抽屜原理 - 數(shù)學(xué)原理
抽屜原理也被稱為鴿巢原理,由德國(guó)數(shù)學(xué)家狄利克雷首先發(fā)現(xiàn),因此又叫狄利克雷原理,是組合數(shù)學(xué)中一個(gè)重要的原理。抽屜原理的一般含義為:如果每個(gè)抽屜代表一個(gè)集合,每一個(gè)蘋果就可以代表一個(gè)元素,假如有n+1或多于n+1個(gè)元素放到n個(gè)集合中去,其中必定至少有一個(gè)集合里有兩個(gè)元素。
原理簡(jiǎn)介
第一抽屜原理
原理1:?把多于n個(gè)的物體放到n個(gè)抽屜里,則至少有一個(gè)抽屜里的東西不少于兩件。
證明(反證法):如果每個(gè)抽屜至多只能放進(jìn)一個(gè)物體,那么物體的總數(shù)至多是n×1,而不是題設(shè)的n+k - k≥1,故不可能。
原理2:把多于mn - m乘n+1(n不為0)個(gè)的物體放到n個(gè)抽屜里,則至少有一個(gè)抽屜里有不少于(m+1)的物體。
證明(反證法):若每個(gè)抽屜至多放進(jìn)m個(gè)物體,那么n個(gè)抽屜至多放進(jìn)mn個(gè)物體,與題設(shè)不符,故不可能。
原理3:把無(wú)數(shù)還多件物體放入n個(gè)抽屜,則至少有一個(gè)抽屜里有無(wú)數(shù)個(gè)物體。
原理1?、2?、3都是第一抽屜原理的表述?。
第二抽屜原理
把(mn-1)個(gè)物體放入n個(gè)抽屜中,其中必有一個(gè)抽屜中至多有(m—1)個(gè)物體 - 例如,將3×5-1=14個(gè)物體放入5個(gè)抽屜中,則必定有一個(gè)抽屜中的物體數(shù)少于等于3-1=2。
常見(jiàn)運(yùn)用
構(gòu)造抽屜的方法
運(yùn)用抽屜原理的核心是分析清楚問(wèn)題中,哪個(gè)是物件,哪個(gè)是抽屜。例如,屬相是有12個(gè),那么任意37個(gè)人中,至少有一個(gè)屬相是不少于4個(gè)人。這時(shí)將屬相看成12個(gè)抽屜,則一個(gè)抽屜中有?37/12,即3余1,余數(shù)不考慮,而向上考慮取整數(shù),所以這里是3+1=4個(gè)人,但這里需要注意的是,前面的余數(shù)1和這里加上的1是不一樣的。
因此,在問(wèn)題中,較多的一方就是物件,較少的一方就是抽屜,比如上述問(wèn)題中的屬相12個(gè),就是對(duì)應(yīng)抽屜,37個(gè)人就是對(duì)應(yīng)物件,因?yàn)?7相對(duì)12多。
最差原則
最差原則,即考慮所有可能情況中,最不利于某件事情發(fā)生的情況。
例如,有300人到招聘會(huì)求職,其中軟件設(shè)計(jì)有100人,市場(chǎng)營(yíng)銷有80人,財(cái)務(wù)管理有70人,人力資源管理有50人。那么至少有多少人找到工作才能保證一定有70人找的工作專業(yè)相同呢?
此時(shí)我們考慮的最差情況為:軟件設(shè)計(jì)、市場(chǎng)營(yíng)銷和財(cái)務(wù)管理各錄取69人,人力資源管理的50人全部錄取,則此時(shí)再錄取1人就能保證有70人找到的工作專業(yè)相同。因此至少需要69*3+50+1=258人。
根據(jù)第一抽屜原理之原理2推導(dǎo):mn+1個(gè)人的時(shí)候必有m+1個(gè)人找到的工作專業(yè)相同,所以是要求出mn+1的人數(shù),已知n=3,m+1=70??紤]到人力資源專業(yè)只有50人,得出mn+1= - 69*3+50+1=258人。
一個(gè)抽屜里有20件襯衫,其中4件是藍(lán)的,7件是灰的,9件是紅的,則應(yīng)從中隨意取出多少件才能保證有5件是同顏色的?
