Introdução a Combinatória- Aplicações, parte II

Transcrição

1 Introdução a Combnatóra- Aplcações, AULA Introdução Nesta aula vamos estudar aplcações um pouco dferentes das da aula passada. No caso estudaremos arranjos com repetção, permutações crculares e o prncpal: compreenderemos algumas propredades mportantes sobre coecentes bnomas. Forneceremos algumas provas bjetvas combnatóras acerca de alguns problemas. Estas provas são muto mportantes pos conseguem fornecer argumentos apenas usando o "bom senso", sem necesstar de construções mas arrojadas. Por este motvo estas tas provas combnatóras conseguem fornecer argumentos para certas demonstrações que uma prova formal, no sentdo da análse, por exemplo, não consegura. 7.2 Arranjos com repetção Na aula 5, vmos que o número de arranjos smples de n elementos tomados k a k é dado por: A k n = n(n 1)(n 2)...(n k + 1). Este número conta todas as possíves maneras de se retrar, de um conjunto de elementos dstntos k elementos, levando-se em conta a ordem dos elementos. O que é equvalente ao número de maneras

2 Introdução a Combnatóra-Aplcações, de se enlerar k pessoas em n lugares possíves. Caso repetções sejam permtdas, o prncípo multplcatvo nos dz que o número total de maneras de se retrar, levando-se em conta a ordem, k dos n objetos, dstntos ou não, é gual a AR k n = n k, uma vez que o prmero elemento pode ser retrado de n maneras, o segundo também de n maneras, e assm sucessvamente, até que o k-ésmo seja escolhdo. Exemplo 7.1. Quantos números de telefone celular com 8 dígtos é possível se ter, sabendo que o prmero dígto dever ser 8 ou 9? Consderando os 10 dígtos possíves em 7 lugares AR10 7 = 107 telefones dferentes xando 1 número, 8 ou 9. Logo, pelo prncípo multplcatvo, temos o total de 2AR10 7 = , telefones possíves. Exemplo 7.2. Qual o total de placas de carro que podem ser fetas constando de 7 símbolos, sendo os 3 prmeros consttuídos por letras e os 4 últmos por dígtos? Consderando-se o alfabetos com 26 letras, podemos escolher as 3 letras de AR26 3 = 263 maneras dferentes e os dígtos de AR10 4 = 10 4 formas dferentes. Logo, pelo prncípo multplcatvo, temos o total de AR26 3 AR4 10 = , placas possíves que poderão ser fetas. 70

3 CESAD 7.3 Permutações Crculares AULA 7 Nosso objetvo, agora, é contar o número de maneras de se ordenar n objetos dstntos em torno de um círculo. Por exemplo, consdere 3 objetos a, b, c, e coloquemos estes objetos em torno de um círculo. Armamos serem estas as úncas maneras decolocarmos estes 3 objetos em torno de um círculo. Isto porque cosderamos dêntcas duas dstrbuções quando uma pode ser obtda a partr da outra por uma smples rotação. Para melhor esclarecer esta denção, consderemos todas as permutações smples de a, b e c e coloquemos, em torno de um círculo, cada uma delas. Este procedmento está lustrado na gura abaxo. É fácl observar que, as 3 prmeras guras, bem como as 3 últmas podem ser obtdas a partr de outra pro uma smples rotação. No entanto nenhuma das 3 prmeras pode ser obtda, por rotação, a partr de nenhuma das 3 últmas. Logo, exstem apenas 2 permutações crculares de 3 objetos. Como exstem 3! permutações de 3 objetos e duas permutações crculares, temos que 2 = 3!/3. 71

4 Introdução a Combnatóra-Aplcações, É fácl notar que se soubermos quantas permutações smples dstntas geram permutações crculares equvalentes, teremos resolvdo o problema. É fácl ver que este número é n, pos se não consderássemos equvalentes as guras que podem concdr por rotação, teríamos o total de n!. Logo, P C n = n! n = (n 1)!, onde P C n denota o número de permutações crculares de n objetos. Exemplo 7.3. De quantas maneras 19 cranças podem dar as mãos para brncar de roda? Neste caso, basta consderarmos as permutações crculares de 19, 72

5 CESAD sto é, as 19 cranças podem brncar P C 19 = (19 1)! = 18! maneras. AULA Coecentes Bnomas Chamamos de bnômo qualquer expressão da forma a + b, sto é, a soma de dos símbolos dstntos. Estaremos nteressados no cálculo dos coecentes das expansões de potêncas de a+b. Vamos consderar, ncalmente, o produto (a+b)(c+d)(e+f) = ace+acf +ade+adf +bce+bcf +bde+bdf, que consste de oto termos, onde cada termo consste em 3 letras, cada uma seleconada de um dos bnômos. Pelo prncípo multplcatvo, é claro que o número total de termos é 2 3 = 8. Para o produto (a + b)(c + d)(e + f)(g + h), temos 2 4 = 16 termos, cada um consstndo de um produto de 4 letras, cada uma delas pertencendo a um dos 4 bnômos consderados. Por exemplo, acdf e adeh são alguns dos 16 termos deste últmo produto. No caso de n bnômos, temos 2 n termos. Consderemos, agora, o produto (a + b)(a + b)(a + b)(a + b)(a + b)(a + b) Como temos 64 maneras de seleconarmos 6 letras, uma de cada bnômo, e como todos os bnômos são guas a (a+b), teremos termos repetdos. Por exemplo, se tomarmos a letra a nos 4 prmeros e a letra b nos dos últmos, termos a 4 b 2, que rá aparecer toda vez que a letra a for escolhda em exatamente 4 dos bnômos e a letra b nos 2 restantes. Como sto pode ser feto de ( 6 4) maneras dferentes, concluímos que o coecente de a 4 b 2 é ( 6 4). Como todo termo consste do produto de 6 letras, o termo geral é da forma 73

