Комбинаторика

Комбинато́рика (Комбинаторный анализ) в раздел математики, изучающий дискретные объекты, множества (сочетания, перестановки, размещения и перечисления элементов) и отношения на них (например, частичного порядка). Комбинаторика связана со многими другими областями математики в алгеброй, геометрией, теорией вероятностей, и имеет широкий спектр применения в различных областях знаний (например в генетике, информатике, статистической физике).

Термин «комбинаторика» был введён в математический обиход Лейбницем, который в 1666 году опубликовал свой труд «Рассуждения о комбинаторном искусстве».

Иногда под комбинаторикой понимают более обширный раздел дискретной математики, включающий, в частности, теорию графов.

Примеры комбинаторных конфигураций и задач

Для формулировки и решения комбинаторных задач используют различные модели комбинаторных конфигураций. Примерами комбинаторных конфигураций являются:

• Размещением из n элементов по k называется упорядоченный набор из k различных элементов некоторого n-элементного множества.
• Перестановкой из n элементов (например чисел 1,2,в,n) называется всякий упорядоченный набор из этих элементов. Перестановка также является размещением из n элементов по n.
• Сочетанием из n по k называется набор k элементов, выбранных из данных n элементов. Наборы, отличающиеся только порядком следования элементов (но не составом), считаются одинаковыми, этим сочетания отличаются от размещений.
• Композицией числа n называется всякое представление n в виде упорядоченной суммы целых положительных чисел.
• Разбиением числа n называется всякое представление n в виде неупорядоченной суммы целых положительных чисел.

Примерами комбинаторных задач являются:

1. Сколькими способами можно разместить n предметов по m ящикам так, чтобы выполнялись заданные ограничения?
2. Сколько существует функций $F$ из m-элементного множества в n-элементное, удовлетворяющих заданным ограничениям?
3. Сколько существует различных перестановок из 52 игральных карт?

   Ответ: 52! (52 факториал), то есть, 80658175170943878571660636856403766975289505440883277824000000000000 или примерно 8,0658 × 10⁶⁷.

4. При игре в кости бросаются две кости, и выпавшие очки складываются; сколько существует комбинаций, таких, что сумма очков на верхних гранях равна двенадцати?

   Решение: Каждый возможный исход соответствует функции $F: \{1, 2\} \to \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$ (аргумент функции в это номер кости, значение в очки на верхней грани). Очевидно, что лишь 6+6 даёт нам нужный результат 12. Таким образом существует лишь одна функция, ставящая в соответствие 1 число 6, и 2 число 6. Или, другими словами, существует всего одна комбинация, такая, что сумма очков на верхних гранях равна двенадцати.

Разделы комбинаторики

Перечислительная комбинаторика

Перечислительная комбинаторика (или исчисляющая комбинаторика) рассматривает задачи о перечислении или подсчёте количества различных конфигураций (например, перестановок) образуемых элементами конечных множеств, на которые могут накладываться определённые ограничения, такие как: различимость или неразличимость элементов, возможность повторения одинаковых элементов и т. п.

Количество конфигураций, образованных несколькими манипуляциями над множеством, подсчитывается согласно правилам сложения и умножения.

Типичным примером задач данного раздела является подсчёт количества перестановок. Другой пример в известная Задача о письмах.

Структурная комбинаторика

К данному разделу относятся некоторые вопросы теории графов, а также теории матроидов.

Экстремальная комбинаторика

Примером этого раздела может служить следующая задача: какова наибольшая размерность графа, удовлетворяющего определённым свойствам.

Теория Рамсея

Теория Рамсея изучает наличие регулярных структур в случайных конфигурациях элементов. Примером утверждения из теории Рамсея может служить следующее:

в группе из 6 человек всегда можно найти трёх человек, которые либо попарно знакомы друг с другом, либо попарно незнакомы.

В терминах структурной комбинаторики это же утверждение формулируется так:

в любом графе с 6 вершинами найдётся либо клика, либо независимое множество размера 3.

Вероятностная комбинаторика

Этот раздел отвечает на вопросы вида: какова вероятность присутствия определённого свойства у заданного множества.

Топологическая комбинаторика

Топологическая комбинаторика (англ.) применяет идеи и методы комбинаторики в топологии, при изучении дерева принятия решений, частично упорядоченных множеств, раскрасок графа и др.

Инфинитарная комбинаторика

Инфинитарная комбинаторика (англ.) в применение идей и методов комбинаторики к бесконечным (в том числе, несчётным) множествам.

Открытые проблемы

Комбинаторика, и в частности, теория Рамсея, содержит много известных открытых проблем, подчас с весьма несложной формулировкой. Например, неизвестно, при каком наименьшем N в любой группе из N человек найдутся 5 человек, либо попарно знакомых друг с другом, либо попарно незнакомых (хотя известно, что 49 человек достаточно).

См. также

• Комбинаторная оптимизация
• Теория вероятностей

Литература

• Андерсон Джеймс. Дискретная математика и комбинаторика = Discrete Mathematics with Combinatorics. в М.: «Вильямс», 2006. в С. 960. в ISBN 0-13-086998-8
• Виленкин Н.Я. Популярная комбинаторика. в М.: Наука, 1975.
• Ерош И. Л. Дискретная математика. Комбинаторика в СПб.: СПбГУАП, 2001. в 37 c.
• Липский В. Комбинаторика для программиста. в М.: Мир, 1988. в 213 с.
• Раизер Г. Дж. Комбинаторная математика. в пер. с англ. в М., 1966.
• Райгородский А. М. Линейно-алгебраические и вероятностные методы в комбинаторике. в Летняя школа «Современная математика». в Дубна, 2006.
• Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. в М.: Мир, 1980. в 476 с.
• Риордан Дж. Введение в комбинаторный анализ. в пер. с англ. в М., 1963.
• Р. Стенли. Перечислительная комбинаторика = Enumerative Combinatorics. в М.: «Мир», 1990. в С. 440. в ISBN 5-03-001348-2
• Р. Стенли. Перечислительная комбинаторика. Деревья, производящие функции и симметрические функции = Enumerative Combinatorics. Volume 2. в М.: «Мир», 2009. в С. 767. в ISBN 978-5-03-003476-8

Ссылки

• Теория вероятностей. 3. Элементы комбинаторики
• Белешко Д. Комбинаторика. 2004.