鸽巢原理及其应用毕业论文.doc
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1、毕业论文(设计)鸽巢原理及其应用院(系): 专 业: 学 生: 导 师: 不要删除分节符,此行不会被打印。鸽巢原理及其应用摘要鸽巢原理又称抽屉原理或重叠原理,是组合数学中两大基本原理之一。鸽巢原理要解决的是存在性问题,即在具体的组合数学问题中,要计算某些特定问题求解的方案数,其前提就是要知道这些方案的存在性。本文主要介绍鸽巢原理的各种表现形式,并更具这些形式解决实际问题。文中主要讲了鸽巢原理应用于整除关系问题,几何问题,人的相识问题,连续时间问题等比较常见的问题。用鸽巢原理解决问题,关键在于如何构造适当的鸽巢。对于同一个问题有不同的构造方式,而对于同一个问题也有不同的方法。所以,故在鸽巢时没有
2、固定的模式,应该因题而论,灵活运用鸽巢解题。另外,本文还简单介绍了鸽巢原理的广义模式,即Ramsey定理。文中指简单叙述了Ramsey定理在染色问题方面的应用。关键词:组合数学,鸽巢原理,构建鸽巢,瑞姆赛定理, Pigeonhole principle and applicationAbstractPigeonhole principle, also known as the principle or drawer superposition principle, is a combination of two basic principles of mathematics. Pigeonho
3、le principle to solve the existence problem is, that the specific combination of mathematical problems, to calculate the specific number of problem-solving program, its premise is to know the existence of these programs. This paper describes the pigeonhole principle in all its manifestations, and mo
4、re of these forms to solve practical problems. Major topics of the text used in the pigeonhole principle divisible by relationship problems, geometric problems, who met the problem, continuous-time problems of the more common problems. With the pigeonhole principle to solve the problem, the key is h
5、ow to construct an appropriate pigeonholes. For the same problem with different construction methods, and for the same problem with different methods. Therefore, it is in the pigeonhole without a fixed pattern, it should be because of problems in terms of the flexible use of pigeonhole problem-solvi
6、ng. In addition, the paper also briefly describes the pigeonhole principle generalized model, that Ramsey theorem. They pointed out brief description of the Ramsey theorem in coloring of the application. 将英文摘要设置了两端对齐,注意有没有文字间距被拉伸的变形了,此行不会被打印。Key Words: Combinatorial mathematics,pigeonhole principle,
7、to build pigeon nest,Ramsey principle,目 录摘要IAbstractII第1章绪论1第2章鸽巢原理及其应用22.1鸽巢原理22.1.1鸽巢原理的基本形式22.1.2鸽巢原理的推广形式(一)322.1.3鸽巢原理的推广形式(二)32.2鸽巢原理的应用32.2.1鸽巢原理应用于“整除关系”问题242.2.2鸽巢原理应用于“几何图形”问题382.2.3鸽巢原理应用于“人的相识”问题2112.2.4鸽巢原理应用于“连续时间”问题4122.2.5鸽巢原理的其他应用113第3章Ramsey问题2183.1Ramsey问题183.2Ramsey问题的一般化19结论21参考
