c组合数学计算

ACM暑期集训 组合数学（1） 数论

1 约数和倍数

设 a，b为整数，a≠0.

若有一整数c，使得 b = ac，则称 a是b的因数 或称a是b的约数 称b为是a的倍数

并称a整除b，记为a|b

整数的整除性有下列基本性质： ① 1|a ② a|0 ③ a|a

④ 若a|b且b|c，则a|c.

⑤ 若a|b，则对任意整数m，有am|bm ⑥ 若ac|bc且c≠0，则a|b

⑦ 若a|b且a|c，有 a|(b+c) 整数的表示法：

带余形式 b=aq+r 0≤r<|a|

十进制表示形式 b?ann?1n10?an?110????a0

标准分解式 b?pa1aan1p22??pn 2的乘方与奇数之积式 b?2mt(t为奇数)

2 最大公约数和最小公倍数 最大公约数GCD(a,b)

若GCD(a,b)=1，称a与b互素。 最小公倍数LCM(a,b)

ab = GCD(a,b)×LCM(a,b)

辗转相除法（Euclid算法）

如果m除以n的商是q，余数是r，即 m=nq+r，则 GCD(m,n)=GCD(n,r) int gcd(int a,int b) int GCD(in

第十一讲 Burnside 引理与 Polya 定理

§1 (置换群基本概念) (本页） §2 (Burnside 引理与循环指标) §3 (Burnside 引理的应用) §4 (Polya 定理及其应用)

Redfield-Polya 定理是组合数学理论中最重要的定理之一．自从 1927 年 Redfield 首次运用 group reduction function 概念，现在称之为群的循环指标（circle index of a group），至今 60 多年来，他在许多实际计数问题上得到了广泛的应用，它以置换群为理论基础，与生成函数有机地结合在一起，揭示了一类具有组合意义的计数的规律性．

抽象地说在一集合内，定义了一个等价关系，人们往往关心由这个等价关系所决定的等价类的数目，Refield-Polya 理论就是为解决这类问题而发展起来的复杂计数理论．

为了帮助读者理解，本章例举了较多的实例． §1 置换群的基本概念

设有限集合 换 是从 到自身上的

，集合中的元素称为“点”．集合 上的一个置对应的映射：

设 是集合 上的另一个置换，置换 与 的乘积定义为复合映射：

例 1 设 上的二个置换：

求乘积

第二章作业答案

7. 证明，对任意给定的52个整数，存在两个整数，要么两者的和能被100整除，要么两者的差能被100整除。

证明 用100分别除这52个整数，得到的余数必为0, 1,?, 99这100个数之一。将余数是0的数分为一组，余数是1和99的数分为一组，?，余数是49和51的数分为一组，将余数是50的数分为一组。这样，将这52个整数分成了51组。由鸽巢原理知道，存在两个整数分在了同一组，设它们是a和b。若a和b被100除余数相同，则a?b能被100整除。若a和b被100除余数之和是100，则a?b能被100整除。

11. 一个学生有37天用来准备考试。根据过去的经验，她知道她需要不超过60小时的学习时间。她还希望每天至少学习1小时。证明，无论她如何安排她的学习时间（不过，每天都是整数个小时），都存在连续的若干天，在此期间她恰好学习了13小时。 证明 设从第一天到第i天她共学习了ai小时。因为她每天至少学习1小时，所以

a1,a2,?,a37和a1?13,a2?13,?,a37?13都是严格单调递增序列。因为总的学习时间

不超过

60

小时，所以a37?60，a37?13?73。a1,a2,?,a37,

a1?13,a2?13,?,a37?

卢开澄组合数学--

§3.1 容斥原理引论第三章 容斥原理和鸽巢原理 §1 容斥原理引论例 [1,20]中2或3的倍数的个数 [解] 2的倍数是：2,4,6,8,10, 12,14,16,18,20。 10个

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§3.2 容斥原理3的倍数是：3,6,9,12,15, 18。 6个 但答案不是10+6=16 个，因为6, 12,18在两类中重复计数，应减 去。故答案是：16-3=13

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§3.2 容斥原理容斥原理研究有限集合的交或并 的计数。 [DeMorgan定理] 论域U,补集 AA {x | x U 且x A} ,有

(a)

A B A B

(b) A B A B

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§3.2 容斥原理证：(a)的证明。 设 x A B ,则 x A B x A B 相当于 x A和 x B 同时成立，亦即x A B x A B

(1)

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§3.2 容斥原理反之，若 x A B,即x A和x B

