• Không có kết quả nào được tìm thấy

Số các ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2024

Chia sẻ "Số các ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn"

Copied!
26
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Văn bản

(1)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN TIẾN

SỐ CÁC ÁNH XẠ KHÔNG PHÂN RÃ ĐƯỢC TRÊN TẬP HỮU HẠN

Chuyên ngành: Phương pháp Toán sơ cấp Mã số: 60.46.40

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng - Năm 2011

(2)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn An Khương

Phản biện 1: TS. Lê Hải Trung

Phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Gia Định

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ khoa học họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 28 tháng 5 năm 2011.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.

- Thư viện trường Đại học sư phạm, Đại học Đà Nẵng.

(3)

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Tổ hợp là một lĩnh vực quan trọng của toán học nói chung và toán rời rạc nói riêng. Các bài toán tổ hợp có nội dung phong phú, được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong thực tế đời sống và trên nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là xác suất thống kê.

Hiện nay, kiến thức cơ bản về tổ hợp đã được đưa vào chương trình giảng dạy ở lớp 11. Trong những kì thi tuyển sinh đại học, thi học sinh giỏi quốc gia, thi Olympic toán quốc tế, thi Olympic sinh viên giữa các trường đại học và cao đẳng thì các bài toán tổ hợp hay được đề cập và thường thuộc loại khó. Đối với những bài toán tổ hợp phức tạp việc áp dụng các kiến thức cơ bản để giải sẽ gặp nhiều khó khăn, nên cần có những phương pháp sắc bén hơn.

Chính vì những lí do trên, chúng tôi chọn đề tài "Số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn"nhằm nghiên cứu về số các ánh xạ trên các tập hữu hạn thỏa mãn tính chất mà chúng tôi gọi là "không phân rã được".

2. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là đề xuất thêm phương pháp chứng minh mới, hoàn toàn bằng sơ cấp để tính số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là số ánh xạ không phân rã được.

Phạm vi nghiên cứu là số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.

(4)

4. Phương pháp nghiên cứu

Đọc hiểu và sử lý tài liệu tham khảo đồng thời làm việc theo sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hệ thống hóa các phương pháp tìm số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.

Đưa ra cách chứng minh mới cho việc tìm số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.

6. Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm bốn chương.

Chương 1: Kiến thức chuẩn bị.

Trong phần này chúng tôi giới thiệu những kiến thức và các kết quả cơ bản về các quy tắc đếm, sử dụng quy tắc song ánh, phân hoạch tổ hợp để giải quyết các bài toán tổ hợp, đồng thời nêu khái niệm về xích và độ dài của xích.

Chương 2: Các số tổ hợp cơ bản.

Chương này chúng tôi nhắc lại các số tổ hợp cơ bản, đó là các số Hoán vị, Chỉnh hợp, Tổ hợp, số Stirling loại một, số Stirling loại hai và số Bell cùng với số các ánh xạ đặc biệt trên tập hữu hạn.

Chương 3: Dãy nhị thức.

Trong chương này luận văn giới thiệu sơ lược về dãy nhị thức

P

n

(t)

n≥0. Chương 4: Ánh xạ không phân rã được.

Đây là chương cơ bản và quan trọng nhất của luận văn chúng tôi đưa ra một số khái niệm mới như ánh xạ không phân rã được từ tập

[n]

vào chính nó. Đặc biệt chúng tôi đưa ra cách chứng minh mới để tìm số ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.
(5)

Chương 1

KIẾN THỨC CHUẨN BỊ

1.1 Quy tắc cộng, quy tắc nhân

1.1.1 Quy tắc cộng

Nếu có

m

1 cách chọn đối tượng

a

1,

m

2 cách chọn đối tượng

a

2, ...,

m

n cách chọn đối tượng

a

n, trong đó cách chọn đối tượng

a

i

(1 ≤ i ≤ n)

không phụ thuộc vào bất kì cách chọn đối tượng

a

j nào

(1 ≤ j ≤ n, i 6= j )

thì sẽ có

n

P

k=1

m

k cách chọn đối tượng

a

1, hoặc

a

2, ..., hoặc

a

n

.

Để vận dụng có hiệu quả, ta chuyển qui tắc này sang dạng sau:

Cho

n

tập hợp

A

k

(1 ≤ k ≤ n)

với

|A

k

| = m

k

∀i, j (1 ≤ i, j ≤ n)A

i

∩ A

j

= ∅

, khi

i 6= j

. Khi đó số cách chọn

a

1, hoặc

a

2, ..., hoặc

a

n sẽ bằng số cách chọn các phần tử

a ∈

n

S

k=1

A

k

|

n

S

k=1

A

k

| =

n

P

k=1

|A

k

|

.

1.1.2 Quy tắc nhân

Cho

n

đối tượng

a

1

, a

2

, ..., a

n. Nếu có

m

1 cách chọn đối tượng

a

1 và ứng với mỗi cách chọn

a

1 ta có

m

2 cách chọn đối tượng

a

2, sau đó với mỗi cách chọn

a

1

, a

2 ta có

m

3 cách chọn đối tượng

a

3, ... Cuối cùng với mỗi cách chọn

a

1

, a

2

, ..., a

n−1 ta có

m

n cách chọn đối tượng

a

n.