根據(jù)鴿巢原理,n個(gè)鴿巢,kn?+?1只鴿子,則至少有一個(gè)鴿巢中有k?+?1只鴿子。若根據(jù)鴿巢原理的推論直接求解,此時(shí)k=4,n=3,則應(yīng)抽取?3?X?4?+?1?=?13件才能保證有5件同色。其實(shí)不然,問(wèn)題的模型和鴿巢原理不盡相同。在解決該問(wèn)題時(shí),應(yīng)該考慮最差的情況,連續(xù)抽取過(guò)程中抽取出4件藍(lán)色的襯衣,即4件藍(lán)色,取走后,問(wèn)題變成有灰色和紅色構(gòu)成相同顏色的情況,這時(shí),n=2,k?+?1?=?5,?k?=?4.?故應(yīng)取?4?+?4?X?2?+?1?=?13件。
問(wèn)題分析:該情況下鴿巢原理的推論不再適用,由于藍(lán)色的襯衫只有4件,而題目中要求有5件是同色的,導(dǎo)致4件藍(lán)色襯衫都被抽取出這一最差情況的存在,所以應(yīng)該先考慮最差情況,然后在此基礎(chǔ)上再運(yùn)用鴿巢原理。
證明
(反證法):若每個(gè)抽屜都有不少于m個(gè)物體,則總共至少有mn個(gè)物體,與題設(shè)矛盾,故不可能。
表現(xiàn)形式
把它推廣到一般情形有以下幾種表現(xiàn)形式。
形式一:設(shè)把n+1個(gè)元素劃分至n個(gè)集合中 - A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an分別表示這n個(gè)集合對(duì)應(yīng)包含的元素個(gè)數(shù),則:至少存在某個(gè)集合Ai,其包含元素個(gè)數(shù)值ai大于或等于2。
證明:(反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<2,則因?yàn)閍i是整數(shù),應(yīng)有ai≤1,于是有:
a1+a2+…+an≤1+1+…+1=n<n+1,這與題設(shè)矛盾。
所以,至少有一個(gè)ai≥2,即必有一個(gè)集合中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素。
形式二:設(shè)把nm+1個(gè)元素劃分至n個(gè)集合中 - A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an表示這n個(gè)集合對(duì)應(yīng)包含的元素個(gè)數(shù),則:至少存在某個(gè)集合Ai,其包含元素個(gè)數(shù)值ai大于或等于m+1。
證明:(反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<m+1,則因?yàn)閍i是整數(shù),應(yīng)有ai≤m,于是有:
a1+a2+…+an≤m+m+…+m=nm<nm+1,這與題設(shè)相矛盾。
所以,至少有存在一個(gè)ai≥m+1
知識(shí)擴(kuò)展——高斯函數(shù)[x]定義:對(duì)任意的實(shí)數(shù)x,[x]表示“不大于x的最大整數(shù)”。例如:[3.5]=3,[2.9]=2,[-2.5]=-3,[7]=7,……一般地,我們有:[x]≤x<[x]+1
形式三:設(shè)把n個(gè)元素分為k個(gè)集合A1,A2,…,Ak,用a1,a2,…,ak表示這k個(gè)集合里相應(yīng)的元素個(gè)數(shù),需要證明至少存在某個(gè)ai大于或等于[n/k]。
證明:(用反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<[n/k],于是有:
a1+a2+…+ak<[n/k]+[n/k]+…+[n/k]?=k*[n/k]≤k* - n/k=n
k個(gè)[n/k]?∴?a1+a2+…+ak<n?這與題設(shè)相矛盾。所以,必有一個(gè)集合中元素個(gè)數(shù)大于或等于[n/k]
形式四:設(shè)把q1+q2+…+qn-n+1個(gè)元素分為n個(gè)集合A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an表示這n個(gè)集合里相應(yīng)的元素個(gè)數(shù),需要證明至少存在某個(gè)i,使得ai大于或等于qi。
證明:(用反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<qi,因?yàn)閍i為整數(shù),應(yīng)有ai≤qi-1,
于是有:a1+a2+…+an≤q1+q2+…+qn-n?<q1+q2+…+qn-n+1這與題設(shè)矛盾。
所以,假設(shè)不成立,故必有一個(gè)i,在第i個(gè)集合中元素個(gè)數(shù)ai≥qi
