I. Princípio Fundamental da Contagem (P.F.C.)

Transcrição

1 ANÁLISE OMBINATÓRIA A principal finalidade da Análise ombinatória é estabelecer métodos de contagem. I. Princípio Fundamental da ontagem (P.F..) O P.F.., ou princípio multiplicativo, determina o número de maneiras distintas de ocorrência de um evento composto de duas ou mais etapas. Pode ser enunciado da seguinte forma: Se um evento A pode ocorrer de m maneiras diferentes, para cada maneira de A ocorrer, um evento B pode ocorrer de n maneiras diferentes; e para cada maneira de A e B ocorrerem, um evento pode ocorrer de p maneiras diferentes; então, o número de maneiras diferentes de ocorrerem A, B e é m n p. Exemplo 1: Quantos e quais são os possíveis resultados quando lançamos uma moeda três vezes consecutivas? Resolução: Vamos representar os resultados por meio de escrita (Árvore das possibilidades) tomando k = cara e = coroa 1 0 lançamento 0 lançamento 3 0 lançamento Resultados (,,) (,,) (,,) (,,) (,,) (,,) (,,) (,,) Assim, cada terno ordenado acima representa um possível resultado: (,,), (,,), (,,), (,,), (,,), (,,), (,,), (,,). Para efeito de cálculos devemos levar em consideração que cada lançamento representa um evento (lançar uma moeda) e em cada um deles existem dois resultados possíveis e, logo o total de resultados é dado pelo produto entre os números que indicam a quantidade de resultados possíveis em cada um desses eventos : 1 0 L 0 L 3 0 L possibilidades.. = 8

2 ANÁLISE OMBINATÓRIA Exemplo : (ENEM/0) O código de barras, contido na maior parte dos produtos industrializados, consiste num conjunto de várias barras que podem estar preenchidas com cor escura ou não. Quando um leitor óptico passa sobre essas barras, a leitura de uma barra clara é convertida no número 0 e a de uma barra escura, no número 1. Observe abaixo um exemplo simplificado de um código em um sistema de código com 0 barras. Se o leitor óptico for passado da esquerda para a direita irá ler: Se o leitor óptico for passado da direita para a esquerda irá ler: No sistema de código de barras, para se organizar o processo de leitura óptica de cada código, devese levar em consideração que alguns códigos podem ter leitura da esquerda para a direita igual à da direita para a esquerda, como o código , no sistema descrito acima. Em um sistema de códigos que utilize apenas cinco barras, a quantidade de códigos com leitura da esquerda para a direita igual à da direita para a esquerda, desconsiderando-se todas as barras claras ou todas as escuras, é (A) 14 (B) 1 () 8 ( D) 6 (E) 4 Resolução: Da esquerda para a direita ou da direita para a esquerda temos possibilidades para os três primeiros algarismos e para os dois seguintes apenas uma possibilidade para cada um deles, visto que os algarismos eqüidistantes dos extremos devem ser iguais. Assim: DM UM D U possibilidades = 8 Dentre as 8 possibilidades acima temos um código formado por todas as barras claras e um outro com todas as barras escuras, logo apenas 6 códigos satisfazem ao problema. Exemplo 3: Dados os algarismos 0, 1,, 3, 4 e 5, determine quantos números naturais podemos formar com 3 algarismos distintos. Resolução: Lembrando que o algarismo das centenas não pode ser zero devido ao fato de que nenhum número, em nosso sistema de numeração decimal, pode começar por zero (Salvo placas de carro, senhas e outros), então: 1,, 3,4 ou 5 0,1,, 4 ou 5 0,1, ou 4 centenas dezenas unidades possibilidades = 100

