容斥原理是一种重要的计数方法。它最大的好处是,先不考虑重复的情况,计算出总结果,然后将重复的部分减去,其实就是消重,做到不重不漏。
通常会用封闭曲线的内部表示集合及其关系,也就通常人们说的文氏图或韦恩图。对于只有两种情况的相对简单,只有一部分重叠即使不画图也好很容易理解。我们一起看一道相关的例题。
有36名同学去商店买笔,有24人买了圆珠笔,20人买了钢笔,两种笔都没买的同学有4人,两种笔都买了的同学有多少人?
分析:为什么买了笔的人数比总人数还多?这是因为有些同学既买了圆珠笔,又买了钢笔,被重复计算了。因此需要将重复的这部分减去。对于这类用容斥原理来做,相对来说会好理解一些。
对于这种有重叠部分计数的我们最好画一个示意图,这样会比较直观。
总共有36人,而有4人两种笔都没有买,所以说买了钢笔或圆珠笔的人是36-4=32(人)。
将买了钢笔、圆珠笔的人数相加再减去已经买了笔的人数,所得到的就是两种笔同时都买了的人数了。
24+20-32=12(人)。
那对于一些比较复杂的,有三个以上的重叠部分,那就更加需要画图来进行辅助理解了。
我们一起来看一道相关的题目。
学校对五年级名学生,课余时间喜欢的电视节目,做了统计。得出的结果如下:有44人喜欢看动作电影,有35人喜欢看新闻,有52人喜欢看喜剧电影,有21人既喜欢动作电影,又喜欢喜剧电影,17人既喜欢动作电影又喜欢看新闻。15人既喜欢看新闻,又喜欢看喜剧电影。这三种类型都不喜欢的有20人,那么这三种类型电视节目都喜欢看的人有多少?
这道是比较复杂的计数,重叠种类较多。有喜欢看某一(两种甚至三)种电视节目的,还有都不喜欢看的,首选用容器原理来解决。所以我们需要画一个韦恩图来帮助我们理解。
用不同代表不同的节目类型整个方框代表所有的这名学生。对于不同的电视节目,我们用不同的颜色来表示。红色圆圈部分代表喜欢看动作电影,黄色圆圈代表喜欢看新闻的,绿色代表喜欢看喜剧点,白色代表三种类型都喜欢看的。当然这些部分有不少相交的,就是喜欢两种的。
我们先将三种节目都不喜欢看的人排除,得到的就是喜欢看电视节目的人数总和。总共有-20=80(人)。
三种类型节目都喜欢看的人数80-(44+35+52)+(21+17+15)=2(人)
我们再看另外一道容器原理与最值问题掺在一起的应用题。
小明、小强、小华三人给盆花浇水。小明浇水78盆,小华浇水65盆,小强浇水61盆。请问最少有多少盆花被浇了三次?
我们看一下,总共是盆,但是三个人所浇的水的次数远远大于次,所以有些花会被重复浇多次,为了让三个人所交浇的花,重复三次的情况尽可能的少。那么也就是说理想状态下尽量,让这些花只被浇到两次尽可能的多。
绿色部分为三次重复从图中我们可以看出,把它们尽量错开,就能达到三次重复次数最少的目的。
61-22-35=4(盆)
对于这类尽可能少重叠的,画一画示意图可以帮我更快速直观地理清思路。