桌上有十个苹果,要把这十个苹果放到九个抽屉里,无论怎样放,我们会发现至少会有一个抽屉里面放不少于两个苹果。这一现象就是我们所说的“抽屉原理”。 抽屉原理的一般含义为:“如果每个抽屉代表一个集合,每一个苹果就可以代表一个元素,假如有n+1个元素放到n个集合中去,其中必定有一个集合里至少有两个元素。” 抽屉原理有时也被称为鸽巢原理。它是组合数学中一个重要的原理。
原理简介
第一抽屉原理
原理1: 把多于n个的物体放到n个抽屉里,则至少有一个抽屉里的东西不少于两件。
证明(反证法):如果每个抽屉至多只能放进一个物体,那么物体的总数至多是n×1,而不是题设的n+k(k≥1),故不可能。
原理2:把多于mn(m乘n)+1(n不为0)个的物体放到n个抽屉里,则至少有一个抽屉里有不少于(m+1)的物体。
证明(反证法):若每个抽屉至多放进m个物体,那么n个抽屉至多放进mn个物体,与题设不符,故不可能。
原理3:把无数还多件物体放入n个抽屉,则至少有一个抽屉里有无数个物体。
原理1 、2 、3都是第一抽屉原理的表述。
第二抽屉原理
把(mn-1)个物体放入n个抽屉中,其中必有一个抽屉中至多有(m—1)个物体(例如,将3×5-1=14个物体放入5个抽屉中,则必定有一个抽屉中的物体数少于等于3-1=2)。
常见运用
构造抽屉的方法
运用抽屉原理的核心是分析清楚问题中,哪个是物件,哪个是抽屉。例如,属相是有12个,那么任意37个人中,至少有一个属相是不少于4个人。这时将属相看成12个抽屉,则一个抽屉中有 37/12,即3余1,余数不考虑,而向上考虑取整数,所以这里是3+1=4个人,但这里需要注意的是,前面的余数1和这里加上的1是不一样的。
因此,在问题中,较多的一方就是物件,较少的一方就是抽屉,比如上述问题中的属相12个,就是对应抽屉,37个人就是对应物件,因为37相对12多。
最差原则
最差原则,即考虑所有可能情况中,最不利于某件事情发生的情况。
例如,有300人到招聘会求职,其中软件设计有100人,市场营销有80人,财务管理有70人,人力资源管理有50人。那么至少有多少人找到工作才能保证一定有70人找的工作专业相同呢?
此时我们考虑的最差情况为:软件设计、市场营销和财务管理各录取69人,人力资源管理的50人全部录取,则此时再录取1人就能保证有70人找到的工作专业相同。因此至少需要69*3+50+1=258人。
根据第一抽屉原理之原理2推导:mn+1个人的时候必有m+1个人找到的工作专业相同,所以是要求出mn+1的人数,已知n=3,m+1=70。考虑到
人力资源专业只有50人,得出mn+1=(69*3+50)+1=258人。
一个抽屉里有20件衬衫,其中4件是蓝的,7件是灰的,9件是红的,则应从中随意取出多少件才能保证有5件是同颜色的?
根据鸽巢原理,n个鸽巢,kn + 1只鸽子,则至少有一个鸽巢中有k + 1只鸽子。若根据鸽巢原理的推论直接求解,此时k=4,n=3,则应抽取 3 X 4 + 1 = 13件才能保证有5件同色。其实不然,问题的模型和鸽巢原理不尽相同。在解决该问题时,应该考虑最差的情况,连续抽取过程中抽取出4件蓝色的衬衣,即4件蓝色,取走后,问题变成有灰色和红色构成相同颜色的情况,这时,n=2,k + 1 = 5, k = 4. 故应取 4 + 4 X 2 + 1 = 13件。
问题分析:该情况下鸽巢原理的推论不再适用,由于蓝色的衬衫只有4件,而题目中要求有5件是同色的,导致4件蓝色衬衫都被抽取出这一最差情况的存在,所以应该先考虑最差情况,然后在此基础上再运用鸽巢原理。
证明
(
反证法):若每个抽屉都有不少于m个物体,则总共至少有mn个物体,与
题设矛盾,故不可能。
表现形式
把它推广到一般情形有以下几种表现形式。
形式一:设把n+1个元素划分至n个集合中(A1,A2,…,An),用a1,a2,…,an分别表示这n个集合对应包含的元素个数,则:至少存在某个集合Ai,其包含元素个数值ai大于或等于2。
证明:(反证法)假设结论不成立,即对每一个ai都有ai<2,则因为ai是整数,应有ai≤1,于是有:
a1+a2+…+an≤1+1+…+1=n
所以,至少有一个ai≥2,即必有一个集合中含有两个或两个以上的元素。
形式二:设把nm+1个元素划分至n个集合中(A1,A2,…,An),用a1,a2,…,an表示这n个集合对应包含的元素个数,则:至少存在某个集合Ai,其包含元素个数值ai大于或等于m+1。
证明:(反证法)假设结论不成立,即对每一个ai都有ai
a1+a2+…+an≤m+m+…+m=nm
所以,至少有存在一个ai≥m+1
