Unidad 3 Combinatoria - Facultad de Ciencias de la...
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Unidad 3
Combinatoria
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CONTEO La enumeración no termina con la aritmética.
Tiene aplicaciones en áreas como álgebra, la probabilidad y estadística (matemáticas) y el análisis de algoritmos (en ciencias de la computación).
A medida que vayamos entrando en este fascinante campo de las matemáticas, nos encontraremos con muchos problemas que se pueden enunciar en forma sencilla pero que son “duros” de resolver.
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Conteo Las técnicas de conteo son aquellas que
son usadas para enumerar eventos difíciles de cuantificar. Ejemplo :
¿Cuántas maneras tiene una persona de seleccionar una lavadora, una batidora y dos licuadoras, si encuentra en una tienda 8 modelos diferentes de lavadoras, 5 modelos diferentes de batidoras y 7 modelos diferentes de licuadoras?.
Se les denomina técnicas de conteo a las:
Combinaciones permutaciones
Las bases para entender el uso de las técnicas de conteo
son el principio aditivo y el multiplicativo.
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Principio Aditivo
Si se desea llevar a efecto una actividad, la cuál tiene formas alternativas para ser realizada, donde:
la primera de esas alternativas puede ser realizada
de M maneras, la segunda alternativa puede
realizarse de N maneras
..... y la última de las alternativas puede ser
realizada de W maneras,
Entonces esa actividad puede ser llevada a cabo
de :
M + N + .........+ W maneras
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Ejemplo
La biblioteca de la FCC tiene 40 libros de
texto de programación y 50 de matemáticas.
Por la regla de la suma, un estudiante de
esta facultad puede elegir entre
40+50=90 libros de texto
para aprender acerca de alguno de estos dos
temas.
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Ejercicio
Un estudiante puede elegir un proyecto de
computación desde una de tres listas. Las
tres listas contienen 23, 15, y 19 posibles
proyectos, respectivamente. Ningún proyecto
esta en más de una lista. ¿Cuántos posibles
proyectos son posibles de elegir?
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Solución
23+15+19=57 formas de elegir un proyecto
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Ejercicio
¿Cuál es el valor de k, dado el siguiente
código?
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PRINCIPIO MULTIPLICATIVO
Si se desea realizar una actividad que consta de r pasos, en donde el primer paso de la actividad a realizar puede ser llevado a cabo de N1 maneras, el segundo paso de N2 maneras y el r-ésimo paso de Nr maneras, entonces esta actividad puede ser llevada a efecto de:
N1 x N2 x ..........x Nr maneras
El principio multiplicativo implica que cada uno de los pasos de la actividad deben ser llevados a efecto, uno tras otro.
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PRINCIPIO MULTIPLICATIVO
Ejemplo : “Una persona desea armar una computadora, para lo cuál considera que puede seleccionar la Motherboard de entre las dos disponibles, mientras que el procesador puede ser seleccionado de un Pentium IV, un Celeron o un Athlon, la tarjeta de video puede ser una ATI Radeon o una GForce y por último hay disponible un solo modelo de gabinete (Tower).
¿Cuantas maneras tiene esta persona de armar su PC?”
Respuesta 2*3*2*1=12
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Ejercicio
Una compañía con dos empleados, Sanchez
y Perez, rentan un piso de un edificio con 12
oficinas. ¿Cuántas formas se pueden usar
para asignar diferentes oficinas a estos dos
empleados?
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Solución
12*11=132 formas
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Ejercicio
Las sillas de un auditorio son etiquetadas con
una letra del alfabeto seguida por un número
positivo (hasta 100). ¿Cuántas etiquetas
pueden asignarse a una silla?
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Solución
26*100=2600 formas diferentes
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Ejercicio
Existen 32 computadoras en un centro de
computación. Cada computadora tiene 24
puertos. ¿Cuántos puertos diferentes para
una computadora existen en el centro?
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El procedimiento de elegir un puerto consiste
de dos tareas, primero seleccionamos una
computadora y entonces seleccionamos un
puerto para esa computadora. Debido a que
existen 32 formas de elegir la computadora y
24 formas de elegir un puerto. Por la regla
del producto existen 32*24= 768 puertos.
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Ejercicio
¿Cuántas cadenas de bits diferentes existen
de longitud siete ?
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Cada uno de los siete bits se puede elegir de
dos formas, porque cada bit es o 0 o 1. Por lo
tanto, por la regla del producto existen en
total 27=128 cadenas diferentes de bits de
longitud siete.
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Ejercicio
¿Cuántas placas de circulación diferentes
pueden formarse si cada placa contiene una
secuencia de tres letras del alfabeto del
Ingles seguida por tres dígitos (y ninguna
secuencia de letras esta prohibida)?
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Solución
Existen 26 elecciones para cada una de las
tres letras del alfabeto Ingles y 10 elecciones
para cada uno de los tres dígitos. Por lo
tanto, por la regla del producto existen un
total de 26*26*26*10*10*10=17,576,000
posibles placas de circulación.
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Contando funciones
¿Cuántas funciones existen desde un
conjunto con m elementos a un conjunto con
n elementos?
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Solución
Una función corresponde a elegir de uno de los n elementos en el codominio para cada uno de los m elementos en el dominio. Por lo tanto, por la regla del producto existen n*n*…*n=nm funciones desde un conjunto con m elementos a uno con n elementos.
Por ejemplo, existen 53=125 funciones diferentes desde un conjunto con tres elementos a un conjunto con cinco elementos.
