Permutations

Cho $n$ là một số nguyên dương, $r$ là một số nguyên thoả mãn $0\leq r\leq n$ và $A$ là một tập hợp có $n$ phần tử. Một $r-$ hoán vị của $A$ (hay một chỉnh hợp chập $r$ của $A$ ) là một cách xếp $r$ phần tử nào đó của $A$ thành một hàng. Một $n-$ hoán vị của $A$ sẽ được gọi là một hoán vị của $A.$

Ví dụ 1. Cho tập $A=\{a,b,c,d\}$ . Khi đó các $3-$ hoán vị của $A$ là (có tất cả $24$ ):

$abc,acb,bac,bca,cab,cba,$

$abd,adb,bad,bda,dab,dba,$

$acd,adc,cad,cda,dac,dca,$

$bcd,bdc,cbd,cdb,dbc,dcb.$ $\Box$

Định lí 1. Cho $n$ là một số nguyên dương, $r$ là một số nguyên thoả mãn $0\leq r\leq n$ và $A$ là một tập hợp có $n$ phần tử. Khi đó số $r-$ hoán vị của $A$ bằng $A_n^r=\dfrac{n!}{(n-r)!}$ . Nói riêng, số hoán vị của $A$ bằng $P_n=n!$ .

Chứng minh. Một $r-$ hoán vị của $A$ sẽ được hình thành sau $r$ bước: Đầu tiên, chọn một phần tử từ $A$ và đặt nó vào vị trí thứ nhất; sau đó ta chọn trong các phần tử còn lại của $A$ một phần và đặt nó vào vị trí thứ hai;…; và cuối cùng ta chọn một phần tử từ $n-r+1$ phần tử còn lại của $A$ và đặt nó vào vị trí thứ $r$ . Vì có $n$ cách làm bước thứ nhất, $n-1$ cách làm bước thứ hai;…; và $n-r+1$ cách làm bước thứ $r$ nên theo quy tắc nhân, ta có $A_n^r=n(n-1)\cdots (n-r+1)=\dfrac{n!}{(n-r)!}.$ $\Box$

Ví dụ 2. Gọi $E$ là tập tất cả $26$ chữ cái tiếng Anh. Tìm số các từ gồm $5$ chữ trong $E$ sao cho chữ đầu tiên, chữ cuối cùng là các nguyên âm phân biệt và ba chữ còn lại là các phụ âm phân biệt.

Lời giải. Có $5$ nguyên âm trong $E$ đó là $a,e,i,o,u$ và $21$ chữ cái còn lại là các phụ âm. Một từ thỏa mãn yêu cầu của đầu bài sẽ được hình thành sau hai bước: Đầu tiên, chọn một $2-$ hoán vị của $\{a,e,i,o,u\}$ và đặt nguyên âm thứ nhất vào vị trí $1$ , nguyên âm thứ hai vào vị trí $5$ , sau đó chọn một $3-$ hoán vị của $E\setminus \{a,e,i,o,u\}$ và đặt phụ âm thứ nhất, hai, ba của hoán vị vào vị trí $2,3,4$ tương ứng.

Bởi vì có $A_5^2$ cách để làm bước thứ nhất và $A_{21}^3$ cách để làm bước thứ hai nên theo quy tắc nhân ta có số các từ thoả mãn là $A_5^2\times A_{21}^3=159600.$ $\Box$

Continue reading →

Basic counting principles

Nguyên lý thứ nhất (Quy tắc cộng). Giả sử có $n_1$ cách thực hiện việc $E_1$ , $n_2$ cách thực hiện việc $E_2$ ,…, $n_k$ cách thực hiện việc $E_k$ . Nếu $k$ việc này không thể làm đồng thời thì sẽ có $n_1+n_2+\cdots+n_k$ cách thực hiện một trong các việc $E_1,E_2,\ldots,E_k$ .

Ví dụ 1. Người ta có thể đi từ Hải Phòng đến Đà Nẵng bằng một trong ba phương tiện: tàu hoả, tàu thuỷ và máy bay. Nếu có hai cách đi bằng tàu hoả, ba cách đi bằng tàu thuỷ, và $1$ cách đi bằng máy bay thì sẽ có $2+3+1=6$ cách đi từ Hải Phòng đến Đà Nẵng. $\Box$

Ví dụ 2. Tìm số các cặp có thứ tự $(x;y)$ các số nguyên thoả mãn $x^2+y^2\leq 5$ .