6 Introdução a Combnatóra-Aplcações, a b j, onde + j = 6, ou seja, cada termo é da forma a b 6. Como um termo destes aparece ( 6 ) vezes a expansão acma é dada por: (a + b) 6 = 6 ( ) 6 a b 6. No caso geral (a + b) n, cada termo será da forma a b n. Note que o termo a b n rá aparecer para cada escolha da letra a em dos n fatores. Como tal escolha pode ser feta de ( n ) formas dferentes, temos que (a + b) n = n a b n. Nesta expansão, temos um termo dstnto para cada varando de 0 a n. Logo, são n + 1 termos dstntos dentre o total de 2 n. Na expansão de (a + b) n, (a + b) n = n a b n, denotamos o -ésmo termo por T +1, e, portanto, T +1 = ( n ) a b n. Exemplo 7.4. Calcule o quarto termo da expansão de (1 + x) 8. Temos aqu, a = 1, b = x, n = 8 e + 1 = 4. Logo = 3 e T 4 = T 3+1 = ( 8 3) 1 3 x 8 3 = 56x 5. Exemplo 7.5. Calcule o sexto termo da expansão de (x 5y) 10. Neste caso, a = x, b = 5y, n = 10 e + 1 = 6. Logo = 5 e T 6 = ( 10 5 ) x 5 ( 5y) 5 = x 5 y 5. Exemplo 7.6. Mostre que: 74

7 n = Como (a + b) n = + 0 n a b n, CESAD = 2 n. n se tomarmos a = b = 1, o lado esquerdo será 2 n, enquanto o lado dreto será a soma pedda no exercíco. AULA 7 Exemplo 7.7. Use argumentos combnatóros para mostrar que o número de subconjuntos de um conjunto de n elementos é 2 n. n = = 2 n. n Seja um ntero, n, o número de subconjuntos com k elementos de um conjunto contendo n elementos é ( n k), varando k de 0 a n temos a soma ( n ) ( 0 + n ) ( n ) n, que é o número de subconjuntos de um conjunto contendo n elementos. Mas sabemos, pelo exercíco anteror que esta soma vale 2 n, o que conclu a demonstração. 7.5 Conclusão Nestas duas últmas aulas vmos mportantes aplcações como por exemplo como calcular o número de soluções nteras de equações lneares. O mas mportante aqu não é memorzar fórmulas de como resolver problemas, mas, utlzar o bom senso para resolver problemas de contagem. Algumas provas com argumentos combnatóros foram fornecdas, e o nosso objetvo aqu é que sto estmule você a buscar outras maneras de resolver problemas de con- 75

8 Introdução a Combnatóra-Aplcações, tagem, utlzando estes métodos desenvolvdos aqu. Concerteza, os problemas que você aluno terá de resolver, talvez não sejam dêntcos a estes, mas esperamos que você perceba estruturas smlares a estas aqu apresentadas, e as utlze de forma cudadosa am de encontrar respostas pertnentes às questões apresentadas pelos seus alunos. RESUMO Arranjos com repetção O número de arranjos no caso em que repetções sejam permtdas, é gual o número total de maneras de se retrar, levando-se em conta a ordem, k dos n objetos, dstntos ou não, que vale AR k n = n k, onde ARn k denota o número de arranjos com repetção de n tomados k a k. Permutações crculares O número de permutações crculares de n elementos é gual ao número de manera de n pessoas se sentarem em uma mesa crcular, e este número vale: P C n = n! n = (n 1)!, onde P C n denota o número de permutações crculares de n objetos. Permutações crculares 76

9 CESAD A expansão de (a + b) n, é dada por n (a + b) n = a b n. AULA 7 PRÓXIMA AULA Na próxma aula, mudaremos o foco e estudaremos alguns elementos de probabldade e ndependênca de eventos. ATIVIDADES ATIV Utlzando o a fórmula bnomal mostre que ( n ) = ( n n ). Dca: analse a expansão de (a + b) n e (b + a) n. ATIV Encontre o número de maneras de r pessoas sentarem em um grupo de n pessoas em uma mesa crcular. ATIV a)encontre o número de soluções não negatvas da equação a + b + c + d + e = 22 b)faça o mesmo, porém com a restrção: a e b tem que ser postvos ATIV Encontre o número de soluções nteras para a desgualdade a + b + c + d < 11. ATIV Encontre o de termo geral na expansão multnomal de (a + b + c) 22 ATIV Use argumentos combnatoras para provar que (mn) (m!) n é um ntero postvo. ATIV Demonstrar a segunte dentdade: ( k ( k) + k+1 ) ( k + k+2 ) ( k +... k+n ) ( k = k+n+1 ) k+1. 77

10 Introdução a Combnatóra-Aplcações, LEITURA COMPLEMENTAR LIMA, Elon L., Matemátca para o Ensno Médo, Vol.2, IMPA, Projeto Eucldes, 1.ed., Ro de Janero, Santos, J.P.O., Mello, M. P., Murar, I. T. C., Introdução à Análse Combnatóra, 4 ed., Edtora Moderna, Ro de Janero, Morgado, A.C.O., Carvalho, J.B.P., Fernandez, P., Análse Combnatóra, Edtora Impa,