3 ANÁLISE OMBINATÓRIA Obs.: O algarismo sublinhado e em negrito indica, supostamente, que foi o escolhido dentre as opções. Exemplo 4: (ENEM/04) No Nordeste brasileiro, é comum encontrarmos peças de artesanato constituídas por garrafas preenchidas com areia de diferentes cores, formando desenhos. Um artesão deseja fazer peças com areia de cores cinza, azul, verde e amarela, mantendo o mesmo desenho, mas variando as cores da paisagem (casa, palmeira e fundo), conforme a figura. O fundo pode ser representado nas cores azul ou cinza; a casa, nas cores azul, verde ou amarela; e a palmeira, nas cores cinza ou verde. Se o fundo não pode ter a mesma cor nem da casa nem da palmeira, por uma questão de contraste, então o número de variações que podem ser obtidas para a paisagem é (A) 6 ( B) 7 () 8 (D) 9 (E) 10 Resolução: Este é um problema que deve ser feito por partes, pois fixando cada uma das possibilidades para o fundo resultará em um número de diferentes possibilidades para casa e para a palmeira, veja: Azul Verde ou amarela Verde ou cinza fundo casa palmeira possibilidades 1.. = 4 ou fundo casa palmeira possibilidades = 3 inza Verde, amarela ou azul Verde Então o número de variações que podem ser obtidas para a paisagem é = 7.

4 ANÁLISE OMBINATÓRIA Exemplo 5: Brenda possui 4 blusas diferentes e 5 saias diferentes. De quantos modos distintos ela pode se vestir? Resolução: blusas saias possibilidades 4. 5 = 0 Podemos apresentar os resultados acima através da árvore de possibilidades, veja: B 1 B B 3 B 4 S 1 B,S 1 1 S B,S 1 3 S B,S B,S 1 4 S 5 ( B,S 1 5) S ( ) S 1 B,S 1 S B,S 3 S B,S 3 4 B,S 4 S 5 ( B,S 5) S 1 S B,S ) 3 1 B,S ) 3 S 3 S B,S ) B,S ) 3 4 S 5 ( B,S 3 5) S 1 B,S 4 1) S B,S 4 S 3 S B,S B,S 4 4 S 5 ( B,S 4 5) S ( ) ada par ordenado acima representa uma possibilidade da Brenda se vestir. II. Permutações Simples Permutação simples de n elementos distintos é qualquer grupo ordenado desses n elementos. Para calcularmos uma permutação simples de n elementos usamos a seguinte fórmula: Pn = n! Exemplo 6 : Quantos são os números de 4 algarismos distintos que podemos formar com os algarismos do número 456? Resolução: Este é um problema que consiste em apenas permutar os algarismos do número 456, então o total de números é dado por P = 4! = 4. 4

5 ANÁLISE OMBINATÓRIA Exemplo 7: (UERJ) Observe o quadrinho abaixo: (O GLOBO, 03/01/93) As quatro pessoas que conversavam no banco da praça poderiam estar sentadas em outra ordem. onsiderando que o fumante ficou sempre numa das extremidades, o número de ordenações possíveis é: (A) 4 (B) 6 ( ) 1 (D) 4 (E) 48 Resolução: O problema consiste em fixar o fumante nas extremidades e logo a seguir permutar as outras pessoas nos lugares restantes. Veja: F ou F possibilidades = = 6 P3 = 3! P3 = 3! Logo o número de ordenações possíveis é 1. Exemplo 8: om relação aos anagramas da palavra VIDA, qual é o número total deles? Obs.: Anagramas são palavras que se formam, com as letras de uma determinada palavra, mesmo que não tenham significado. (Permutamos as letras da palavra primitiva) Resolução: omo cada anagrama é uma permutação simples das letras V, I, D e A, então P4 = 4! = 4 Exemplo 9:(UFF) om as letras da palavra PROVA podem ser escritos X anagramas que começam por vogal e Y anagramas que começam e terminam por consoante. Os valores de X e Y são, respectivamente: ( A ) 48 e 36 (B) 48 e 7 () 7 e 36 (D) 4 e 36 (E) 7 e 4

