Schlagwort: Abzählprobleme
Das Abzählproblem ist ein zentrales Thema in der Kombinatorik, einem Teilgebiet der Mathematik, das sich mit der Anzahl und Struktur von Kombinationen beschäftigt. Es befasst sich mit der Frage, wie viele Möglichkeiten es gibt, eine bestimmte Anzahl von Objekten unter bestimmten Bedingungen anzuordnen oder auszuwählen.
In der Mathematik gibt es verschiedene Arten von Abzählproblemen, die jeweils unterschiedliche Lösungsansätze erfordern. Einige der speziellen Abzählprobleme, die wir in unseren Artikeln behandelt haben, sind Kombinationen mit Wiederholungen und die Beweismethode Stars and Bars, Partitionen, Ziehen ohne Zurücklegen und die Abschätzung der Anzahl der Mikrozustände pro Makrozustand in der Statistischen Mechanik.
In unseren Programmier-Aufgaben im Bereich C++ haben wir auch Anwendungen des Abzählproblems aus den Bereichen Numerik, Finanzmathematik, Kombinatorik und Auszeichnungssprachen behandelt. Diese Aufgaben bieten eine praktische Möglichkeit, das Konzept des Abzählproblems in der Programmierung zu üben und anzuwenden.
Das Abzählproblem "Ziehen ohne Zurücklegen" wird unter der Annahme betrachtet, dass sich in der Urne zwei Arten von Objekten befinden (etwa K Nieten und L Treffer). Berechnet wird die Anzahl der möglichen Ergebnisse, wenn N-mal ein Los aus der Urne gezogen wird und dabei die Reihenfolge der Ergebnisse beachtet wird. Ebenso wird gezeigt, wie man die möglichen Ergebnisse mit Hilfe des Hamming-Abstandes charakterisieren und mit Hilfe des N-dimensionalen Hyperwürfels und im Pascalschen Dreieck veranschaulichen kann. In den R-Skripten werden Algorithmen für das Abzählproblem und die Berechnung der möglichen Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.
Binomialkoeffizienten und einige einfache Anwendungen in Abzählproblemen (wie die Anzahl der möglichen Ergebnisse beim Zahlenlotto) wurden bereits in den Begriffsbildungen der Kombinatorik vorgestellt. Hier werden die grundlegenden Eigenschaften der Binomialkoeffizienten diskutiert: die Pascalsche Rekursionsformel, der Aufbau des Pascalschen Dreiecks, der binomische Satz. Binomialkoeffizienten treten in unüberschaubar vielen Bereichen der Mathematik auf und ihr Auftreten sollte immer als Hinweis auf - mehr oder weniger offensichtliche - Querverbindungen verstanden werden. Als Beispiel einer dieser Querverbindungen wird der Zusammenhang der Binomialkoeffizienten mit dem n-dimensionalen Hyperwürfel diskutiert.
Das Abzählproblem, nicht unterscheidbare Kugeln auf nicht unterscheidbare Urnen zu verteilen ist äquivalent zum Problem zu einer ganzen Zahl Z Zerlegung in L Summanden zu finden. Eine derartige Zerlegung wird als Partition bezeichnet. Wie viele Partitionen es gibt, wird für mehrere Fälle untersucht: Die Vertauschung der Reihenfolge zählt (oder zählt nicht) als neue Partition, die Null ist als Summand zugelassen, die Länge der Partition wird nicht festgelegt. Man kann für diese Abzählprobleme zwar Rekursionsformeln angeben, man kann mit einfachen Mitteln aber keine expliziten Formeln angeben, die die Rekursionsformeln lösen.
Kombinationen mit Wiederholungen treten in mehreren Abzählproblemen auf, die zunächst sehr unterschiedlich wirken. Es wird ihre Äquivalenz gezeigt und die Formel hergeleitet, wie man die Anzahl aller Kombinationen mit Wiederholungen berechnet. Dazu verwendet man die Methode Stars and Bars. In den R-Skripten wird ein einfacher Algorithmus gezeigt, wie man die Menge alle Kombinationen mit Wiederholungen rekursiv berechnet.
Als weitere Methode zur Lösung von Abzählproblemen wird die Rekursion vorgestellt. Dies geschieht am Beispiel eines Zahlenspiels, für das der vollständige Spielbaum entwickelt wird. Dieser wirkt zwar sehr unregelmäßig und kann mit den bekannten kombinatorischen Formeln nicht bewältigt werden, aber aufgrund seiner rekursiven Struktur lassen sich Abzählprobleme auf das Aufstellen der Rekursionsformel und der Behandlung des Basisfalls zurückführen.
Das Damenproblem, also die Aufgabe möglichst wenige Damen auf einem Schachbrett so aufzustellen, dass das gesamte Schachbrett beherrscht wird, wird in ein Problem der Graphentheorie übersetzt. Zu dessen Lösung wird ein brute-force-Algorithmus entwickelt, der darauf beruht, dass man das Schachbrett mit einer Adjazenz-Matrix beschreibt und diese geeignet auswertet.
Nachdem im letzten Kapitel Beispiele für einfache Abzählprobleme vorgestellt wurden, werden jetzt die Grundbegriffe der Kombinatorik, nämlich Variation, Permutation und Kombination eingeführt, systematisch untersucht und an weiteren einfachen Beispielen erläutert.
An einfachen Abzählproblemen beim Würfeln wird gezeigt, wie man in der Kombinatorik systematisch vorgeht, um Abzählprobleme zu klassifizieren und allgemeine Formeln zur Berechnung der Anzahl der Realisierungen gewisser Ereignisse herzuleiten. In den R-Skripten werden Beispiele gezeigt, wie man solche Probleme auch ohne Kenntnisse aus der Kombinatorik mit roher Gewalt (brute force-Algorithmen) lösen kann.
Anwendungen aus verschiedensten Bereichen, in denen die bisher erlernten Konzepte von C++ eingesetzt werden können, werden als Programmier-Aufgaben formuliert.