Vậy sẽ có

m

1

.m

2

...m

n−1

.m

n cách chọn các đối tượng

a

1, rồi

a

2,..., rồi

a

n.

Chú ý 1. Để vận dụng có hiệu quả, ta chuyển quy tắc nhân sang dạng sau:

(6)

Giả sử có

n

tập hợp

A

k

(1 ≤ k ≤ n)

với

|A

k

| = m

k. Khi đó, Số cách chọn (S) bộ gồm

n

phần tử

(a

1

, a

2

, ..., a

n

)

với

a

i

∈ A

i

(1 ≤ i ≤ n)

sẽ là:

S = |A

1

.A

2

...A

n

| = m

1

.m

2

...m

n

=

n

Y

k=1

m

k

1.2 Nguyên lý bù trừ

Định lý 1.1. [4] Cho

n≥2

tập hợp hữu hạn

A

1

, ..., A

n

.

Khi đó ta có :

|A

1

∪ A

2

∪ ... ∪ A

n

| =

n

X

i=1

|A

i

| −

X

1≤i<k≤n

|A

i

∩ A

k

| +

X

1≤i<j<k≤n

|A

i

∩ A

j

∩ A

k

|

+... +

X

1≤i1<i2<...<ik≤n

(−1)

k+1

|A

i1

∩ A

i2

... ∩ A

ik

|

+... + (−1)

n+1

|A

1

∩ A

2

∩ ... ∩ A

n

|. (∗) 1.3 Quy tắc song ánh

Định lý 1.2. [4] Cho hai tập hợp A, B hữu hạn Nếu có một đơn ánh f:

A −→ B

thì

|A| ≤ |B |

. Nếu có một toàn ánh f:

A −→ B

thì

|A| ≥ |B|

. Nếu có một song ánh f:

A −→ B

thì

|A| = |B|

.

1.4 Độ dài của xích

Chú ý 2. Mỗi song ánh từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó được gọi là một phép thế trên

n

phần tử. Gọi

S

n là tập hợp tất cả các phép thế trên n phần tử. Nếu

α, β ∈ S

n thì ánh xạ hợp thành

αβ

xác định bởi công thức:

αβ(i) = α(β (i)), (1 ≤ i ≤ n)

cũng là một song ánh từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó, tức

αβ ∈ S

n
(7)

Định nghĩa 1.1. [3] Giả sử

x

1

, ..., x

k là các phần tử đôi một khác nhau trong

{1, 2, ..., n}

. Ta kí hiệu bởi

(x

1

, x

2

, ..., x

k

)

phép thế giữ nguyên các phần tử khác

x

1

, x

2

, ..., x

k và tác động trên

x

1

, ..., x

k như sau:

x

1

7→ x

2

, x

2

7→ x

3

, ..., x

k−1

7→ x

k

, x

k

7→ x

1

.

Nó được gọi là một xích với độ dài

k

trên tập nền

{x

1

, x

2

, ..., x

k

}

. Với

(x

1

, ..., x

k

)

được gọi là một xích của phép thế

α ∈ S

n nếu

α

tác động giống như

(x

1

, ..., x

k

)

trên các phần tử

x

1

, x

2

, ..., x

k (

α

có thể tác động không tầm thường trên các phần tử

x

1

, ..., x

k

)

.

Định lý 1.3. [3] Mọi phép thế

α ∈ S

n đều là tích của tất cả các xích khác nhau của nó. Các tập nền của các xích này là các tập con rời nhau của tập

{1, 2, ..., n}

.

Nhận xét 1.1. Khi viết một phép thế của

S

n như là tích của các xích rời rạc, tức là xích với tập nền rời nhau, thì thứ tự của các xích ở trong tích là không quan trọng.
(8)

Chương 2

CÁC SỐ TỔ HỢP CƠ BẢN

2.1 Cấu hình tổ hợp

2.1.1 Chỉnh hợp lặp

Định nghĩa 2.1. Cho tập hữu hạn

X

gồm

n

phần tử. Mỗi dãy có độ dài

k

các phần tử của tập

X

, mà mỗi phần tử có thể lặp lại nhiều lần và được sắp xếp theo một thứ tự nhất định được gọi là một chỉnh hợp lặp chập

k

của

n

phần tử thuộc tập

X

.

Định lý 2.1. [4] Số chỉnh hợp lặp chập

k

của n phần tử, kí hiệu là

A

kn, thì

A

kn

= n

k

2.1.2 Hoán vị

Định nghĩa 2.2. Cho một tập hợp gồm n

(n ≥ 1)

phần tử . Mỗi cách sắp xếp n phần tử này theo một thứ tự nào đó ( mỗi phần tử có mặt đúng một lần) được gọi là một hoán vị của n phần tử đã cho.

Định lý 2.2. [4] Kí hiệu số hoán vị của

n

phần tử là

P

n thì

P

n

= n!

2.1.3 Hoán vị lặp

Định nghĩa 2.3. Hoán vị trong đó mỗi phần tử xuất hiện ít nhất một lần được gọi là hoán vị lặp.