6 ANÁLISE OMBINATÓRIA Resolução: Primeiramente vamos determinar X: A ou O =. 4 = 48 Possibilidades. P4 = 4! = 4 P,R ou V P ou V e determinaremos agora Y : = 3.6. = 36 Possibilidades 3.. P3 = 3! = 6 Exemplo 10: (ESPM - SP) Permutam-se os algarismos,3,4,5,6 e 8 de todos os modos possíveis sem repeti-los e escrevem-se os números assim obtidos em ordem crescente de grandeza. Que posição ocupa o número ? Resolução: Para resolver esse tipo de problema, analisamos as possibilidades de cada algarismo, em cada casa, separadamente ou não. Assim teremos um maior controle sobre a posição de ,3 ou 4 (todos menores que ) = = 360 possibilidades 3 ou 3 P5 = 5! = 10 5 (todos menores que ) =. 4 = 48 possibilidades 1.. ou 3 P4 = 4! = (todos menores que ) =. 6 = 1 possibilidades ou 3 P3 = 3! = (todos menores que ) =. = 4 possibilidades P =! =

7 ANÁLISE OMBINATÓRIA possibilidades = 1 A posição do número é 45 0 que ele., pois temos = 44 números menores III. Permutações com elementos repetidos Para calcularmos uma permutação com elementos repetidos usamos a fórmula: n 1,n,n 3,...,n n! k Pn =, onde n! n! n!... n! n1+ n + n nk = n. 1 3 k Exemplo 11: Quantos são os anagramas da palavra PAPAI? Resolução: Em PAPAI temos vezes a letra P ( n 1 = ), vezes a letra A ( n = ) e somente um I ( n = 1), então: 3,,1 5! 10 P5 = = = 30!! 1! 4 Exemplo 1: Quantos são os anagramas da palavra BANANA que começam e terminam por A? Resolução: Quando for fixado nos extremos a letra A, não haverá repetições para essa letra nas outras posições e assim só haverá repetições para a letra N: A A = 1 Possibilidades 1. 1,1,1 4! 4 P4 = = = 1! 1! 1! Exemplo 13: Um menino se encontra numa extremidade O de uma sala retangular de 6 passos de comprimento por 4 passos de largura, conforme a figura. (Norte) A O (Leste)

8 ANÁLISE OMBINATÓRIA Se ele só pode dar um passo de cada vez, para o norte (N) ou para o leste (L), calcule quantos caminhos existem da origem O ao ponto A. (Obs.: A figura mostra dois caminhos diferentes) Resolução: Observe que em cada caminho o menino deu dez passos, sendo 6 para o Leste e 4 para o Norte, caracterizando assim uma permutação com elementos repetidos, pois esta regra será comum para qualquer caminho que o menino escolha. Assim o total de caminhos é 6,4 10! ! / P10 = = = 10. 6! 4! 6! / 4! IV. Arranjos simples Arranjos simples de n elementos distintos, p a p, é todo agrupamento ordenado formado por p elementos distintos escolhidos entre os n elementos dados.alculamos o número de arranjos simples da seguinte forma: n! An,p = (n p)! Exemplo 14: om os algarismos, 4, 6, 8 e 9 quantos números de dois algarismos distintos podemos formar? Resolução: Usando os algarismos e 4, por exemplo, podemos formar os números 4 e 4, assim temos um problema de arranjos simples, pois a ordem importa. O total de números 5! 5! 5 4 / 3! de dois algarismos é dado por A5, = = = = 0. (5 )! 3! 3! / Exemplo 15: (ESGRANRIO) Durante a opa do Mundo, que foi disputada por 4 países, as tampinhas de oca-cola traziam palpites sobre os países que se classificariam nos três primeiros lugares (por exemplo : 1 0 lugar : Brasil ; 0 lugar : Nigéria ; 3 0 lugar : Holanda). Se, em cada tampinha, os três países são distintos, quantas tampinhas diferentes poderiam existir? (A) 69 (B) 04 () 956 ( D ) 1144 (E) 1384 Resolução: No exemplo citado acima temos uma das 6 possibilidades de resultados com aqueles três países (basta permutá-los: P 3 = 3! = 6), ou seja, a ordem é importante. Assim o 4! 4 3 1! número de tampinhas diferentes é dado por A4,3 = = = (4 3)! 1! Obs.: O problema acima pode ser feito pelo princípio multiplicativo, veja: Possibilidades: = 1.144

