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部分集合の個数と部屋割り〜重複順列が効く 2 つの場面

5 個の要素をもつ集合の部分集合は 32 個。6 人を 3 つの部屋に入れる入れ方は 729 通り。

どちらも と で、同じ形の計算です。ものを 1 つずつ見て、行き先を独立に決める。この形が重複順列にあたります。

1 つずつ行き先を決める

個のものがあり、それぞれに 通りの行き先があるとします。行き先どうしは干渉しません。

1 つ目に 通り、2 つ目にも 通り、と続くので、全体は を 回掛けた値になる。

これが重複順列の形です。 が肩に乗る点が、 や と大きく違います。

部分集合の個数

要素が 個の集合について、部分集合がいくつあるかを数えます。

要素を 1 つずつ見て、「入れる」か「入れない」かを決める。どの要素についても 2 通りで、他の要素の判断に左右されません[1]。

5 個なら 個。空集合とその集合自身も、部分集合として数に入ります。

大きさごとに数えても同じ

部分集合を、要素の個数で分類して足すこともできます。

個から 個を選ぶのが 通りなので、 を 0 から まで動かして足す。

なら で、 と一致します[1]。

同じものを 2 通りに数えたので、この等式が成り立ちます。二項定理で とした形にもなっている。

例:空集合を除く場合

「少なくとも 1 個を含む部分集合」なら、空集合を除きます。 個。

5 個の要素なら 個。「その集合自身を除く」なら、さらに 1 を引いて 30 個です。

問題文が真部分集合を求めているかどうかを確かめる。言葉の違いで 1 か 2 だけ変わります。

例:特定の要素を含む部分集合

の部分集合のうち、 を必ず含むものを数えます。

は「入れる」で固定なので、残る 4 個について 2 通りずつ。 個です。

を含み を含まないものなら、2 個が固定されて 個。固定した要素のぶんだけ指数が下がる。

全体を数える

どの要素も自由に選べる。2 の 乗

一部を固定する

固定した要素は選択肢が 1 つ。残りの個数だけ肩に乗る

部屋割りは同じ形

人を 個の部屋に入れる問題も、1 人ずつ行き先を決める形です。

人を 1 人ずつ見て、どの部屋に入るかを 通りから選ぶ。他の人の行き先には左右されません。

6 人を 3 部屋に入れるなら 通り。人が肩ではなく、部屋の数が底に来る点に気をつけます。

人と部屋のどちらが底か

底と肩をとり違えると、まったく違う値になります。 と は別の数です。

判断の基準は、「1 つずつ行き先を決めるのはどちらか」。人が部屋を選ぶので、人の数が肩に乗る。

空室を認めない場合

「どの部屋にも 1 人以上」という条件が付くと、掛け算だけでは足りません。空室のある入れ方を引きます。

6 人を 3 部屋に空室なしで入れる場合。全体 から、ある 1 部屋が空になる 通りを 3 部屋ぶん引く。

2 部屋が空になる場合を引きすぎているので、 を足し戻します。

540 通りです。

まず制限なしで k の n 乗を出す

空になる部屋を選んで引く

引きすぎたぶんを足し戻す

例:4 人を 3 部屋へ

小さい数で確かめます。全体 通り。

1 部屋が空になるのが 通りで 3 部屋ぶんの 48。2 部屋が空になるのが 1 通りで 3 通りぶん。

通りです。

条件式6 人を 3 部屋
空室を認める3 の 6 乗729
空室を認めない引き算で直す540
部屋に番号がない540 を 3 の階乗で割る90

部屋に番号がない場合は、部屋の入れ替え 通りが重なるので割ります。番号があるかどうかを問題文で確かめる。

例:区別しないものを配る

同じあめ玉 6 個を 3 人に配る場合は、 になりません。あめ玉に区別がないので、1 つずつ行き先を決める形にならない。

こちらは仕切りの方法で、 通り。配るものが区別できるかどうかで、まったく別の式になります。

が使えるのは、配るものを区別するときだけです。同じものを配るなら仕切りの方法に切り替える。

人を配るなら区別あり、同じ品物を配るなら区別なし。問題文の名詞を見れば判断できる。

例:写像の個数として読む

部屋割りは、 個の元から 個の元への写像の個数と同じです。行き先を 1 つずつ決めるので 個。

どの部屋にも 1 人以上、という条件は「全射」にあたります。1 人以下という条件なら「単射」で、 通り。

高校では写像という言葉を使わずに解きますが、同じ構造だと知っておくと見通しがよくなります。

例:旗を並べる

3 色の旗を 5 本立てます。同じ色を何本使ってもよく、立てる場所には順序があるとする。

1 本ずつ色を決めるので 通り。旗が肩、色が底です。

「3 色すべてを使う」なら空室なしと同じ形で、 通り。

例:試験の答案

正誤問題が 8 問あり、各問に丸かバツを書きます。答案の書き方は 通り。

「少なくとも 1 問は丸」なら 通り。部分集合の数え方とまったく同じ形です。

丸を付ける問題の集合を選ぶ、と読み替えれば部分集合そのものになる。

7 個の要素をもつ集合の部分集合のうち、特定の 2 個を必ず含むものは何個ですか。

  • 128 個
  • 32 個
  • 21 個
__RESULT__

2 個は「入れる」で固定なので、残る 5 個について 2 通りずつで 個です。128 は全体の 、21 は にあたります。

よくある誤り

底と肩をとり違える。行き先を選ぶ側が肩に乗ります
部分集合で空集合を数え落とす。 には空集合が含まれます
真部分集合と部分集合を同じに扱う。前者はその集合自身を除きます
空室なしの条件を掛け算だけで処理する。引き算と足し戻しが要ります
同じものを配る問題に を当てる。区別がなければ仕切りの方法です
部屋に番号がない場合に割り忘れる。番号がなければ で割ります
指数と組合せの式を混ぜる。1 つずつ行き先を決める形かどうかで選びます

配るものを 1 つずつ見て、行き先が独立に決まるか。ここが を使ってよい合図になります。

参考文献

[1] が部分集合の個数と二項係数の和、[2] が重複順列の位置づけ、[3] が仕切りによる数え方、[4] が空室なしの処理、[5] が各国語での整理です。

Power set - Wikipedia
Twelvefold way - Wikipedia
Stars and bars (combinatorics) - Wikipedia)
Inclusion–exclusion principle - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
5 個の要素をもつ集合の部分集合は 32 個、6 人を 3 部屋に入れる入れ方は 729 通り。どちらも 1 つずつ行き先を独立に決める形で、指数の計算になります。要素ごとに入れるか入れないかを決めると 2 の n 乗、人が部屋を選ぶと部屋の数が底で人の数が肩。底と肩の見分け方、空集合や真部分集合の扱い、空室を認めないときの引き算、同じものを配る問題との違いまで並べました。