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集合の要素の個数を数える|個数定理とベン図の使い方

40 人のクラスで、数学が好きな人が 25 人、英語が好きな人が 18 人。両方好きな人は何人いるか。

この形の問題は、要素の個数を集合の記号で書き、ベン図に写すと片づきます。数え上げの道具というより、整理の道具です。

集合の要素の個数

有限集合 に含まれる要素の個数を と書きます。空集合なら 。

2 つの集合が重ならないとき、和集合の個数は足し算になります。共通部分が空のときに限る。

重なりがあるときは、そのぶんを引きます。これが個数定理です[1]。

なぜ引くのか

と を足すと、両方に入っている要素を 2 回数えています。1 回ぶんを返す必要がある。

冒頭の問題を解きます。全員が数学か英語のどちらかを好きだとすると、。

人です。 が 40 を 3 だけ超えていて、その超過が重なりにあたる。

補集合の個数

全体集合を とし、 に入らない要素の集合を と書きます。

「〜でない」「少なくとも」と書かれた問題では、この式が近道になります。

ド・モルガンの法則を使うと、両方に入らない個数も出せる。

例:どちらでもない人を数える

40 人のクラスで、数学が好きな人が 25 人、英語が好きな人が 18 人、両方好きな人が 10 人とします。

まず和集合を出します。 人。

どちらも好きでない人は 人です。全体から和集合を引くだけ。

4 つの区画に分けて考える

2 つの集合があると、全体は 4 つの区画に分かれます。両方、 だけ、 だけ、どちらでもない。

表に書くと、行と列の合計から空欄が埋まります。ベン図より計算しやすい場面が多い。

分かっている数を書き込んで、行と列の合計で残りを出す。連立方程式を立てなくても片づきます。

ベン図で解く

重なり方が目で見える。集合が 2 つや 3 つで、位置関係を確かめたいとき

表で解く

行と列の合計から空欄が埋まる。条件が「〜であり、かつ〜」の形で並ぶとき

3 つの集合の場合

集合が 3 つになると、引きすぎたぶんを足し戻します[2]。

3 つすべてに入る要素は、前半で 3 回足され、真ん中で 3 回引かれて 0 回になっています。だから最後に 1 回足す。

例:3 つの部活

50 人の生徒に、野球、サッカー、テニスの経験をたずねました。

野球が 28 人、サッカーが 22 人、テニスが 15 人。野球とサッカーの両方が 12 人、サッカーとテニスが 8 人、テニスと野球が 7 人。3 つとも経験があるのは 4 人。

少なくとも 1 つ経験がある人が 42 人。どれも経験がない人は 人です。

例:区画ごとに出す

同じ問題で、野球だけを経験した人を数えます。

野球の 28 人から、サッカーとの重なり 12 人とテニスとの重なり 7 人を引く。ただし 3 つとも経験がある 4 人を 2 回引いているので、1 回足し戻します。

13 人です。同じ手順でサッカーだけが 6 人、テニスだけが 4 人。

区画計算人数
野球だけ28 引く 12 引く 7 足す 413
サッカーだけ22 引く 12 引く 8 足す 46
テニスだけ15 引く 8 引く 7 足す 44

3 つのうち 2 つだけの区画は、、、。全部を足すと で、和集合と合いました。

例:倍数の個数

から までの整数で、6 の倍数または 8 の倍数を数えます。

6 の倍数は の商で 33 個、8 の倍数は 25 個。両方に入るのは 6 と 8 の最小公倍数 24 の倍数で、8 個。

50 個です。重なりを「 の倍数」としないよう気をつけます。使うのは最小公倍数のほう。

重なりを求めるとき、最小公倍数を使います。 と の共通の倍数は の倍数であって、 の倍数ではない。

の倍数だけを数えると 4 個になり、重なりを半分しか引けていない。

検算のしかた

区画ごとの人数を全部足して、全体に戻るかを確かめます。合わなければどこかが誤っている。

負の数が出たときも誤りの合図です。人数が負になることはありません。

が や を超えていないかも見ます。重なりは、どちらの集合より大きくならない。

分かっている数を書き込む

区画ごとの数を出す

全部足して全体に戻るか確かめる

60 人のうち、犬を飼っている人が 32 人、猫を飼っている人が 25 人、どちらも飼っていない人が 15 人です。両方飼っている人は何人ですか。

  • 7 人
  • 12 人
  • 18 人
__RESULT__

少なくとも一方を飼っているのは 人。個数定理から 人です。7 人と答えるのは、全体の 60 をそのまま和集合として使った場合になります。

よくある誤り

重なりを引かずに足す。両方に入る要素を 2 回数えています
全体の人数を和集合と混同する。どちらも属さない人がいる場合は一致しません
倍数の重なりで積を使う。共通の倍数は最小公倍数の倍数です
3 つの集合で足し戻しを忘れる。3 つ全部の重なりを 1 回足します
区画の人数が負になったまま進める。条件のどこかを読み違えています
ベン図と表を混ぜて書く。どちらかに寄せると検算しやすくなります
「どちらか一方だけ」と「少なくとも一方」を同じに扱う。前者は重なりを 2 回引きます

区画に分けて数を埋め、最後に合計が全体に戻るかを見る。この 2 手順で、たいていの問題は片づきます。

参考文献

[1] と [2] が個数定理と 3 つ以上への拡張、[3] と [4] が各国語での定式化、[5] が足し算が成り立つ条件です。

Inclusion–exclusion principle - Wikipedia
Prinzip von Inklusion und Exklusion - Wikipedia
容斥原理 - 维基百科
Combinatoire - Wikipédia
Rule of sum - Wikipedia
40 人のクラスで数学好きが 25 人、英語好きが 18 人。足すと 43 になって全体を超えます。超えたぶんがそのまま重なりの人数です。この見方から個数定理を組み立て、補集合、3 つの集合の足し戻し、区画ごとの人数の出し方まで進めました。ベン図と表のどちらで解くかの目安、倍数の重なりに最小公倍数を使う理由、合計が全体に戻るかで確かめる手順も並べています。負の人数が出たら読み違いの合図。