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【しっかり学ぶ組合せ論のエッセンス】数え上げの基礎

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箱星
著者
箱星
のんびり暮らしたい。

まずは数え上げの基礎を扱います。

次の 2 つの公式が基本となります。

命題(和の公式)
A,BA, B を共通部分が空集合であるような有限集合とする。このとき ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣|A \cup B|=|A|+|B| が成り立つ。
命題(積の公式)
有限集合 A,BA,B に対して、A×B={(a,b)∣a∈A,b∈B}A\times B=\{(a,b)\mid a\in A, b\in B\} とおく。このとき、∣A×B∣=∣A∣×∣B∣|A\times B|=|A|\times |B| が成り立つ。

ほぼ自明なので証明は見なくてもよいですが、「しっかり学ぶ組合せ論のエッセンス」ということで証明を載せます。

まず集合 AA の要素数が nn ということは、AA と集合 {1,2,…,n}\{1,2,\ldots,n\} の間に全単射が存在するということです。ここで写像 f ⁣:X→Yf\colon X \to Y が全単射であるとは、ある写像 g ⁣:Y→Xg\colon Y\to X が存在して

  • g(f(x))=xg(f(x))=x がすべての x∈Xx \in X について成り立つ。
  • f(g(y))=yf(g(y))=y がすべての y∈Yy \in Y について成り立つ。

をみたすことです。この写像 gg を ff の逆写像といいます。

和の公式の証明
∣A∣=m,∣B∣=n|A|=m, |B|=n とする。AA と {1,2,…,m}\{1,2,\ldots,m\} の間に全単射が存在するので、これにより i (1≤i≤m)i \ (1\le i\le m) と対応する AA の元を aia_i と書く。同様に BB の元 bi (1≤i≤n)b_i \ (1\le i\le n) を定める。A∪BA\cup B と {1,2,…,m+n}\{1,2,\ldots,m+n\} の間に全単射を構成する。x∈A∪Bx \in A\cup B に対して、x=aix=a_i のとき ii を対応させ、x=bix=b_i のとき i+mi+m を対応させる。逆に、整数 i (1≤i≤m+n)i \ (1\le i\le m+n) に対して、1≤i≤m1\le i\le m ならば aia_i を対応させ、m+1≤i≤m+nm+1\le i\le m+n ならば bi−mb_{i-m} を対応させる。これらは互いに逆写像の関係なので全単射である。よって ∣A∪B∣=m+n|A\cup B|=m+n である。
積の公式の証明
∣A∣=m,∣B∣=n|A|=m,|B|=n とし、上と同様に A={a1,…,am},B={b1,…,bn}A=\{a_1,\ldots,a_m\}, B=\{b_1,\ldots,b_n\} とする。A×BA\times B と {1,2,…,mn}\{1,2,\ldots,mn\} の間に全単射を構成する。(ai,bj)(a_i,b_j) に対し、(i−1)n+j(i-1)n+j を対応させる。整数 k (1≤k≤mn)k \ (1\le k \le mn) に対して k=(i−1)n+jk=(i-1)n+j をみたす整数 i,j (1≤i≤m,1≤j≤n)i,j \ (1\le i\le m, 1\le j\le n) がただ 1 組存在するので、逆写像も構成できる。よって 2 つの集合の間に全単射が存在するので、∣A×B∣=mn|A\times B|=mn である。