Định lý 2.3. [4] Số hoán vị lặp của

n

phần tử thuộc

k

loại, mà các phần tử loại

i (1 ≤ i ≤ k)

xuất hiện

n

i lần được kí hiệu là

P (n

1

, n

2

, ..., n

k

)

(9)

và được tính bằng công thức:

P (n

1

, n

2

, ..., n

k

) = n!

n

1

!n

2

!...n

k

! , n = n

1

+ n

2

+ ... + n

k

.

2.1.4 Tổ hợp lặp

Định nghĩa 2.4. Cho tập hợp

A = {a

1

, a

2

, ..., a

n

}

. Một tổ hợp lặp chập

m

(

m

không nhất thiết phải nhỏ hơn

n

) của

n

phần tử thuộc

A

là một bộ gồm

m

phần tử, mà mỗi phần tử này là một trong những phần tử của

A

.

Định lý 2.4. Ta sử dụng

C

nm để kí hiệu số tổ hợp lặp chập

m

của

n

phần tử. Khi đó:

C

nm

= C

n+m−1m

2.1.5 Phân hoạch thứ tự tổ hợp

Định nghĩa 2.5. Giả sử

X

là một tập hợp gồm

n

phần tử. Khi đó ta có phân hoạch của tập

X

thành

k

khối là một họ tùy ý

π = {B

1

, B

2

, ..., B

k

}

B

1

∪ B

2

∪ ...B

k

= X

,

B

i

∩ B

j

= ∅

với mọi

1 ≤ i < j ≤ k

B

i

6= ∅

với mọi

1 ≤ i ≤ k

. Các tập con

B

1

, ..., B

k được gọi là các khối của phân hoạch

π

.

Định nghĩa 2.6. Giả sử

X

là một tập hợp gồm

n

phần tử khác nhau,

r ≤ n

S ⊂ X

r

phần tử. Một phân hoạch

{S

1

, S

2

, ..., S

k

}

có thứ tự

S

gọi là một phân hoạch thứ tự tổ hợp chập

r

của

X

. Nếu

r = n

thì gọi là phân hoạch thứ tự của

X

.

Cho các số nguyên dương

n

1

, n

2

, ..., n

k thỏa:

n

1

+ n

2

+ ... + n

k

= r

. Số các phân hoạch thứ tự tổ hợp chập

r

của

X

dạng

{S

1

, S

2

, ..., S

k

}

|S

1

| = n

1

, |S

2

| = n

2

, ..., |S

k

| = n

k được kí hiệu là

C (n; n

1

, n

2

, ..., n

k

)

. Định lý 2.5. [2]

C (n; n

1

, n

2

, ..., n

k

) = n!

n

1

!n

2

!...n

k

!(n − r)! = P (n

1

, n

2

, ..., n

k

, n − r).

(10)

Định lý 2.6. [2] Số phân hoạch không thứ tự của tập

X

gồm:

p

1 tập có

n

1 phần tử,

p

2 tập có

n

2 phần tử, ...,

p

k tập có

n

k phần tử được tính theo công thức:

C (n; n

1

, ..., n

1

, n

2

, ..., n

2

, ..., n

k

, ..., n

k

) p

1

!p

2

!...p

k

!

= n!

p

1

!(n

1

!)

p1

p

2

!(n

2

!)

p2

...p

k

!(n

k

!)

pk

.

(trong

C (n; n

1

, ..., n

1

, n

2

, ..., n

2

, ..., n

k

, ..., n

k

)

số

n

1 lặp lại

p

1 lần, số

n

2 lặp lại

p

2 lần, ..., số

n

k lặp lại

p

k lần)

2.2 Các số Stirling loại một, số Stirling loại hai và số Bell

2.2.1 Số Stirling loại một

Định nghĩa 2.7. Số song ánh trên tập n phần tử được tách thành

k

vòng xích được gọi là số Stirling loại một không dấu, kí hiệu là

c

n,k

.

Số

s

n,k

= (−1)

n−k

c

n,k

.

được gọi là số Stirling loại một.

Từ định nghĩa ta rút ra được

c

n,k

= 0, ∀k > n

.

Định lý 2.7. [8] Với

n

là số nguyên không âm cố định, ta có:

x

(n)

=

n

X

k=0

c

n,k

x

k

(2.1)

với

x

(n)

= x(x + 1)...(x + n − 1), x

(0)

:= 1

.

Mệnh đề 2.1. Ta có:

n

X

k=0

s

n,k

x

k

= x

(n)

.

Thay

x = 1

u

vào Mệnh đề 2.1 và Định lí 2.7 ta được mệnh đề sau.

Mệnh đề 2.2. [6] Ta có:

a)

X

1≤k≤n

s

n,k

u

n−k

= (1 − u)(1 − 2u)...(1 − (n − 1)u).

(11)

b)

X

1≤k≤n

c

n,k

u

n−k

= (1 + u)(1 + 2u)...(1 + (n − 1)u).

Thay

n

bằng

n + 1

k

bằng

n + 1 − k

vào Mệnh đề 2.2 b ta được:

X

1≤n+1−k≤n+1

c

n+1,n+1−k

u

k

= (1 + u)(1 + 2u)...(1 + nu),

hay

X

0≤k≤n

c

n+1,n+1−k

u

k

=

X

0≤k≤n

X

0≤i1≤i2≤...≤ik≤n

i

1

i

2

...i

k

u

k

.