9 ANÁLISE OMBINATÓRIA V. ombinações simples ombinação simples de n elementos distintos, p a p, é todo agrupamento nãoordenado formado por p elementos distintos escolhidos dentre os n elementos dados. alculamos o número de combinações simples da seguinte forma: n! n,p = p!(n p)! Exemplo 16: (UNIRIO/003) O bufê de saladas de um restaurante apresenta alface, tomate, agrião, cebola, pepino, beterraba e cenoura. Quantos tipos de saladas diferentes podem ser preparadas com cinco desses ingredientes, de modo que todas as saladas contenham alface, tomate e cebola? (A) 4 (B) 1 () 8 (D) 3 ( E ) 6 Resolução: Devemos escolher dois dos ingredientes restantes (agrião, pepino, beterraba e cenoura), sem se importar com a ordem, para completar as saladas. Desse modo o total de saladas é dado por : 4! 4 3! / 1 4, = = = = 6! (4 )!! /! Exemplo 17: (UERJ- 0 E.Q 007) Sete diferentes figuras foram criadas para ilustrar, em grupos de quatro, o Manual do andidato do Vestibular Estadual 007. Um desses grupos está apresentado a seguir. onsidere que cada grupo de quatro figuras que poderia ser formado é distinto de outro somente quando pelo menos uma de suas figuras for diferente. Nesse caso, o número total de grupos distintos entre si que poderiam ser formados para ilustrar o Manual é igual a: (A) 4 ( B ) 35 () 70 (D) 140 Resolução: omo a ordem em que as figuras vão estar expostas não importa, então temos um agrupamento que representa uma combinação. O número total de grupos é dado por : 7,4 7! 7 6 = = 4! 3! 5 4! 4! 6 = 35 Exemplo 18: A partir de um grupo de 5 rapazes e 4 moças, quantas comissões de 4 elementos podem ser formadas, havendo pelo menos uma moça na comissão?

10 ANÁLISE OMBINATÓRIA Resolução: Podemos determinar o total de grupos de 4 pessoas que podemos formar com as 9 pessoas, sem se importar com a ordem, e depois subtrair o número de grupos que só tem rapazes, restando então os grupos com pelo menos uma moça. Veja : 9! ! Total de grupos : 9,4 = = = 4! 5! 4 4 5! = 16 5! 5 4! Número de grupos formados apenas por rapazes: 5,4 = = 4!1! 4! 1 = 5 Portanto o total de grupos com pelo menos uma moça é 16 5 = 11. VI. Permutações irculares São as maneiras de se dispor elementos ao redor de um círculo. alculamos o número de permutações circulares da seguinte forma: ( ) = ( ) P n n 1! Exemplo 19: De quantas maneiras diferentes 3 pessoas podem sentar-se ao redor de uma mesa circular? Resolução: Vamos observar os deslocamentos ordenados, no sentido anti-horário, de três pessoas :A, B e. A B Observe que nas três situações ao lado todas as pessoas possuem os mesmos vizinhos à esquerda e à direita. As permutações apresentadas são idênticas. B A B A Nas três situações seguintes todas as pessoas possuem os mesmos vizinhos à esquerda e à direita, porém em relação às situações acima os vizinhos estão em posições contrárias.. As permutações abaixo são idênticas entre si, mas distintas em relação as sequências anteriores. Qualquer tentativa de se dispor as três pessoas de maneira distintas ao redor de uma mesa circular acaba repetindo uma das duas sequências: AB (AB AB BA) ou AB (AB BA BA) Deste modo existem apenas duas maneiras distintas de três pessoas sentarem ao redor de uma mesa circular. Usando a fórmula teremos : ( ) P (3) = 3 1! =! = A B A B B A