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Contando funciones uno-a-uno
¿Cuántas funciones uno-a-uno existen desde un conjunto con m elementos a una con n elementos?
Primero nota que cuando m>n no existen funciones uno-a-uno desde un conjunto con m elementos a un conjunto con n elementos.
Ahora sea m<=n. Suponga que los elementos en el dominio son a1, a2, …, am. Existen n formas de elegir el valor de la función para a1. Como la función es uno a uno, el valor de la función en a2 puede elegirse de n-1 formas (porque el valor usado para a1 no puede volverse a usar de nuevo).
En general, el valor de la función en ak se puede elegir de n-k+1 formas. Por la regla del producto, existen n(n-1)(n-2)…(n-m+1) funciones uno-a-uno desde un conjunto con m elementos a una con n elementos.
Por ejemplo, existen 5*4*3=60 funciones uno a uno desde un conjunto con tres elementos a un conjunto con cinco elementos.
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Ejercicio
¿Cuál es el valor de k al termino del siguiente
código, donde n1, n2, …,nm son número
positivos?
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Solución
n1*n2*…*nm.
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Contando subconjuntos de un conjunto
finito
Usa la regla del producto para demostrar que el número de diferentes subconjuntos de un conjunto finito S es 2|S|.
Sea S un conjunto finito. Lista los elementos de S en un orden arbitrario. Existe una correspondencia uno-a-uno entre los subconjuntos de S y una cadena de bit’s de longitud |S|. Un subconjunto de S es asociado con una cadena de bits con un 1 en la i-esima posición si el i-esimo elemento en la lista esta en el subconjunto, y un 0 en otro caso. Por la regla del producto, existen 2|S| cadenas de bits de longitud |S|. Por lo tanto, |P(S)|=2|S|.
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PRINCIPIO ADITIVO Y
MULTIPLICATIVO
¿Cómo podemos distinguir cuando hacer uso del principio multiplicativo y cuando del aditivo?
Cuando se trata de una sola actividad la cual requiere para ser llevada a cabo de una serie de pasos, entonces haremos uso del principio multiplicativo y si la actividad a desarrollar o a ser efectuada tiene alternativas para ser llevada a cabo, haremos uso del principio aditivo.
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Ejercicio
En una versión del lenguaje de programación BASIC, el nombre de una variable es una cadena de uno o dos caracteres alfanuméricos, donde las letras mayúsculas y minúsculas no son distinguibles.
Un carácter alfanumérico es o uno de los 26 letras en Ingles o uno de los 10 dígitos.
Más aún, el nombre de una variable debe iniciar con una letra y deben ser diferentes de las cinco cadenas de dos caracteres que están reservadas para usos de programación. ¿Cuántas nombres de variable diferentes existen en esta versión de Basic?
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Propuesta de solución - análisis
En una versión del lenguaje de programación BASIC, el nombre de una variable es una cadena de uno o dos caracteres alfanuméricos, donde las letras mayúsculas y minúsculas no son distinguibles. V = v_1 + v_2 V_1 : variables de longitud 1
V_2 : variables de longitud 2
Un carácter alfanumérico es o uno de los 26 letras en Ingles o uno de los 10 dígitos. (26+10=36) V_1 = 26
V_2 = 26*36
Más aún, el nombre de una variable debe iniciar con una letra y deben ser diferentes de las cinco cadenas de dos caracteres que están reservadas para usos de programación. V_2 = 26*36 – 5 =931
¿Cuántas nombres de variable diferentes existen en esta versión de Basic? V= v_1 + v_2 = 26 + 931 = 957
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Ejercicio
Cada usuario de un sistema de computo
tiene un password, el cual es de seis a ocho
caracteres de longitud, donde cada carácter
es una letra o un digito.
Cada password debe contener al menos un
digito.
¿Cuántos posibles passwords existen?
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Solución
P – número de posibles passwords
P = P_6 + P_7 + P_8
(longitud 6 + longitud 7 + longitud 8)
P_6 debe contener al menos un digito
P_7 debe contener al menos un digito
P_8 debe contener al menos un digito
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Solución
P – número de posibles passwords
P = P_6 + P_7 + P_8 = 2,684,483,063,360
(longitud 6 + longitud 7 + longitud 8)
Quitamos a cada cadena, las cadenas que sólo tienen letras
P_6 = 366 – 266 = 2,176,782,336 – 308,915,776 = 1,867,866,560
P_7 = 367 – 267 = 78,364,164,096 – 8,031,810,176 = 70,332,353,920
P_8 = 368 – 268 = 2,821,109,907,456 – 208,827,064,576 = 2,612,282,842,880
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Regla de substracción (Inclusión-exclusión
para dos conjuntos)
Si una tarea se realiza de n1 formas o n2
formas, entonces el número de formas para
hacer la tarea es n1 + n2 menos el número
de formar para hacer la tarea que es común
en las dos formas diferentes.
Principio de Inclusión - exclusión
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Ejemplo
¿Cuántas cadenas de bits de longitud 8 o
inician con un 1 o terminan con dos bits 00?
128 + 64 – 32 = 160
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Ejercicio
Una compañía de computación recibe 350
aplicaciones de graduados de computación
para un trabajo de servicios Web. Suponga
que 220 de estas aplicaciones están
especializadas en ciencias de la
computación, 147 están especializadas en
negocios, y 51 en ambos. ¿Cuántas de estas
aplicaciones no están especializadas en
ciencias de la computación ni en negocios?
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Solución
|A1 U A2| = |A1| + |A2| - |A1 ∩ A2| = 220 +
147 – 51 = 316
Conclusión
350 – 316 = 34