形式五:證明:(用反證法)將無(wú)窮多個(gè)元素分為有限個(gè)集合,假設(shè)這有限個(gè)集合中的元素的個(gè)數(shù)都是有限個(gè),則有限個(gè)有限數(shù)相加,所得的數(shù)必是有限數(shù),這就與題設(shè)產(chǎn)生矛盾,所以,假設(shè)不成立,故必有一個(gè)集合含有無(wú)窮多個(gè)元素。(借由康托的無(wú)窮基數(shù)可將鴿巢原理推廣到無(wú)窮集中。)
一般表述
在上面的第一個(gè)結(jié)論中,由于一年最多有366天,因此在367人中至少有2人出生在同月同日。這相當(dāng)于把367個(gè)東西放入?366個(gè)抽屜,至少有2個(gè)東西在同一抽屜里。在第二個(gè)結(jié)論中,不妨想象將5雙手套分別編號(hào),即號(hào)碼為1,2,…,5的手套各有兩只,同號(hào)的兩只是一雙。任取6只手套,它們的編號(hào)至多有5種,因此其中至少有兩只的號(hào)碼相同。這相當(dāng)于把6個(gè)東西放入5個(gè)抽屜,至少有2個(gè)東西在同一抽屜里。
抽屜原理的一種更一般的表述為:
“把多于kn+1個(gè)東西任意分放進(jìn)n個(gè)空抽屜(k是正整數(shù)),那么一定有一個(gè)抽屜中放進(jìn)了至少k+1個(gè)東西?!?/p>
利用上述原理容易證明:“任意7個(gè)整數(shù)中,至少有3個(gè)數(shù)的兩兩之差是3的倍數(shù)?!币?yàn)槿我徽麛?shù)除以3時(shí)余數(shù)只有0、1、2三種可能,所以7個(gè)整數(shù)中至少有3個(gè)數(shù)除以3所得余數(shù)相同,即它們兩兩之差是3的倍數(shù)。
如果問(wèn)題所討論的對(duì)象有無(wú)限多個(gè),抽屜原理還有另一種表述:
“把無(wú)限多個(gè)東西任意分放進(jìn)n個(gè)空抽屜(n是自然數(shù)),那么一定有一個(gè)抽屜中放進(jìn)了無(wú)限多個(gè)東西?!?/p>
用高斯函數(shù)來(lái)敘述一般形式的抽屜原理的是:將m個(gè)元素放入n個(gè)抽屜,則在其中一個(gè)抽屜里至少會(huì)有
[ - m-1]+1個(gè)元素。
集合論的表述是:設(shè)A和B為同基數(shù)的有限集,f:A→B為一個(gè)映射,則f為單射的充要條件是f為滿射。
抽屜原理的內(nèi)容簡(jiǎn)明樸素,易于接受,它在數(shù)學(xué)問(wèn)題中有重要的作用。許多有關(guān)存在性的證明都可用它來(lái)解決。
這個(gè)問(wèn)題可以用如下方法簡(jiǎn)單明了地證出:
在平面上用6個(gè)點(diǎn)A、B、C、D、E、F分別代表參加集會(huì)的任意6個(gè)人。如果兩人以前彼此認(rèn)識(shí),那么就在代表他們的兩點(diǎn)間連成一條紅線;否則連一條藍(lán)線??紤]A點(diǎn)與其余各點(diǎn)間的5條連線AB,AC,…,AF,它們的顏色不超過(guò)2種。根據(jù)抽屜原理可知其中至少有3條連線同色,不妨設(shè)AB,AC,AD同為紅色。如果BC,BD?,CD?3條連線中有一條(不妨設(shè)為BC)也為紅色,那么三角形ABC即一個(gè)紅色三角形,A、B、C代表的3個(gè)人以前彼此相識(shí):如果BC、BD、CD?3條連線全為藍(lán)色,那么三角形BCD即一個(gè)藍(lán)色三角形,B、C、D代表的3個(gè)人以前彼此不相識(shí)。不論哪種情形發(fā)生,都符合問(wèn)題的結(jié)論。
六人集會(huì)問(wèn)題是組合數(shù)學(xué)中著名的拉姆塞定理的一個(gè)最簡(jiǎn)單的特例,這個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題的證明思想可用來(lái)得出另外一些深入的結(jié)論。這些結(jié)論構(gòu)成了組合數(shù)學(xué)中的重要內(nèi)容—–拉姆塞理論。從六人集會(huì)問(wèn)題的證明中,我們又一次看到了抽屜原理的應(yīng)用。
定理定義
抽屜原理又稱鴿巢原理,它是德國(guó)數(shù)學(xué)家狄利克雷首先明確的提出來(lái)并用以證明一些數(shù)論中的問(wèn)題,因此,也稱為狄利克雷原則。它是組臺(tái)數(shù)學(xué)中一個(gè)重要的原理。是一個(gè)及其初等而有應(yīng)用廣泛的數(shù)學(xué)原理。