Đồng nhất hệ số của

u

k hai vế ta thu được hệ quả sau.

Hệ quả 2.2.1. [6] Với

k = 1, 2, ..., n

ta có:

c

n+1,n+1−k

=

X

0≤i1≤i2≤...≤ik≤n

i

1

i

2

...i

k

.

Dựa vào các kết quả trên, chúng ta tính được số các Stirling loại một

s

n,k với một số giá trị đầu tiên được nêu trong Bảng 2.1.

2.2.2 Số Stirling loại hai và số Bell

Định nghĩa 2.8 (7). Số tất cả các phân hoạch của tập hợp

A

gồm

n

phần tử thành

k

khối gọi là số Stirling loại hai, kí hiệu là

S

n,k

.

Ta qui ước

S

0,0

= 1, S

0,k

= 0

nếu

k > 0

S

n,0

= 0

nếu

n > 0

.

Từ định nghĩa này ta dễ dàng nhận thấy

S

n,k

= 0

nếu

k > n

S

n,1

= S

n,n

= 1

.

Định lý 2.8. [9] Với

n, k

là các số nguyên dương và

k ≤ n

ta có:

S

n+1,k

= kS

n,k

+ S

n,k−1

.

Chú ý 3. Từ

S

n,1

= S

n,n

= 1

và từ công thức truy hồi của

S

n,k ta thấy

S

n,k có những tính chất giống như đối với công thức tổ hợp

C

nk nên ta cũng xây dựng được tam giác để tìm giá trị

S

n,k như sau:

S

1,1

S

2,1

S

2,2
(12)

S

3,1

S

3,2

S

3,3

S

4,1

S

4,2

S

4,3

S

4,4

S

5,1

S

5,2

S

5,3

S

5,4

S

5,5

S

6,1

S

6,2

S

6,3

S

6,4

S

6,5

S

6,6

...

Mệnh đề 2.3. Với

n, k

là các số nguyên dương và

k ≤ n

ta có:

S

n,k

= 1 k!

k

X

j=1

(−1)

k−j

C

kj

.j

n

.

Định nghĩa 2.9. Số tất cả các phân hoạch của tập hợp

A

lực lượng

n

được gọi là số Bell thứ

n

. Kí hiệu

B

n.

Từ định nghĩa 2.9 và định nghĩa 2.10, ta có:

B

n

=

n

X

k=0

S

n,k

.

2.3 Số các ánh xạ đặc biệt trên tập hữu hạn

Mệnh đề 2.4. [9] Cho tập hợp

N = {1, 2, ..., n}

và tập hợp

M = {1, 2, ..., m}

. Khi đó số tất cả các ánh xạ

f : N −→ M

m

n.

Mệnh đề 2.5. [9] Cho tập hợp

N = {1, 2, ..., n}

và tập hợp

M = {1, 2, ..., m}

, với

n ≤ m

.

Khi đó số tất cả các đơn ánh

f : N −→ M

m(m−1)...(m−n+1).

Nhận xét 2.1.

Ta thấy từ mệnh đề

2.5

trong trường hợp

n = m

thì chúng ta dễ dàng suy ra được kết quả sau đây.

Mệnh đề 2.6. Cho tập hợp

N = {1, 2, ..., n}

. Khi đó số tất cả các song ánh

f : N −→ N

n!

Mệnh đề 2.7. [9] Cho tập hợp

N = {1, 2, ..., n}

.

Khi đó số tất cả các tập con

k

phần tử của tập

N

C

nk.
(13)

Chú ý 4. Ngoài những cách hiểu đã nói trên, chúng ta có thể lập luận như sau:

Số tất cả các đơn ánh

f : N −→ M

, với

n ≤ m

n!C

mn, với

C

mn là số tất cả các tập con

n

phần tử của tập

M

.

Mệnh đề 2.8. [9] Cho tập hợp

N = {1, 2, ..., n}

và tập hợp

M = {1, 2, ..., m}

, với

n ≥ m

.

Khi đó số tất cả các toàn ánh

f : N −→ M

S

n,m

.m!

(14)

Chương 3

DÃY NHỊ THỨC

3.1 Khái niệm dãy nhị thức

Định nghĩa 3.1. [1] Một dãy các đa thức một biến thực

P

n

(t)

n≥0 với

deg(P

n

(t))≤ n

, n = 0, 1, 2,... được gọi là dãy nhị thức nếu:

i)P

0

(t) = 1, t ∈

R

, ii)P

n

(t + u) =

n

X

k=0

C

nk

P

k

(u)P

n−k

(t), n = 1, 2, ..., t, u ∈

R

.

3.2 Dãy nhị thức sinh bởi một dãy số

Định lý 3.1. [1] Dãy các đa thức

{P

n

(t)}

n≥0

, t ∈

R là dãy nhị thức khi và chỉ khi tồn tại một dãy số thực

{a

k

}

k≥1 sao cho:

i)

P

0

(t) = 1,

ii)

P

n

(t) = n!