Lời giải. Mỗi $i=0,1,2,3,4,5$ ta đặt $S_i=\{(x,y)|x,y\in\mathbb{Z},x^2+y^2=i\}$ , khi đó tập cần tính số phần tử sẽ là hợp rời rạc của các $S_i$ . Ta tính số phần tử của các $S_i$ bằng phương pháp liệt kê và cuối cùng được đáp số của bài toán là $21.$ $\Box$

Nguyên lý thứ hai (Quy tắc nhân). Giả sử rằng việc $E$ có thể được làm bằng cách thực hiện liên tiếp các việc $E_1,E_2,\ldots,E_k$ ; và có $n_1$ cách thực hiện việc $E_1$ , $n_2$ cách thực hiện việc $E_2$ ,…, $n_k$ cách thực hiện việc $E_k$ . Khi đó số cách làm việc $E$ là $n_1\times n_2\times\cdots\times n_k$ .

Ví dụ 3. Đề đi từ thành phố $A$ đến thành phố $D$ người ta phải đi lần lượt qua hai thành phố $B$ và $C$ . Nếu có hai cách đi từ $A$ đến $B$, ba cách đi từ $B$ đến $C$ và một cách đi từ $C$ đến $D$ thì sẽ có $2\times 3\times 1=6$ cách đi từ $A$ đến $D.$ $\Box$

Ví dụ 4. Cho $k$ và $n$ là các số nguyên dương. Một dãy $k-$ phân độ dài $n$ là một dãy $(a_1,a_2,\ldots,a_n)$ với $a_1,a_2,\ldots,a_n\in\{0,1,\ldots,k-1\}$ . Hỏi có bao nhiêu dãy này?

Lời giải. Đặt $A=\{0,1,\ldots,k-1\}$ . Để hình thành một dãy $k-$ phân, đầu tiên chúng ta cần chọn $a_1$ từ $B$ , sau đó chọn $a_2$ từ $B$ , và cứ như thế cho đến cuối cùng cần chọn $a_n$ từ $B$ . Bởi vì có $k$ cách để làm mỗi bước nên theo quy tắc nhân, số các dãy như vậy bằng $k^n.$ $\Box$

Ví dụ 5. Tìm số các ước dương của $600$ .

Lời giải. Ta có $600=2^3\times 3^1\times 5^2$ nên một số nguyên dương $m$ là một ước dương của $600$ khi và chỉ khi nó có dạng $m=2^a\times 3^b\times 5^c$ với $a,b,c$ là các số nguyên thoả mãn $0\leq a\leq 3,0\leq b\leq 1,0\leq c\leq 2$ . Như vậy số các ước dương của $600$ bằng số các bộ ba $(a,b,c)$ thoả mãn $a\in\{0,1,2,3\},b\in\{0,1\},c\in\{0,1,2\}$ , theo quy tắc nhân, số ước dương của $600$ bằng $4\times 2\times 3=24.$ $\Box$

Tổng quát hơn ta có: Nếu số nguyên dương $n$ có phân tích tiêu chuẩn $n=\prod p_i^{k_i}$ thì số các ước dương của $n$ bằng $\prod (k_i+1)$ .

Ví dụ 6. Cho $X=\{1,2,\ldots,100\}$ và

$S=\{(a,b,c)\mid a,b,c\in X,a<b,a<c\}.$ Tính $|S|$ .

Lời giải. Với mỗi $k=1,2,\cdots,99$ ta đặt $S_k=\{(k,b,c)|b,c\in X, b>k,c>k\}$ . Khi đó $S$ là hợp rời rạc của các $S_k$ , mà theo quy tắc nhân ta có $|S_k|=(100-k)^2$ nên suy ra $|S|=\sum S_k=328350\Box$ .

Để ý đến lời giải ví dụ thứ hai và thứ sáu, ta thấy chúng có một điểm chung là chia bài toán đã cho thành các bài toán con đơn giản hơn và giải chúng. Đây là cách cơ bản nhất để giải các bài toán đếm, có thể sẽ có cách khác ngắn gọn hơn, nhưng việc chia một bài toán thành các bài toán con mà chúng ta đã biết cách giải sẽ giúp ta ít gặp phải các sai lầm hơn.

Ví dụ 7. Có bao nhiêu số tự nhiên có ba chữ số được lấy từ tập $\{1,2,3,4,5,6\}$ nếu

(a) Các chữ số không cần phải khác nhau?

(b) Các chữ số phải khác nhau?

(d) Các chữ số không cần phải khác nhau và chứa số $3$ ?

Lời giải.

(a) $6^3.$

(b) $6\times 5\times 4$ .