8、文献22致谢23输入完毕请右击目录主体,选择更新域,并在Abstract行末和“结论”前一行行末加回车。此行不会被打印。23鸽巢原理及其应用第1章 绪论鸽巢原理又称抽屉原理或重叠原理,是组合数学中两大基本原理之一,是一个极其初等而又应用广泛的数学原理。其道理并无深奥之处,且正确性也很明显。但是若能灵活应用,便可能得到一些意想不到的结果。鸽巢原理要解决的是存在性问题,即在具体的组合数学问题中,要计算某些特定问题求解的方案数,其前提就是要知道这些方案的存在性。 在19世纪时一个名叫狄利克雷(Dirichlet 18051859)的德国数学家,在研究数论的问题时最早很巧妙运用鸽笼原理去解决问题。后来
9、德国数学家敏古斯基(Minkowski 18641909)也运用这原理得到一些结果。 到了20世纪初期杜尔(AThue 18631922)在不知道狄利克雷和敏古斯基的工作情况下,很机巧地利用鸽笼原理来解决不定方程的有理数解的问题,有12篇论文是用到这个原理。 后来西根(CLSiegel,1896?)利用杜尔的结果发现了现在称为西根引理的东西,这引理(Lemma)是在研究超越数时是最基本必用的工具。 1930年,英国逻辑学家F. P. Ramsey将这个简单原理作了深刻推广,即瑞姆赛(Ramsey)定理,也称为广义抽屉原理。它是一个重要的组合定理,并且在数论和密码学中也有着广泛的应用。使用鸽巢原
10、理解题的关键是巧妙构造鸽巢或抽屉,即如何找出合乎问题条件的分类原则。第2章 鸽巢原理及其应用2.1 鸽巢原理所谓鸽巢原理即如:1 (1)抽屉只有10双手套散开放着,从中任取出11只,其中至少有一双是成双的。(2)某次会议又为代表列席,每位代表认识其中某些人,则至少有两人认识的人数相等。(3)给定5个不同的正整数,其中至少有5个数的和被3整除 2.1.1 鸽巢原理的基本形式 只鸽子,只有只笼子,则至少有一支笼子里有两支鸽子。证明:如果这个笼子中的每一个都至多含有一个鸽子,那么鸽子的总数最多是,矛盾。所以,既然我们有个鸽子,于是某个笼子就必然包含至少两个鸽子。例2.1.1.1 366个人中必然至少
11、存在两人有相同的生日。其道理很简单,一年有365天,则366人中至少有一天是其中两人的生日。例2.1.1.2 5双随意摆放的袜子,从中任意抽取6只,则至少有两只是完整配对的。2.1.2 鸽巢原理的推广形式(一)3令,为正整数,如果将+-+1个物体放入个盒子内,那么,或者第一个盒子至少含有个物体,或者第二个盒子至少含有个物体,或者第个盒子至少含有个物体。证明:设将+-+1个物体分放到个盒子中,如果对于每个=1,2,第个盒子含有少于个物体,那么所有盒子中的物体总数不超过 (-1)+(-1)+ +(-1)+1=+-,该数比所分发的物体总数少1,所以我们断定,对于某一个=1,2,第个盒子至少包含个物体
12、。 2.1.3 鸽巢原理的推广形式(二)由上面的原理可得如下推论:推论2.1.3.1:只鸽子放入个笼子中,则至少有一个笼子中有不少于+1只鸽子。 如若不然,笼子里的个子不超过只,则个笼子的鸽子树不超过与假设矛盾。 推论2.1.3.2:(-1)+1只鸽子放入个鸽笼,则至少有一个鸽笼中有只鸽子。 推论2.1.1.3:设,均为正整数,且满足,则,申至少有一个数不小于。 例2.1.3.1 任意一群人中,必有两个人有相同数目的朋友。证明:设有个人,分3种情形讨论:(1)每个人都有朋友,由上面的举例可知结论成立;(2)只有一人无朋友,余下的-1人都有朋友,由(1)知此-1人中必有两人有相同数目的朋友;(3
13、)有两人或两人以上的人无朋友,则朋友数为0的人已经有两个,结论同样成立。2.2 鸽巢原理的应用鸽巢原理应用广泛,本文主要列举以下几类2.2.1 鸽巢原理应用于“整除关系”问题2例2211 在前12个自然数中任取7个数,一定存在两个数,其中的一个数是另一个数的整数倍。 分析:若能把前12个自然数划分成6个集合,即构成6个抽屉,使每个抽屉内的数或只有一个,或有任意的两个数,其中的一个是另一个的整数倍,这样就可以由抽屉原理推出结论。那么如何对这12个自然数进行分组。我们知道,一个自然数,它要么是奇数,要么是偶数。若是偶数,我们总能把它表达为奇数与(=1,2,3,)的乘积的形式。这样,如果允许上述乘积
