тонша поправка, і π у ній береться з того самого інтеграла, що дає площу під кривою Гаусса нормального розподілу.

      Де це трапляється

      Інші терміни