Pn

k=1

(

P

(i1,...,ik):

k

P j=1 ij≥1

ij=n ai1

i1! ai2

i2!

...

aiik

k!

)

tk!k

, n = 1, 2, 3, ...

Định nghĩa 3.2. [1]Cho trước dãy số thực

{a

k

}

k≥1. Giả sử rằng

{P

n

(t)}

n≥0 là dãy các đa thức thoả mãn các điều kiện i), ii) trong định lí

3.1

. Ta gọi

{P

n

(t)}

n≥0 là dãy nhị thức sinh bởi dãy

{a

k

}

k≥1 đã cho.

Nếu đặt

λ

n,k

= n!

k!

X

(i1,...,ik):

k

P j=1 ij≥1

ij=n

a

i1

i

1

!

a

i2

i

2

! ... a

ik

i

k

!

thì

P

n

(t) =

n

P

k=1

λ

n,k

t

k.
(15)

Các số

λ

n,k được gọi là các hệ số của dãy nhị thức.

Ta sẽ tìm công thức truy hồi để tính các hệ số của dãy nhị thức theo dãy số thực

{a

k

}

k≥1

Mệnh đề 3.1. Với

λ

n,0

= 0, λ

n,1

= a

n

∀n ≥ 0, λ

0,0

= 1,

ta có:

λ

n,k

= 1 k

n+1−k

X

j=1

a

j

C

nj

λ

n−j,k−1

, n = 1, 2, ..., k = 1, 2, ...

3.3 Dãy nhị thức sinh bởi một hàm số

Cho hàm số

f

có khai triển thành chuỗi lũy thừa hội tụ trong miền

[0, R)

với

R > 0

nào đó như sau:

f (x) =

X

k=1

a

k

x

k

k! , f (0) = 0

Khi đó, dãy số

{a

k

}

k≥1 với

a

k

= f

(k)

(0), k = 1, 2, ...

sẽ xác định một dãy nhị thức, ta gọi dãy nhị thức này là dãy nhị thức sinh bởi hàm số

f

.

Dựa vào định lí 3.1 ta có mệnh đề sau.

Mệnh đề 3.2. [1] Giả sử

{P

n

(t)}

n≥0 là dãy nhị thức sinh bởi hàm số

f

. Khi đó:

X

k=1

{P

n

(t)} x

n

n! = e

tf(x)

.

(16)

Chương 4

ÁNH XẠ KHÔNG PHÂN RÃ ĐƯỢC

4.1 Đặt vấn đề lịch sử

Có thể nói các vấn đề liên quan tới lý thuyết tổ hợp là một bộ phận quan trọng, hấp dẫn và lí thú của toán học. Các vấn đề này có nội dung phong phú và được ứng dụng nhiều trong thực tế đời sống. Trong toán sơ cấp tổ hợp cũng xuất hiện nhiều với mức độ khó khá cao. Khi giải quyết các bài toán tổ hợp người quan tâm sẽ cảm thấy rất hấp dẫn . Trong đó việc phân lớp các ánh xạ trên tập hữu hạn và đếm số ánh xạ trong mỗi lớp là một bài toán tổ hợp khó. Cho đến nay, các kết quả về số các toàn ánh, đơn ánh và song ánh trên tập hữu hạn được coi là các kết quả rất cơ bản.

Bài toán phân tích các song ánh trên tập hữu hạn thành các vòng xích độc lập đã được mở rộng lên thành việc xét bài toán tương tự cho ánh xạ tuỳ ý trên tập hữu hạn. Tuy kết quả này đã được các nhà toán học trước đây đưa ra (Leo Katz (1954) và Martin D. Kruskal (1954) ), nhưng đây là vấn đề hết sức thú vị trong tổ hợp nên chúng tôi xét thấy việc đưa thêm ra cách chứng minh mới cho kết quả này là vấn đề có ý nghĩa.

Việc mô tả số Stirling loại một không dấu

c

n,k về mặt thống kê theo nghĩa đếm số tất cả các song ánh được phân tích thành

k

vòng xích độc lập trên tập

n

phần tử có thể coi là rất đầy đủ và có mặt trong nhiều tài liệu cơ bản. Tuy nhiên các kết quả tương tự khi xét tập tất cả các ánh xạ trên tập

n

phần tử gặp nhiều khó khăn, mặc dù ta có thể mô tả về mặt cấu trúc thông qua công cụ đồ thị và mảnh tổ hợp. Chúng tôi giới thiệu một kết quả mới nhận được chỉ bằng phương pháp sơ cấp chúng tôi đã chứng minh được rằng số tất cả các ánh xạ

f

không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

(17)

vào chính nó là:

α

n

= (n − 1)!

n

X

k=0

n

n−k

(n − k)!

Việc chứng minh quy nạp cho đẳng thức này chính là phần mới và cũng là phần cơ bản nhất của luận văn này.

4.2 Định nghĩa

Định nghĩa 4.1. Một ánh xạ

f

từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó được gọi là ánh xạ phân rã được nếu tồn tại một tập con thật sự và không rỗng

K

,

|K | = k, 1 ≤ k ≤ n

sao cho

f

−1

(K ) ⊂ K

Định nghĩa 4.2. Một ánh xạ f từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó được gọi là ánh xạ không phân rã được nếu nó không phải là ánh xạ phân rã được .