14、中的因子2k的指数可以等于零,则每一个自然数都可表达成“奇数(=0,1,2,)的形式,于是,把这12个自然数用上述表达式进行表达,并把式中“奇数”部分相同的自然数作为一组,构成一个抽屉。 证明:把前12个自然数划分为如下六个抽屉: =l,l,l,1 ,=3,3,3 ,=5,5 ,=7 ,=9 ,=11 ,显然,上述六个抽屉内的任意两个抽屉无公共元素,且+=1,2,3,12。由鸽巢原理,对于前12个自然数不论以何种方式从其中取出7个数,必定存在两个数同在A1或A2或A3抽屉里,那么这两个数之间存在倍数关系。即一个数是另一个数的整数倍。 归纳:从1到2的正整数中任取+1个数,则这+1个数中至少有两
15、个数,其中一个数是另一个数的倍数。 证明:设这+1个数为,我们对其中的每一个数都进行如下的处理:去掉一切2的因子,直到剩下奇数为止。例如,20=5,去掉2留下奇数5,结果可得到+1个奇数,。显然1,2,而1到2中只有个奇数,由抽屉原理知,上面+1个奇数中至少有两个数是相同的,设这两个数为=(),它们分别代表的整数为和,不论它们谁大谁小,和也之间总存在倍数关系,即一个数是另一个数的整数倍。 例2212证明对任意给定的52个整数,存在其中的两个整数,要么两者的和能被100整除,要么两者的差能被100整除。 证明:任意一个整数除以100产生的余数不外乎为0,1,2,99。题目中的52个整数除以100
16、则产生52个余数(=1,2,52)。 如果这52个余数中有两个余数相等,即=(),那么一定能被100整除。即存在两个数,它们的差能被100整除。 如果这52个余数均不相等,我们现在对0,1,2,99这100个数来构造抽屉,将相加之和为100的两个数放在同一个抽屉里。 构造出来的51个抽屉如下:1,99,2,98,3,97,,49,51,0,50由于有52个不同的余数,根据鸽巢原理,必有两个余数来自同一个抽屉,这只能从前49个抽屉中取出。而不论从哪个抽屉取出,同一个抽屉里的两个余数之和为100,那么一定有产生这两个余数的两个整数之和能被100整除。 例2213 证明对任意+1个正整数a1,a2,
17、an + 1,(1)存在两个正整数和(),使得能够被整除;(2)至少存在整数和,使得和是倍数4。 证明:(1)一个整数除以的余数不外乎为0,1,2,-1。+1个整数a1,a2,an + 1除以则产生+1个余数,由于一个整数除以最多只能产生个不同的余数(即个抽屉),故根据鸽巢原理,这+1个余数中,一定有两个相等。那么,产生相等余数的两个整数相减,其差一定能被整除。 (2) 构造一个数列, , 则有两种情形:(1若有一个是的倍数,得证。(2设在上面的序列中没有任何一个元素是的倍数。令,其中=1,2,。假定上面的序列中所有的项都非的倍数,故其中,无一位0,而且所有的均小于。不超过的-1的正整数只有-
18、1个。根据鸽巢原理,其中至少存在一对,满足=。即和满足不妨设。, 得证。例2214 证明: 1200这200个整数,取出100个,如果其中一个小于16,则100个数中必有一个可以被其中的另一个除尽。6 证:(1)将1200的数=,为奇数。 则=1,3,5,199,有100个数。 有=|=,|。 (2)从1200这200个整数,取出100个, 。 (3)若中有=, 由(1)| 。 (4)若=1,3,5,199, 若=1,3,5,7,9,11,13,15 有,使=3 | =3。 (5)若=1,3,5,199, 若=8, 有,使=3, 有,使=9, 有,使=27, 有,使=81, , |。 ,同理若
19、 ,或,或, 则命题成立。 而,或,或,或, 至少有一个成立,这时命题成立。 同理若=1,3,5,199, 若=2,4,6,10,12,14时命题成立2.2.2 鸽巢原理应用于“几何图形”问题3例2221 在边长为1的等边三角形内任意选择5个点,存在2个点,其间距离至多为1/2。 证明:由题意,可以构造出4个抽屉,每个抽屉满足在其问的距离至多为1/2(见图1)。根据鸽巢原理,在4个抽屉里分别放置4个点,不论第5个点如何放置,都满足两点之间的距离最多为1/2。 图(1) 图(2) 图(3)例1222证明在边长为1的等边三角形内任意选择10个点,存在两个点,其间距离至多为1/3。 证明:按照图(2
20、)的构造可以证明该题。归纳:在边长为1的等边三角形内任意选择+1个点,存在2个点,其间距离为在边长为1的等边三角形内任意选择5个点,存在2个点,其间距离至多为1/2。例2222证明在边长为1的等边三角形内任意选择10个点,存在两个点,其间距离至多为1/3。 证明:按照图(2)的构造可以证明该题。归纳:在边长为1的等边三角形内任意选择+1个点,存在2个点,其间距离为。 例2223 在单位正方形内任意给定51个点,求证至少有三个点落在一个半径为1/7的圆内。 证明:将单位正方形的各边五等分,以此把它分成25个边长为l/5的小正方形,作为25个抽屉。根据抽屉原理可知,其中至少有一个小正方形中含有+1
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