故 x A和x B.亦即x A B x A B

习题二

2.1 证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。 证明：

假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设至少有两人谁都不认识，则认识的人数为0的至少有两人。

2.2 任取11个整数，求证其中至少有两个数的差是10的整数倍。

证明：对于任意的一个整数，它除以10的余数只能有10种情况：0，1，…，9。现在有11个整数，由鸽巢原理知，至少有2个整数的余数相同，则这两个整数的差必是10的整数倍。 2.3 证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。 2.3证明：

有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为 奇数+奇数 = 偶数 ； 偶数+偶数=偶

填空题

1．将5封信投入3个邮筒，有_____243 _种不同的投法．

2．5个男孩和4个女孩站成一排。如果没有两个女孩相邻，有 43200 方法．

3．22件产品中有2件次品，任取3件，恰有一件次品方式数为__ 380 ______． 4．(x?y)6所有项的系数和是_64_ _．答案：64 5．不定方程x1?x2?x3?2的非负整数解的个数为_ 6 ___．

6．由初始条件f(0)?1,f(1)?1及递推关系f(n?2)?f(n?1)?f(n)确定的数列

{f(n)}(n?0)叫做Fibonacci数列

7．（3x-2y）20 的展开式中x10y10的系数是

c1020310(?2)10．

8．求6的4拆分数P4(6)? 2 ．

?5,f(5)?，试求89．已知在Fibonacci数列中，已知f(3)?3,f(4)Fibonacci数f(20)?10946

10．计算P4(12)?

P4(12)??Pk(12)?P1(8)?P2(8)?P3(8)?P4(8)k?14?P1(8)?P2(8)??Pk(5)??Pk(4)?1?4?5?5?15

k?1k?13411

习题二 证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。证明： 假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。 假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。假设至少有两人谁都不认识，则认识的人数为0的至少有两人。

任取11个整数，求证其中至少有两个数的差是10的整数倍。证明：对于任意的一个整数，它除以10的余数只能有10种情况：0，1，…，9。现在有11个整数，由鸽巢原理知，至少有2个整数的余数相同，则这两个整数的差必是10的整数倍。证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。2.3证明：有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为 奇数+奇数 = 偶数 ； 偶数+偶数=偶数。因此只需找以上2个情况相同的点。而已证明：

习题二

2.1 证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。 证明：

假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设至少有两人谁都不认识，则认识的人数为0的至少有两人。

2.2 任取11个整数，求证其中至少有两个数的差是10的整数倍。

证明：对于任意的一个整数，它除以10的余数只能有10种情况：0，1，…，9。现在有11个整数，由鸽巢原理知，至少有2个整数的余数相同，则这两个整数的差必是10的整数倍。 2.3 证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。 2.3证明：

有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为 奇数+奇数 = 偶数 ； 偶数+偶数=偶

习题二

2.1 证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。 证明：

假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。

假设至少有两人谁都不认识，则认识的人数为0的至少有两人。

2.2 任取11个整数，求证其中至少有两个数的差是10的整数倍。

证明：对于任意的一个整数，它除以10的余数只能有10种情况：0，1，…，9。现在有11个整数，由鸽巢原理知，至少有2个整数的余数相同，则这两个整数的差必是10的整数倍。 2.3 证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。 2.3证明：

有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为 奇数+奇数 = 偶数 ； 偶数+偶数=偶

1．1） 在边长为1的等边三角形内任意放10个点，证明一定存在

两个点，其距离不大于1/3。 证：如图所示：

在三角形的边上加两个点等分每条边，把大三角形分别9个边长为1/3的小三角形。由鸽巣原理：10个点中一定存在两个点落于同一个小三角形，其距离不大于1/3。

2）在边长为1的三角形内放mn个点，则把三角形分割成n-1个小三角形。

由鸽巣原理可知：mn个点必有两点落于同一个小三角形内，则其距离不大于1/n.

2．证：a1,a2……am m个数，i=1,2…..m. 设 ai?miq?ri 0≤ri≤m-1

当ri=0时，存在一个整数可以被m整除。

当ri从1…..m-1这m-1个中取值，那么m个ri中只有m-1种可能，则鸽巣原理可知：必存在j和k，使得rj?rk,j>k,即有

a?ajk?m(q?q)

jk 3.证：

∵有理数可由整数和分数组成。

∴当为整数时，存在以0为循环的循环小数。

∴当为分数时，若分数是有限的循环小数，则存在以0为循

环的循环小数。

∴若分数是无限循环的循环小数，则肯定存在某一位后以某一位为循环的循环小数。

4．证：

设全部由7组成的N+1个数，7，77，777，……,7777。。。。77（N+1个7）