桌上有4個(gè)蘋果,要把這4個(gè)蘋果放到3個(gè)抽屜里,無(wú)論怎樣放,會(huì)發(fā)現(xiàn)至少會(huì)有一個(gè)抽屜里面至少放2個(gè)蘋果,這一現(xiàn)象就是所說(shuō)的抽屜原理。抽屜原理的一般含義為:如果每個(gè)抽屜代表一個(gè)集合,每一個(gè)蘋果就可以代表一個(gè)元素,假如有n+1或多于n+1個(gè)元素放到n個(gè)集合中去,其中必定至少有一個(gè)集合里有2個(gè)元素。抽屜原理有時(shí)也被稱為鴿巢原理(如果有5個(gè)鴿子籠,養(yǎng)鴿人養(yǎng)了6只鴿子,那么當(dāng)鴿子飛回籠中后,至少有一個(gè)籠子中裝有至少2只鴿子)。
驗(yàn)證推導(dǎo)
第一抽屜原理:
原理1:把多于n+1個(gè)的物體放到n個(gè)抽屜里,則至少有一個(gè)抽屜里的東西不少于兩件。
證明(反證法):如果每個(gè)抽屜至多只能放進(jìn)一個(gè)物體,那么物體的總數(shù)至多是n×1,而不是題設(shè)的n+k - k≥1,故不可能。
原理2:把多于mn - m乘n+1(n不為0)個(gè)的物體放到n個(gè)抽屜里,則至少有一個(gè)抽屜里有不少于(m+1)的物體。
證明(反證法):若每個(gè)抽屜至多放進(jìn)m個(gè)物體,那么n個(gè)抽屜至多放進(jìn)mn個(gè)物體,與題設(shè)不符,故不可能。
原理3:把無(wú)窮多件物體放入n個(gè)抽屜,則至少有一個(gè)抽屜里?有無(wú)窮個(gè)物體。
原理1、2、3都是第一抽屜原理的表述。
第二抽屜原理:
把(mn-1)個(gè)物體放入n個(gè)抽屜中,其中必有一個(gè)抽屜中至多有(m—1)個(gè)物體 - 例如,將3×5-1=14個(gè)物體放入5個(gè)抽屜中,則必定有一個(gè)抽屜中的物體數(shù)少于等于3-1=2。
證明(反證法):若每個(gè)抽屜都有不少于m個(gè)物體,則總共至少有mn個(gè)物體,與題設(shè)矛盾,故不可能。
從六人集會(huì)問(wèn)題的證明中看出抽屜原理的應(yīng)用:
在平面上用6個(gè)點(diǎn)A、B、C、D、E、F分別代表參加集會(huì)的任意6個(gè)人。如果兩人以前彼此認(rèn)識(shí),那么就在代表他們的兩點(diǎn)間連成一條紅線;否則連一條藍(lán)線??紤]A點(diǎn)與其余各點(diǎn)間的5條連線AB,AC,…,AF,它們的顏色不超過(guò)2種。
根據(jù)抽屜原理可知其中至少有3條連線同色,不妨設(shè)AB,AC,AD同為紅色。如果BC,BD,CD3條連線中有一條(不妨設(shè)為BC)也為紅色,那么三角形ABC即一個(gè)紅色三角形,A、B、C代表的3個(gè)人以前彼此相識(shí):如果BC、BD、CD3條連線全為藍(lán)色,那么三角形BCD即一個(gè)藍(lán)色三角形,B、C、D代表的3個(gè)人以前彼此不相識(shí)。不論哪種情形發(fā)生,都符合問(wèn)題的結(jié)論。
六人集會(huì)問(wèn)題是組合數(shù)學(xué)中著名的拉姆塞定理的一個(gè)最簡(jiǎn)單的特例,這個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題的證明思想可用來(lái)得出另外一些深入的結(jié)論。
定理推廣
把它推廣到一般情形有以下幾種表現(xiàn)形式:
形式一:設(shè)把n+1個(gè)元素劃分至n個(gè)集合中 - A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an分別表示這n個(gè)集合對(duì)應(yīng)包含的元素個(gè)數(shù),則:至少存在某個(gè)集合Ai,其包含元素個(gè)數(shù)值ai大于或等于2。
證明:(反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<2,則因?yàn)閍i是整數(shù),應(yīng)有ai≤1,于是有:
a1+a2+…+an≤1+1+…+1=n<n+1,這與題設(shè)矛盾。
所以,至少有一個(gè)ai≥2,即必有一個(gè)集合中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素。
形式二:設(shè)把nm+1個(gè)元素劃分至n個(gè)集合中 - A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an表示這n個(gè)集合對(duì)應(yīng)包含的元素個(gè)數(shù),則:至少存在某個(gè)集合Ai,其包含元素個(gè)數(shù)值ai大于或等于m+1。