11 ANÁLISE OMBINATÓRIA VII. Partições Ordenadas e Partições não Ordenadas Vamos considerar um conjunto A e n subconjuntos de A não vazios a) A A = ( parai j) i j b) A1 A... An = A A 1, A,..., A n, tais que: - hamaremos de uma partição ordenada do conjunto A à sequência de conjuntos: ( A 1, A,..., An) Em uma sequência a ordem dos elementos (subconjuntos) é importante. - hamaremos de uma partição não ordenada do conjunto A ao conjunto: { A 1, A,..., A n} A ordem dos elementos(subconjuntos) de um conjunto não é importante. Vamos resolver alguns problemas combinatórios com auxílio dos conceitos acima. Exemplo 0: De quantas maneiras podemos dividir 9 pessoas em uma barraca de 5 lugares e duas de lugares? Resolução: ada uma das maneiras de se distribuir as 9 pessoas nas 3 barracas é uma partição ordenada, ou seja, depende da ordem com que escolhemos as barracas para a distribuição: de barraca 1 barraca barraca 3 Primeiramente escolheremos as 5 pessoas entre as 9 para ficarem na barraca 1. Isto pode ser feito maneiras. (A ordem com que escolhemos as pessoas não importa). 9,5 Em seguida, entre as 4 pessoas restantes, escolheremos, para ficarem na barraca. Isto pode ser feito de maneiras , Finalmente as pessoas restantes podem ser escolhidas de omo para cada uma das combinações na barraca 1 tereemos,, maneira para ocuparem a barraca maneiras de dispor pessoas na barraca e maneira de dispor pessoas na barraca 3, então o total de partições é: 4, 9! 4!! 9,5 4,, = = 756 5!4!!!!0! Isto é, existem 756 modos de dispormos as 9 pessoas nas 3 barracas. Exemplo 1: (UFRJ-007-N.Esp) Nove pessoas serão distribuídas em três equipes de três para concorrer a uma gincana. O número de maneiras diferentes de formar as três equipes é menor do que 300? Resolução: ada uma das maneiras de se distribuir as 9 pessoas nas 3 equipes é uma partição não ordenada, ou seja, a ordem com que iremos formar as equipes não é importante devido ao fato do

12 ANÁLISE OMBINATÓRIA número de pessoas ser igual em cada uma delas e assim permitir que três quaisquer das 9 pessoas façam parte de qualquer uma das equipes : de equipe 1 equipe equipe 3 Primeiramente escolheremos as 3 pessoas entre as 9 para compor a equipe 1. Isto pode ser feito maneiras. (A ordem com que escolhemos as pessoas não importa). 9,3 Em seguida, entre as 6 pessoas restantes, escolheremos 3, para compor a equipe. Isto pode ser feito de maneiras. 6,3 Finalmente as 3 pessoas restantes podem ser escolhidas de maneira para compor a equipe 3... omo para cada uma das combinações na equipe 1 teremos maneiras de compor a equipe e maneira de compor a equipe 3, então o total de partições é: 3,3 3,3 6,3 9! 6! 3! 9,3 6,3 3,3 = = !6! 3!3! 3!0! omo, por exemplo, as três pessoas que estão na formação inicial da equipe 1 poderiam estar na formação das equipes ou 3, então há repetições desses grupos nas formações das equipes, por isso precisamos dividir o número acima por 3! = 6 (permutação das equipes). Logo o número de partições não ordenadas é 1680 = 80 e assim o número de maneiras de se formar as três equipes é menor que VIII. Soluções inteiras não negativas de uma equação linear Teorema: O número de soluções inteiras não negativas da equação x1+ x xn = k é: ( + ) r! ( n 1 )! n k 1! Iremos em sala de aula desenvolver uma técnica de se calcular o número de soluções inteiras não negativas e soluções inteiras positivas sem o uso da fórmula. Exemplo :(UNIRIO) Uma pessoa quer comprar 6 empadas numa lanchonete. Há empada de camarão, frango, legumes e palmito. Sabendo-se que podem ser compradas de zero a 6 empadas de cada tipo, de quantas maneiras diferentes esta compra pode ser feita? Resolução: onsiderex o número de empadas de camarão y o número de empadas de frango z o número de empadas de legumes w o número de empadas de palmito, onde x, y, z e w e x+ y+ z+ w = 6 Então o número de soluções inteiras não negativas da equação x y z w = é a solução do problema.

13 ANÁLISE OMBINATÓRIA ( ) ( ) ( ) ( ) n+ k 1! ! 9! 9 = = = r! n 1! 6! 4 1! 6!3! ! 6! 6 = 84