知识扩展——高斯函数[x]定义:对任意的实数x,[x]表示“不大于x的最大整数”。例如:[3.5]=3,[2.9]=2,[-2.5]=-3,[7]=7,……一般地,我们有:[x]≤x<[x]+1
形式三:设把n个元素分为k个集合A1,A2,…,Ak,用a1,a2,…,ak表示这k个集合里相应的元素个数,需要证明至少存在某个ai大于或等于[n/k]。
证明:(用反证法)假设结论不成立,即对每一个ai都有ai<[n/k],于是有:
a1+a2+…+ak<[n/k]+[n/k]+…+[n/k] =k*[n/k]≤k*(n/k)=n
k个[n/k] ∴ a1+a2+…+ak
形式四:设把q1+q2+…+qn-n+1个元素分为n个集合A1,A2,…,An,用a1,a2,…,an表示这n个集合里相应的元素个数,需要证明至少存在某个i,使得ai大于或等于qi。
证明:(用反证法)假设结论不成立,即对每一个ai都有ai
于是有:a1+a2+…+an≤q1+q2+…+qn-n
所以,假设不成立,故必有一个i,在第i个集合中元素个数ai≥qi
形式五:证明:(用反证法)将无穷多个元素分为有限个集合,假设这有限个集合中的元素的个数都是有限个,则有限个有限数相加,所得的数必是有限数,这就与题设产生矛盾,所以,假设不成立,故必有一个集合含有无穷多个元素。(借由康托的无穷基数可将鸽巢原理推广到无穷集中。)
一般表述
在上面的第一个结论中,由于一年最多有366天,因此在367人中至少有2人出生在同月同日。这相当于把367个东西放入 366个抽屉,至少有2个东西在同一抽屉里。在第二个结论中,不妨想象将5双手套分别编号,即号码为1,2,...,5的手套各有两只,同号的两只是一双。任取6只手套,它们的编号至多有5种,因此其中至少有两只的号码相同。这相当于把6个东西放入5个抽屉,至少有2个东西在同一抽屉里。
抽屉原理的一种更一般的表述为:
“把多于kn+1个东西任意分放进n个空抽屉(k是正整数),那么一定有一个抽屉中放进了至少k+1个东西。”
利用上述原理容易证明:“任意7个整数中,至少有3个数的两两之差是3的倍数。”因为任一整数除以3时余数只有0、1、2三种可能,所以7个整数中至少有3个数除以3所得余数相同,即它们两两之差是3的倍数。
如果问题所讨论的对象有无限多个,抽屉原理还有另一种表述:
“把无限多个东西任意分放进n个空抽屉(n是自然数),那么一定有一个抽屉中放进了无限多个东西。”
用
高斯函数来叙述一般形式的抽屉原理的是:将m个元素放入n个抽屉,则在其中一个抽屉里至少会有
[(m-1)/n]+1个元素。
集合论的表述是:设A和B为同
基数的
有限集,f:A→B为一个
映射,则f为
单射的
充要条件是f为
满射。
抽屉原理的内容简明朴素,易于接受,它在数学问题中有重要的作用。许多有关存在性的证明都可用它来解决。
这个问题可以用如下方法简单明了地证出:
在平面上用6个点A、B、C、D、E、F分别代表参加集会的任意6个人。如果两人以前彼此认识,那么就在代表他们的两点间连成一条红线;否则连一条蓝线。考虑A点与其余各点间的5条连线AB,AC,...,AF,它们的颜色不超过2种。根据抽屉原理可知其中至少有3条连线同色,不妨设AB,AC,AD同为红色。如果BC,BD ,CD 3条连线中有一条(不妨设为BC)也为红色,那么三角形ABC即一个红色三角形,A、B、C代表的3个人以前彼此相识:如果BC、BD、CD 3条连线全为蓝色,那么三角形BCD即一个蓝色三角形,B、C、D代表的3个人以前彼此不相识。不论哪种情形发生,都符合问题的结论。
六人集会问题是组合数学中著名的拉姆塞定理的一个最简单的特例,这个简单问题的证明思想可用来得出另外一些深入的结论。这些结论构成了组合数学中的重要内容-----拉姆塞理论。从六人集会问题的证明中,我们又一次看到了抽屉原理的应用。
趣闻
已知n+ 1个互不相同的正整数,它们全都小于或等于2n,证明当中一定有两个数是
互质的。
匈牙利大数学家厄杜斯(PaulErdous,1913 - 1996) 向当年年仅11岁的
波萨 (LouisPósa) 提出这个问题,而小波萨思考了不足半分钟便能给出正确的答案。
波萨是这样考虑问题:取n个盒子,在第一个盒子我们放1和2,在第二个盒子我们放3和4,第三个盒子是放5和6,依此类推直到第n个盒子放2n-1和2n这两个数。
如果我们在n个盒子里随意抽出n+1个数。我们马上看到一定有一个盒子是被抽空的。因此在这n+1个数中必有两个数是连续数,很明显的连续数是互质的。因此这问题就解决了!这就是利用了
鸽巢原理的核心思想。