Định nghĩa 4.3. Một ánh xạ

f

từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó được gọi là một ánh xạ có k thành phần không phân rã được nếu nó tồn tại một phân hoạch

N = N

1

∪ N

2

∪ ... ∪ N

k

, N

i

6= ∅, N

i

∩ N

j

=

∅, i, j = 1, k i 6= j, k ≥ 2

sao cho tất cả các hạn chế

f

i của f trên mỗi tập con

N

i Như vậy ta có thể phân tích một ánh xạ f từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó thành các thành phần không phân rã được tương tự như khi phân tích một song ánh từ tập N vào chính nó thành các vòng xích.

4.3 Chứng minh kết quả cơ bản

Kết quả cơ bản này đã được chứng minh trong bài báo ”Components under a random mapping function" của nhà toán học Martin D. Kruskal và bài báo "Probability of a random mapping function" của nhà toán học Leo Katz bằng công cụ toán tử và các lập luận tổ hợp cơ bản đã đưa ra cách chứng minh vào năm 1954. Ngoài hai cách chứng minh trên, ở đây tôi đưa ra hai phương pháp chứng minh hoàn toàn bằng sơ cấp, đó là phương pháp

(18)

quy nạp và thiết lập công thức truy hồi để tính số các ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn.

4.3.1 Phương pháp quy nạp

Nhận xét 4.1. Một ánh xạ f từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó được gọi là ánh xạ không phân rã được nếu nó thoả mãn một trong các điều kiện sau đây:

i) Tồn tại duy nhất

k

0

∈ N

sao cho

f (k

0

) = k

0.

ii) Tồn tại một tập con K thật sự và không rỗng của N sao cho khi hạn chế của f trên K thì f là một hoán vị vòng quanh.

iii) f là một hoán vị vòng quanh trên N.

Từ nhận xét trên ta thấy để xây dựng một ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn N ta phải xây dựng một hoán vị vòng quanh trên tập K với

|K | = k

,

K ⊂ N

,

(1 ≤ k ≤ n)

và ánh xạ các phần tử còn lại sao cho liên kết với hoán vị vòng quanh đó.

Do vậy, ta có mệnh đề đếm số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó như sau.

Mệnh đề 4.1. Gọi

α

n là số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó, thì ta có:

α

n

=

n

X

k=1

(k − 1)!

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

n!

k!

k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! (∗)

Chứng minh. Để đếm số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó ta tiến hành theo các bước sau đây.

Trước hết ta tạo một hoán vị vòng quanh trên tập

K

với

|K| = k

,

K ⊂ N

,

(1 ≤ k ≤ n)

nên ta có số hoán vị là

(k − 1)!

.

Tiếp theo chọn

k

phần tử trong

n

phần tử ta có số cách chọn là

C

nk. Xét dãy các tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

l ,

(1 ≤ l ≤ n − k)

,

|I

j

| = i

j sao cho
(19)

l

P

j=1

i

j

= n − k

. Rồi sau đó ta phân phối

n − k

phần tử còn lại vào

l

tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

l.

Ta có số cách phân phối

n − k

phần tử vào tập

I

1

C

n−ki1 , số cách phân phối

n − k − i

1 phần tử vào tập

I

2

C

n−k−ii2

1,..., số cách phân phối

n − k − i

1

− ... − i

l−1 phần tử vào tập

I

l

C

n−k−iil

1−...−il−1.

Nên số cách phân phối

n − k

phần tử vào

l

tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

l

C

n−ki1

C

n−k−ii2 1

...C

n−k−iil 1−...−il−1

.

Tiếp theo ta tạo ánh xạ từ tập

I

1 vào tập

K

k

i1 cách, ánh xạ từ tập

I

2 vào tập

I

1

i

1i2 cách,..., ánh xạ từ tập

I

l vào tập

I

l−1

i

il−1l cách.

Vậy ta có số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó là:

α

n

=

n

X

k=1

C

nk

(k − 1)!

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

C

n−ki1

C

n−k−ii2

1

...C

n−k−iil

1−...−il−1

.

Hay

α

n

=

n

X

k=1

(k − 1)!

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

n!

k!

k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! .

Định lý 4.1. (Số ánh xạ không phân rã được) Gọi

α

n là số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó khi đó ta có:

α

n

= (n − 1)!

n

X

k=0

n

n−k

(n − k)! (1)

(20)

Chứng minh. Để chứng minh (1) trước hết ta cần chứng minh rằng X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

n!

k!

k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! = C

n−1k−1

n

n−k

,

hay:

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

(n − k)! k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! = kn

n−k−1

(2)

Ta chứng minh (2) bằng qui nạp theo n.

Ta có:

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

(n − k)! k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

!

=

n−k

X

h=1

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1 i1=h

ij=n−k

(n − k)! k

h

h!

h

i2

i

2

! ... i

il−1l

i

l

!

=

n−k

X

h=1

k

h

(n − k)!

h!(n − k − h)!