證明:(反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<m+1,則因?yàn)閍i是整數(shù),應(yīng)有ai≤m,于是有:
a1+a2+…+an≤m+m+…+m=nm<nm+1,這與題設(shè)相矛盾。
所以,至少有存在一個(gè)ai≥m+1
知識(shí)擴(kuò)展——高斯函數(shù)[x]定義:對(duì)任意的實(shí)數(shù)x,[x]表示“不大于x的最大整數(shù)”。例如:[3.5]=3,[2.9]=2,[-2.5]=-3,[7]=7,……一般地,我們有:[x]≤x<[x]+1
形式三:設(shè)把n個(gè)元素分為k個(gè)集合A1,A2,…,Ak,用a1,a2,…,ak表示這k個(gè)集合里相應(yīng)的元素個(gè)數(shù),需要證明至少存在某個(gè)ai大于或等于[n/k]。
證明:(用反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<[n/k],于是有:
a1+a2+…+ak<[n/k]+[n/k]+…+[n/k]=k*[n/k]≤k* - n/k=n
k個(gè)[n/k]∴a1+a2+…+ak<n這與題設(shè)相矛盾。所以,必有一個(gè)集合中元素個(gè)數(shù)大于或等于[n/k]
形式四:設(shè)把q1+q2+…+qn-n+1個(gè)元素分為n個(gè)集合A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an表示這n個(gè)集合里相應(yīng)的元素個(gè)數(shù),需要證明至少存在某個(gè)i,使得ai大于或等于qi。
證明:(用反證法)假設(shè)結(jié)論不成立,即對(duì)每一個(gè)ai都有ai<qi,因?yàn)閍i為整數(shù),應(yīng)有ai≤qi-1,
于是有:a1+a2+…+an≤q1+q2+…+qn-n<q1+q2+…+qn-n+1這與題設(shè)矛盾。
所以,假設(shè)不成立,故必有一個(gè)i,在第i個(gè)集合中元素個(gè)數(shù)ai≥qi
形式五:證明:(用反證法)將無(wú)窮多個(gè)元素分為有限個(gè)集合,假設(shè)這有限個(gè)集合中的元素的個(gè)數(shù)都是有限個(gè),則有限個(gè)有限數(shù)相加,所得的數(shù)必是有限數(shù),這就與題設(shè)產(chǎn)生矛盾,所以,假設(shè)不成立,故必有一個(gè)集合含有無(wú)窮多個(gè)元素。(借由康托的無(wú)窮基數(shù)可將鴿巢原理推廣到無(wú)窮集中。)
發(fā)展簡(jiǎn)史
抽屜原理又叫鴿籠原理,它由德國(guó)數(shù)學(xué)家狄利克雷 - Dirichlet1805-1859首先發(fā)現(xiàn),因此又叫狄利克雷原理。狄利克雷在研究數(shù)論的問(wèn)題時(shí)最早很巧妙運(yùn)用抽屜原理去解決問(wèn)題。后來(lái)德國(guó)數(shù)學(xué)家閔可夫斯基 - Minkowski,1864-1909也運(yùn)用這原理得到一些結(jié)果。到了20世紀(jì)初期杜爾 - A.Thue1863-1922在不知道狄利克雷和閔可夫斯基的工作情況下,很機(jī)巧地利用鴿籠原理來(lái)解決不定方程的有理數(shù)解的問(wèn)題有12篇論文是用到這個(gè)原理。后來(lái)西根 - CLSiegel利用杜爾的結(jié)果發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在稱為西根引理的東西這引理 - Lemma是在研究超越數(shù)時(shí)最基本必用的工具。
趣聞
已知n+?1個(gè)互不相同的正整數(shù),它們?nèi)夹∮诨虻扔?n,證明當(dāng)中一定有兩個(gè)數(shù)是互質(zhì)的。
匈牙利大數(shù)學(xué)家厄杜斯 - PaulErdous,1913?–?1996?向當(dāng)年年僅11歲的波薩? - LouisPósa?提出這個(gè)問(wèn)題,而小波薩思考了不足半分鐘便能給出正確的答案。
波薩是這樣考慮問(wèn)題:取n個(gè)盒子,在第一個(gè)盒子我們放1和2,在第二個(gè)盒子我們放3和4,第三個(gè)盒子是放5和6,依此類推直到第n個(gè)盒子放2n-1和2n這兩個(gè)數(shù)。
如果我們?cè)趎個(gè)盒子里隨意抽出n+1個(gè)數(shù)。我們馬上看到一定有一個(gè)盒子是被抽空的。因此在這n+1個(gè)數(shù)中必有兩個(gè)數(shù)是連續(xù)數(shù),很明顯的連續(xù)數(shù)是互質(zhì)的。因此這問(wèn)題就解決了!這就是利用了鴿巢原理的核心思想。
