Anar al contingut

Principi d'inclusió-exclusió

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

En combinatòria, el principi d'inclusió-exclusió (conegut també com a principi del garbell) permet calcular el cardinal de l'unió de varis conjunts, per mig dels cardinals de cada u d'ells i totes els seus possibles interseccions.

Si A1, ..., An són conjunts finitos llavors:

|⋃i=1nAi|=∑i=1n|Ai|−∑i,j:1≤i<j≤n|Ai∩Aj|+∑i,j,k:1≤i<j<k≤n|Ai∩Aj∩Ak|− ⋯ +(−1)n+1|A1∩⋯∩An|

a on |A| denota el cardinal de A.

Una escritura més rigorosa pero menys llegible és:

|⋃i=1nAi|=∑k=1n(−1)k+1|∩Ai|i∈I⊆[1;n]|I|=k
Inclusió-exclusió per a tres conjunts.

Prenent n=2 tenim un cas de doble conteo, podem trobar el tamany de l'unió de dos conjunts A i B sumant |A| i |B| i restant el tamany de la seua intersecció. El nom prové de l'idea en la que el principi es basa: una molt generosa inclusió seguida d'una compensadora exclusió. Si n>2 l'exclusió de les parelles d'interseccions és (tal volta) massa rigorosa i la fòrmula correcta és com es mostra, en signes alternats.

Esta fòrmula s'atribuïx a Abraham de Moivre encara que a voltes li l'associa en Joseph Sylvester o Henri Poincaré.

El gràfic de la dreta ilustra el cas de tres conjunts A, B i C. Pero no es pot utilisar en certes voltes.

El principi d'inclusió-exclusió en provabilitat

En provabilitat, per a successos A1, ..., An en un espai provabilístic (Ω,ℱ,ℙ), el principi d'inclusió-exclusió per a n = 2 pren la forma:

ℙ(A1∪A2)=ℙ(A1)+ℙ(A2)−ℙ(A1∩A2),

per a n = 3

ℙ(A1∪A2∪A3)=ℙ(A1)+ℙ(A2)+ℙ(A3)−ℙ(A1∩A2)−ℙ(A1∩A3)−ℙ(A2∩A3)+ℙ(A1∩A2∩A3)

I en general

ℙ(⋃i=1nAi)=∑i=1nℙ(Ai)−∑i,j:i<jℙ(Ai∩Aj)+∑i,j,k:i<j<kℙ(Ai∩Aj∩Ak)− ⋯ +(−1)n−1ℙ(⋂i=1nAi),

Que pot escriure's més concisamente com:

ℙ(⋃i=1nAi)=∑k=1n(−1)k−1∑I⊂{1,…,n}|I|=kℙ(AI),

A on l'última suma recorre els subconjunts I d'índexs 1, ..., n que contenen exactament k elements i

AI:=⋂i∈IAi

Denota l'intersecció de tots els Ai en índexs en I.

El principi també es verifica per a un espai general de mida (S,Σ,μ) i subconjunts mesurables A1, ..., An de mida finita sense més que reemplaçar ℙ per μ.

Cas especial

En la versió provabilística del principi d'inclusió-exclusió, si la provabilitat de l'intersecció AI solament depén del cardinal de I, és dir, que per a cada k de {1, ..., n} hi ha un ak tal que

ak=ℙ(AI)para todoI⊂{1,…,n}tal que|I|=k,

Llavors la fòrmula anterior se simplifica:

ℙ(⋃i=1nAi)=∑k=1n(−1)k−1(nk)ak

De manera similar, si els conjunts finitos A1, ..., An formen una família en interseccions regulars, és dir, tals que per a cada k de {1, ..., n} l'intersecció

AI:=⋂i∈IAi

té el mateix cardinal, llavors podem definir ak=|AI| per a |I|=k i

|⋃i=1nAi|=∑k=1n(−1)k−1(nk)ak.

Una anàloga simplificació pot fer-se en el cas d'un espai general de mida (S,Σ,μ) i subconjunts mesurables A1, ..., An de mida finita.

Referències

  • Matoušek, Jiří; Nešetřil, {{{nom2}}} (2008). Invitació a la matemàtica discreta, Reverte. ISBN 9788429151800.