X

(i1,...,il):

l

P j=2 ij≥1

ij=n−k−h

(n − k − h)! h

i2

i

2

!

i

i23

i

3

! ... i

il−1l

i

l

! .

Mà:

X

(i1,...,il):

Pl

j=2 ij≥1

ij=n−k−h

(n − k − h)! h

i2

i

2

!

i

i23

i

3

! ... i

il−1l

i

l

! = h(n − k)

n−k−h−1

.

(21)

Do đó:

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

(n − k)! k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

!

=

n−k

X

h=1

k

h

(n − k)!

h!(n − k − h)! h(n − k)

n−k−h−1

= k

n−k

X

h=1

(n − k − 1)!

(h − 1)![n − k − 1 − (h − 1)]! k

h−1

(n − k)

n−k−h

= k

n−k−1

X

h=0

(n − k − 1)!

h![n − k − 1 − h]! k

h

(n − k)

n−k−h−1

= k

n−k−1

X

h=0

C

n−k−1h

k

h

(n − k)

n−k−h−1

= k[k + (n − k)]

n−k−1

= k.n

n−k−1

.

Nên:

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=n−k

n!

k!

k

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! = C

n−1k−1

n

n−k

.

Thay kết quả này vào đẳng thức (*) ta được:

α

n

=

n

X

k=1

(k − 1)!C

n−1k−1

n

n−k

.

α

n

= (n − 1)!

n

X

k=0

n

n−k

(n − k)! .

(22)

4.3.2 Thiết lập công thức truy hồi

Định lý 4.2. [5] Gọi

α

n là số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó. Khi đó ta có:

α

1

= 1,

α

n+1

= nα

n

+ (n + 1)!

X

(i1,...,ik):

k

P j=1 ij≥1

ij=n

1

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

ik−1k

i

k

!

+n!

n−1

X

m=1

α

n−m

(n − m − 1)!

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=m

1

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

!

Chứng minh. Với

n = 1,

ta dễ thấy rằng chỉ có đúng một ánh xạ không phân rã từ tập 1 vào chính nó.

Hay

α

1

= 1

.

Giả sử f là một ánh xạ không phân rã được từ tập

N ∪ {n + 1}

vào chính nó. Ta đếm số các khả năng của f. Có hai trường hợp xảy ra:

1)Trường hợp 1:

f

−1

(n + 1) = ∅

.

Vì có

α

n ánh xạ không phân rã được trên tập

N

và phần tử

(n + 1)

có n cách cho ảnh nên

α

n+1

= nα

n

.

2) Trường hợp 2:

f

−1

(n + 1) 6= ∅

.

Ta xét dãy liên tiếp các tập hợp:

f

−1

(n + 1) ∩ N = I

1

, f

−1

(I

1

) ∩ N = I

2

,

...

f

−1

(I

k−1

) ∩ N = I

k

,

(23)

với

|I

j

| = i

j

, j = 1, k, 1 ≤ k ≤ n,

và dễ thấy rằng dãy trên dừng tại

k

khi và chỉ khi

I

k+1

= ∅

. Ta có hai khả năng sau:

a) Không tồn tại một tập con thật sự

S

nào của

N

sao cho hạn chế của

f

trên

S

là một ánh xạ không phân rã được từ tập

S

vào chính nó.

Gọi số các khả năng của

f

thuộc loại này là

a

n+1,1. Khi đó dãy các tập

I

1

, I

2

, ..., I

k với

1 ≤ k ≤ n

thoả

k

P

j=1

i

j

= n

.

Để tạo một ánh xạ không phân rã được trên tập

N ∪ {n + 1}

vào chính nó, trước hết ta phân phối

n

phần tử của tập

N

vào

k

tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

k, có

C

ni1

C

n−ii2 1

...C

n−(iik

1+...+ik−1) cách.

Tiếp theo ta tạo các ánh xạ từ tập

I

1 vào tập

{n + 1}

1

i1 cách, ánh xạ từ tập

I

2 vào tập

I

1

i

i12 cách,..., ánh xạ từ tập

I

k vào tập

I

k−1

i

ik−1k cách.

Cuối cùng là xác định ảnh của phần tử

(n + 1)

(n + 1)

cách.

Do đó:

a

n+1,1

= (n + 1)

X

(i1,...,ik):

k

P j=1 ij≥1

ij=n

C

ni1

C

n−ii2 1

...C

n−(iik

1+...+ik−1)

1

i1

i

i12

...i

ik−1k

= (n + 1)!

X

(i1,...,ik):

k

P j=1 ij≥1

ij=n

1

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

ik−1k

i

k

! .

b) Tồn tại một tập con thật sự

S

của

N

sao cho hạn chế của

f

trên

S

là một ánh xạ không phân rã được từ tập

S

vào chính nó.

Gọi số các khả năng của

f

thuộc loại này là

a

n+1,2.

Dễ thấy rằng một ánh xạ không phân rã được từ tập

N

vào chính nó không thể được tạo nên từ hai ánh xạ không phân rã được trên hai tâp con thật sự của

N

có giao khác rỗng. Giả sử tập

N \ S

gồm

m

phần tử,

1 ≤ m ≤ n − 1

.

