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原则Principle

加法原理

Sum rule · Addition principle

互斥有限选择类的总数等于各类大小之和。

形式陈述 ​

设 A1,…,Am 是两两不交的有限集,以 |Ai| 表示其基数。加法原理断言

|⋃i=1mAi|=∑i=1m|Ai|.

用于计数任务时,还要说明这些类别覆盖全部合法结果:每个结果属于其中恰好一类。互斥保证不重数,覆盖保证不漏数;只有前者而没有后者,算出的只是部分结果数。某一类为空时贡献零;没有任何类别时,并集为空,相应空和也是零。

直觉

把一批对象装进若干互不重叠的盒子,盒子不必一样大。若第 i 盒有 ni 个对象,先按盒号、再按盒内编号依次排开,所有对象就获得 1 到 n1+⋯+nm 的连续编号。这给出了公式背后的无遗漏、无重复对应。

这里的“或”指选择一个属于并集的对象,不是先选类别再选对象。如果把类别标签也保留在结果中,同一对象带不同标签就成了不同结果;这时数的是带标签的不交并,已经换了计数对象。

分类标准必须描述最终结果,而不能只是描述“找到结果的方式”。同一本书可能同时出现在作者检索与题名检索中;两种检索方式不同,并不使结果集互斥。计数树中一个节点下面的分支,只有在它们代表不同结果类时才可直接相加。

例子与边界

一个字符只能是大写英文字母或十进制数字时,两类互斥,总数为 26+10=36。一副不含大小王的牌中,红桃与黑桃也不交,选其中一张有 13+13=26 种。

“红牌或 A”则不能直接算 26+4:红桃 A 与方块 A 各出现两次。可把目标重分为“红牌”和“黑色 A”,得到 26+2=28。等价地,从原来的和中扣除两张交集牌,即 26+4−2=28;这就是容斥原理的两集合情形。

分类还可把一个问题分解为更小的同类问题。用长度为 1 或 2 的瓷砖铺满长度 n 的直条,设铺法数为 an。对 n≥2,首块只能长 1 或长 2,这两类不交且覆盖所有铺法;删去首块后分别剩下长度 n−1、n−2 的铺法,故 an=an−1+an−2。这个删首块的操作可以逆转:给较短直条的任一铺法添回指定首块,就恢复且只恢复原来那一类铺法,因此两类大小确实分别为 an−1 与 an−2。

初值 a0=a1=1 给出 a2=2,a3=3,a4=5,其中空直条的一种铺法是“不放砖”。长度 4 的五种铺法可直接写成 1111,112,121,211,22;按首块分类,前三种在首块为 1 的类中,后两种在首块为 2 的类中。

推论与应用

乘法原理可视为等大分支的反复相加;大小不等的分支则保留求和。两者配合,决定计数树每一层究竟相加还是相乘。

按首块、末位或某个唯一参数划分类别,常能导出递推关系。若每个对象带权,逐类求和也可计算总权重;全概率公式沿用互斥覆盖的分解,再用条件概率求每块的概率质量。

参考资料
关系图谱7 个相邻概念 · 2 类关系

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