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¿De cuántas maneras se pueden distribuir n bolas idénticas en k cajas distintas, de modo que al menos una caja esté vacía?

Este es un problema en mi combinatoria libro que utiliza el principio de inclusión-exclusión. Puedo seguir casi todo de lo que se dice, excepto el libro dice que si tenemos en cuenta $A_{i}$ a ser el conjunto de soluciones donde el cuadro i es vacía, entonces $|A_{i}| = {n-(k-1)-1 \choose k-1}$.

El libro no explica por qué esto es cierto. Y quiero saber por qué, ya que yo pensaba que $|A_{i}| = {n+(k-1)-1 \choose k-1}$.

Por lo que se puede llegar a la raíz de mi incomprensión, mi razonamiento fue que una colocación de n bolas iguales en k cajas distintas es el mismo que el número de número entero no negativo soluciones a $x_{1}+\cdots+x_{k} = n$.

Cualquier ayuda sería muy apreciada!

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Hagen von Eitzen Puntos 171160

Para empezar, solucionaría el problema de manera diferente: por estrellas y barras, hay $n-1\choose k-1 $ maneras de colocar $n$ bolas en $k$ contenedores, de modo que no hay ningún contenedor vacío. Resta esto de las maneras $n+k-1\choose k-1$ para colocar $n$ balls en $k$ bins sin restricción.

1voto

G Cab Puntos 51

Primero de todo, dejar claro que, en el común de hablar
"la distribución de $n$ idénticos (inapreciable) bolas en $k$ distintos (distinguibles) cajas" no tiene la misma acepción como
"el lanzamiento de $n$ idénticos (inapreciable) bolas en $k$ distintos (distinguibles) cajas"

En el primer caso (distribución, verter, ..) se entiende que se considera el número de diferentes ocupación hystograms, es decir, el número de k-tuplas $(x_1,x_2, \cdots , x_k)$ tales que $$ \left\{ \matriz{ {\rm 0} \le {\rm integer}\;x_{\,j} \hfill \cr x_{\,1} + x_{\,2} + \; \cdots \; + x_{\,k} = n \hfill \cr} \right. $$ que son "débiles", Composiciones de $n$ a $k$ partes,
y en su caso particular, el complemento del caso en el que el cuadro no está vacía $$ \left\{ \matriz{ {\rm 1} \le {\rm integer}\;x_{\,j} \hfill \cr x_{\,1} + x_{\,2} + \; \cdots \; + x_{\,k} = n \hfill \cr} \right.\quad \Rightarrow \quad \left\{ \matriz{ {\rm 0} \le {\rm integer}\;y_{\,j} \hfill \cr y_{\,1} + y_{\,2} + \; \cdots \; + y_{\,k} = n - k \hfill \cr} \right. $$ que son el "estándar" Composiciones de $n$ a $k$ partes.

Como se explica en la que se hace referencia en el artículo son, respectivamente, $$ N_w = \binom{n+k-1}{n} \quad N_s =\binom{n-1}{n-k} \quad \left| {\;0 \le n,k} \right. $$ tenga en cuenta que esta forma de escritura de los binomios se extiende la definición también nulos los valores de los parámetros. La repartición de $N_w$ sobre las configuraciones con exactamente $j$ cajas vacías está dada por $$ N_w = \binom{n+k-1}{n} = \sum\limits_{\left( {0\, \le } \right)j\left( { \le k} \right)} {\binom{k}{j} \binom{n-1}{n - \left( {k - j} \right) } } $$

El número de configuraciones en las que, precisamente, el cuadro de $i$ está vacía, entonces claramente se $N_w(n,k-1)$ si los demás pueden estar vacías o no, y $N_s(n,k-1)$ si los demás son no vacíos.
Así que tienes razón, y la respuesta global a su problema $$ N = N_w - N_s = \binom{n+k-1}{n} - \binom{n-1}{n-k} $$

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