Khi đó, ta xét dãy các tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

l

, 1 ≤ l ≤ m

với

k

P

j=1

i

j

= n

(24)

Để tạo một ánh xạ không phân rã được trên tập

N ∪ {n + 1}

vào chính nó ta tiến hành theo các bước sau:

Phân phối

n

phần tử của tập

N

vào

l

tập hợp

I

1

, I

2

, ..., I

l, có

C

ni1

C

n−ii2 1

...

C

n−(iil

1+...+il−1) cách.

Tiếp theo ta tạo các ánh xạ từ tập

I

1 vào tập

{n + 1}

1

i1 cách, ánh xạ từ tập

I

2 vào tập

I

1

i

i12 cách,..., ánh xạ từ tập

I

l vào tập

I

l−1

i

il−1l cách.

Tạo các ánh xạ không phân rã được từ tập con thật sự

S

của

N

gồm

n − m

phần tử vào chính nó, có

α

n−m cách.

Xác định ảnh của phần tử

(n + 1)

, có

(n − m)

cách.

Do đó:

a

n+1,2

=

n−1

X

m=1

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=m

(n − m)C

ni1

C

n−ii2 1

...C

n−(iil

1+...+il−1)

1

i1

i

i12

...i

il−1l

= n!

n−1

X

m=1

α

n−m

(n − m − 1)!

X

(i1,...,il):

l

P j=1 ij≥1

ij=m

1

i1

i

1

!

i

i12

i

2

! ... i

il−1l

i

l

! .

Vậy ta có điều phải chứng minh.

Mệnh đề 4.2. Gọi

α

n,k , với

1 ≤ k ≤ n

là số ánh xạ có

k

thành phần không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó. Khi đó ta có:

α

n,k

= 1 k

n+1−k

X

j=1

C

nj

α

j

α

n−j,k−1

với

α

n,0

= 0, α

0,0

= 1, α

n,1

= α

n

, n ≥ 1, 1 ≤ k ≤ n

.

Hệ quả 4.3.1. Hệ số

λ

n,k của dãy nhị thức

P

n

(t), n = 0, 1, 2, ...

sinh bởi dãy

α

k

, k = 1, 2, ...

các ánh xạ không phân rã được từ tập

{1, 2, ..., k}

vào chính nó chính là số ánh xạ gồm

k

thành phần không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó, với

λ

n,1

= α

n.
(25)

Nhận xét 4.2. Số tất cả các ánh xạ không phân rã được từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó chính là giá trị của dãy nhị thức sinh bởi dãy các ánh xạ không phân rã được

k

}

k≥1 khi

t = 1

. Tức

P

n

(1) =

n

P

k=1

α

n,k

= n

n. Do đó với

α

1

= α

1,1

= 1,

chúng ta có thể tìm

α

n

= α

n,1 theo cách sau.

Trước hết tìm

α

n,k

, k = 2, 3, ..., n

, sau đó tìm

α

n

= n

n

n

P

k=2

α

n,k

.

Dựa vào các định lí, mệnh đề và hệ quả trên ta có thể tính truy hồi cho số ánh xạ gồm

k

thành phần không phân rã được

α

n,k

, k = 1, 2, ..., n

từ tập

N = {1, 2, ..., n}

vào chính nó và cũng chính là hệ số của dãy nhị thức

{P

n

(t)}

n≥0 của dãy

k

}

k≥1 các ánh xạ khôn phân rã được từ tập

{1, 2, ..., k}

vào chính nó.

Mệnh đề 4.3. Nếu

f

là ánh xạ không phân rã từ tập

[n]

vào chính nó thì tập hợp các ảnh cuối của

f

thuộc một vòng xích duy nhất.
(26)

KẾT LUẬN

Trong luận văn này, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu một số vấn đề sau đây:

1) Chúng tôi đã giới thiệu lại các khái niệm về ánh xạ, đơn ánh, toàn ánh và song ánh. Luận văn cũng nêu lại quy tắc đếm cơ bản và nguyên lý bù trừ tổng quát, cũng như quy tắc song ánh để giải các bài toán tổ hợp.

Đồng thời luận văn cũng giới thiệu lại khái niệm về xích.

2) Luận văn giới thiệu lại các khái niệm về Hoán vị, Chỉnh hợp, Tổ hợp, số Stirling loại một, số Stirling loại một không dấu, số Stirling loại hai và số Bell. Đồng thời luận văn nêu lại cách tính số các ánh xạ, đơn ánh, toàn ánh và song ánh.

3) Chúng tôi trình bày sơ lược lại các kết quả đã có về dãy nhị thức.

4) Điều đáng lưu ý trong luận văn này là chúng tôi đã đưa ra một số khái niệm mới như ánh xạ phân rã được, ánh xạ không phân rã được trên tập hữu hạn. Đặc biệt việc đưa ra cách chứng minh quy nạp để tìm số ánh xạ không phân rã được từ tập

[n]

vào chính nó chính là phần mới và là cơ bản nhất của luận văn này.

Kết quả luận văn là cơ sở trong việc tiếp tục nghiên cứu để tìm ra công thức truy hồi cho số tất cả các đồ thị liên thông có

n

đỉnh.

Tài liệu tham khảo

Tài liệu liên quan