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nCr の等式は同じものを 2 通りに数えた結果

を、階乗の式に直して確かめることはできます。ただ、もっと速い示し方がある。

個から 個を選ぶことと、残す 個を決めることは同じ作業です。同じものを 2 通りに数えれば、それだけで等式になる。

証明の型はひとつ

組合せの等式は、たいてい次の形で示せます。

ある集合の要素の個数を、2 通りの数え方で計算する。どちらも同じ集合を数えているので、2 つの式は等しい。

式変形は要りません。何を数えているかを言葉で言い切れば終わります。

数える対象の集合を決める

1 つ目の数え方で式を作る

2 つ目の数え方で式を作り、等号で結ぶ

対称性の等式

人から 人の委員を選びます。選び方は 通り。

同じことを、残る 人を決める作業と見ることもできます。こちらは 通り。

選ぶ側と残す側は 1 対 1 に対応するので、両者は等しい[1]。

パスカルの規則

人から 人を選ぶ選び方を、特定の 1 人 A を含むかどうかで分けます。

A を含むなら、残り 人を A 以外の 人から選ぶ。 通り。

A を含まないなら、 人すべてを A 以外の 人から選ぶ。 通り。

この 2 つで全体を過不足なく覆っています[1]。

パスカルの三角形で、上の 2 つの数を足すと下の数になる規則が、この等式にあたります。

行の和

個の要素をもつ集合の部分集合を数えます。要素ごとに入れるか入れないかを決めるので 個[3]。

同じものを、要素の個数で分類しても数えられます。 個の部分集合が 個あるので、 を 0 から まで足す。

なら です[1]。

委員長を選ぶ等式

人から 人の委員を選び、そのうち 1 人を委員長にします。この組の総数を 2 通りに数える。

先に委員を選んでから委員長を決めるなら、 通り。

先に委員長を決めてから残りの委員を選ぶなら、 通り。

、 で確かめます。左辺は 、右辺は [1]。

選んでから役を決める

集団を先に固めて、その中から 1 人を立てる

役を決めてから選ぶ

代表を先に立てて、残りを埋める

斜めに足す等式

パスカルの三角形を斜めにたどって足すと、1 つ下の数になります。

から までの数から 3 個を選ぶ選び方を、いちばん大きい数で分類します。

いちばん大きい数が なら、残り 2 個は から までから選ぶ。 通りです。

は 3 から 6 まで動くので、足すと次のようになる。

左辺は 、右辺も 20 です[1]。

2 つの集団から選ぶ等式

男子 5 人と女子 4 人の合わせて 9 人から、3 人を選びます。 通り。

同じものを、男子が何人入るかで分類します。男子 人と女子 人を選ぶので 通り。

を 0 から 3 まで動かして足します。

で一致しました。ヴァンデルモンドの等式と呼ばれる形です[1]。

二乗の和

男子 4 人と女子 4 人から 4 人を選びます。 通り。

男子が 人なら女子は 人。 通りです。

ここで という対称性を使うと、各項が二乗になります。

。対称性の等式を 1 回はさむだけで、二乗の和が出ます。

等式数える対象分類のしかた
対称性 人の選び方選ぶ側か残す側か
パスカル 人の選び方特定の 1 人を含むか
行の和部分集合大きさで分ける
委員長委員と委員長の組どちらを先に決めるか
斜めの和3 個の選び方いちばん大きい数で分ける
2 集団3 人の選び方男子が何人入るか

どの証明も、数える対象をはっきりさせるところから始まります。ここが曖昧だと 2 通りの数え方が結び付かない。

「5 人から 3 人を選ぶ選び方の全体」のように、集合を言葉で言い切ってから数え始める。

式変形との比べ方

階乗の式に直して計算しても、同じ等式は出ます。ただし手間が増え、意味が見えなくなる。

パスカルの規則を式変形で示すなら、通分して整理する数行が要ります。数え方の言いかえなら 2 文で済む。

答案でどちらを書くかは自由です。ただ、思い出せなくなったときに復元できるのは、数え方のほうになります。

例:等式を自分で作る

数え方を 2 通り思いつけば、新しい等式が作れます。

人から偶数人を選ぶ選び方と、奇数人を選ぶ選び方を比べます。 なら、この 2 つは等しくなる。

特定の 1 人 A に注目します。A 以外の 人の選び方を先に決め、そのあと、選んだ人数が偶数になるように A を入れるかどうかを決める。

A 以外の選び方それぞれについて、偶数になる選び方と奇数になる選び方が 1 つずつ対応します。だから同数で、どちらも 通り。

を数え方で説明するとき、何で場合分けしますか。

  • 選ぶ人数を 2 人と 3 人に分ける
  • 特定の 1 人を含むか含まないかで分ける
  • 男子と女子に分ける
__RESULT__

7 人から 3 人を選ぶとき、特定の 1 人 A を含めば残り 2 人を 6 人から、含まなければ 3 人を 6 人から選びます。 で、 と一致します。

よくある誤り

数える対象を決めずに式をいじる。まず集合を言葉で言い切ります
2 つの数え方が同じ集合を数えていない。過不足がないか確かめます
場合分けが重なる。重なると足し算にできません
対称性の等式を使い忘れる。二乗の和はこれで出ます
斜めの和で分類の基準を決めない。いちばん大きい数で分けます
式変形だけで済ませる。意味が残らないので、思い出せなくなります
小さい数で確かめない。 か で両辺を計算します

同じものを 2 通りに数える。この 1 手だけで、教科書に並ぶ等式のほとんどが示せます。

参考文献

[1] が二項係数の主な等式、[2] が組合せの定義、[3] が部分集合の個数、[4] と [5] が各国語での整理です。

Binomial coefficient - Wikipedia
Combination - Wikipedia
Power set - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
組合せの等式は、階乗の式に直さなくても示せます。ある集合の要素の個数を 2 通りに数えれば、その 2 つの式が等号で結ばれるだけ。対称性は選ぶ側と残す側、パスカルの規則は特定の 1 人を含むかどうか、行の和は部分集合を大きさで分類する形です。委員長を先に決めるか後にするか、いちばん大きい数で分類する斜めの和、男子が何人入るかで分けるヴァンデルモンドの等式まで並べました。