組合せの数(帰納法)
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1 証明①(吸収の恒等式)
1.1 組合せの数の準備
組 \((A, a)\)(\(a \in A\))を、\(0\) での値が \(a\)・\(1\) での値が \(A\) の集合 \(\{(0,a),(1,A)\}\) で表す。
\(1\) での値が \(A\) の組は \(A\) の元と1対1に対応する。
\(0\) での値が \(a\) の組 \(\{(0,a),(1,A)\}\) は、\(A \setminus \{a\}\)(\(X \setminus \{a\}\) の \(k\) 元部分集合)と1対1に対応する。
組 \((A, a)\) の全体を、\(A\) ごとに数えると \((k+1) \cdot {}_{n+1}\mathrm{C}_{k+1}\)、\(a\) ごとに数えると \({}_{n}\mathrm{C}_{k} \cdot (n+1)\)(吸収の恒等式)。
LAb …
\(n \in \mathbb{M} , X \stackrel{\#}= n + 1 , k \in \mathbb{M} \Longrightarrow ( k + 1 ) \cdot ( ( n + 1 ) \mathrm{C} ( k + 1 ) ) = ( n \mathrm{C} k ) \cdot ( n + 1 )\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+ ,Ax⋅ ,AxC1.2 階乗の式
\(n = k + m\) 元の集合の \(k\) 元部分集合の個数 \(n \mathrm{C} k\) は \(\dfrac{n!}{k!\,m!}\)。割り算を避けて \(n \mathrm{C} k \cdot (k!\,m!) = n!\) の形で、吸収の恒等式を \(k\) について繰り返して示す。
\(k , m \in \mathbb{M} \Longrightarrow ( ( k + m ) \mathrm{C} k ) \cdot ( k ! \cdot m ! ) = ( k + m ) !\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+ ,Ax⋅ ,AxC ,Ax!2 証明②(Pascalの漸化式)
2.1 組合せの数の準備
1点を取り除くと個数は1つ減り(Lcan)、足すと1つ増える(Ladd)。
Lcan …
\(Y \cup \{ a \} \stackrel{\#}= k + 1 , a \notin Y , k \in \mathbb{M} \Longrightarrow Y \stackrel{\#}= k\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+Ladd …
\(B \stackrel{\#}= k , k \in \mathbb{M} , a \notin B \Longrightarrow B \cup \{ a \} \stackrel{\#}= k + 1\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+2.2 パスカルの漸化式
\(n \mathrm{C} k\) は \(n\) 個の集合の \(k\) 元部分集合の個数(AxC)。ここからパスカルの漸化式を導く。
空集合の \(k+1\) 元部分集合は無い。
\(n+1\) 個の集合 \(Y \cup \{x\}\)(\(x \notin Y\))の \(k+1\) 元部分集合は、\(x\) を含まないもの(\(Y\) の \(k+1\) 元部分集合)と、\(B \cup \{x\}\)(\(B\) は \(Y\) の \(k\) 元部分集合)に分かれる。
\(x \notin Y\) なので \(B \mapsto B \cup \{x\}\) は単射で、2つの組は交わらない。
choose𝕄 …
\(\begin{cases} n \in \mathbb{M} \Longrightarrow n \mathrm{C} 0 = 1 \\ k \in \mathbb{M} \Longrightarrow 0 \mathrm{C} ( k + 1 ) = 0 \\ n , k \in \mathbb{M} \Longrightarrow ( n + 1 ) \mathrm{C} ( k + 1 ) = n \mathrm{C} k + n \mathrm{C} ( k + 1 ) \end{cases}\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+ ,AxC2.3 階乗の式
\(n = k + m\) 元の集合の \(k\) 元部分集合の個数 \(n \mathrm{C} k\) は \(\dfrac{n!}{k!\,m!}\)。割り算を避けて \(n \mathrm{C} k \cdot (k!\,m!) = n!\) の形で示す。
\(k > n\) なら \(n \mathrm{C} k = 0\)、\(n \mathrm{C} n = 1\)。
\(k , m \in \mathbb{M} \Longrightarrow ( ( k + m ) \mathrm{C} k ) \cdot ( k ! \cdot m ! ) = ( k + m ) !\) \(\blacktriangleleft\) \(\mathbb{W}.\) ,ax_s ,Ax1 ,Ax+ ,Ax⋅ ,AxC ,Ax!