(d) Nếu tiếp tục làm như trên ta sẽ được kết quả là $3\times 6\times 6$ , đây là một kết quả không chính xác! Vì làm như vậy những số như $323$ sẽ được đếm hai lần. Vấn đề ở chỗ ta đã dùng sai quy tắc nhân, mỗi hai tổ hợp khác nhau cách thực hiện các công việc $E_i$ phải cho hai kết quả khác nhau thì ta mới áp dụng được quy tắc nhân. Bài này ta lại phải chia thành các bài toán con và giải chúng lần lượt.

Ta chia trường hợp theo vị trí của số $3$ nằm bên trái nhất. Nếu số $3$ này nằm ở vị trí hàng trăm thì số có ba chữ số phải có dạng $\overline{3ab}$ , nếu nó nằm ở vị trí hàng chục thì số có ba chữ số phải có dạng $\overline{a3b}$ với $a\not=3$ , và cuối cùng, nếu số $3$ này nằm ở vị trí hàng đơn vị thì số ba chữ số phải có dạng $\overline{ab3}$ với $a,b\not=3$ . Giải các bài toán con ta được đáp số của bài toán là $6\times 6+5\times 6+5\times 5.$ $\Box$

Continue reading →

The Chinese Remainder Theorem and Its Generalization

Định lý (Định lý phần dư Trung Hoa). Cho các số nguyên dương $r$ ; $n_1$ , $n_2$ , $\ldots$ , $n_r$ thỏa mãn $(n_i,n_j)=1$ với mọi chỉ số khác nhau $i$ và $j$ . Khi đó hệ phương trình đồng dư

$\displaystyle x\equiv a_1\pmod{n_1},x\equiv a_2\pmod{n_2},\ldots,x\equiv a_r\pmod{n_r}$

có nghiệm duy nhất modulo $\prod n_i$ với mỗi $r$ số nguyên $a_1$ , $a_2$ , $\ldots$ , $a_r$ .

Chúng tôi giới thiệu hai chứng minh của định lí này.

Chứng minh thứ nhất. Phần duy nhất là đơn giản, sau đây ta chứng minh phần tồn tại. Với mỗi $i$ , tồn tại số nguyên $k_i$ để

$\displaystyle x_i:=k_i\prod _{j\not =i}n_j\equiv 1\pmod{n_i}.$

Ta thấy $x=\sum a_ix_i$ là một nghiệm của hệ. $\blacksquare$

Chứng minh thứ hai. Đặt $N=\prod n_i$ . Dễ thấy ánh xạ

$\displaystyle x \pmod N\mapsto (x\pmod{n_1}, x\pmod{n_2}, \ldots, x\pmod{n_r})$

là một song ánh từ tập các lớp $\pmod N$ đến bộ các lớp $\pmod{n_i}$ . $\blacksquare$

Hệ quả. Cho các số nguyên dương $r$ ; $n_1$ , $n_2$ , $\ldots$ , $n_r$ và các số nguyên $a_1,$ $a_2,$ $\ldots,$ $a_r$ . Khi đó hệ phương trình đồng dư

$\displaystyle x\equiv a_1\pmod{n_1},x\equiv a_2\pmod{n_2},\ldots,x\equiv a_r\pmod{n_r}$

có nghiệm khi và chỉ khi $(n_i,n_j)\mid a_i-a_j$ với mọi cách chọn hai chỉ số phân biệt $i$ và $j$ .

Chứng minh. Điều kiện cần là hiển nhiên, ta chứng minh $(n_i,n_j)\mid a_i-a_j$ với mọi $i < j$ là điều kiện đủ để hệ có nghiệm.

Nếu $\prod n_i=1$ thì khẳng định đúng, nếu không, gọi $p_1,p_2,\ldots,p_k$ là các ước nguyên tố của $\prod n_i$ . Với mỗi $i$ , gọi $j(i)$ là chỉ số thỏa mãn

$\displaystyle s_i:=v_{p_i}(n_{j(i)})=\max (v_{p_i}(n_1),v_{p_i}(n_2),\ldots,v_{p_i}(n_r)).$

Theo định lý phần dư Trung Hoa, tồn tại số nguyên $x$ sao cho

$\displaystyle x\equiv a_{j(i)}\pmod{p_i^{s_i}}$

với mọi $i$ . Dễ thấy $x$ là nghiệm của hệ phương trình đồng dư đã cho. $\blacksquare$

A Proof of the Lifting The Exponent Lemma

Định lý 1 (Bổ đề nâng số mũ). Cho hai số nguyên lẻ $a,b$ và số nguyên dương $n$ . Khi đó:

(1) nếu $n$ là số lẻ thì $\displaystyle v_2(a^n-b^n)=v_2(a-b).$

(2) nếu $n$ là số chẵn thì $\displaystyle v_2(a^n-b^n)=v_2\left(\frac{a^2-b^2}{2}\right)+v_2(n).$

Chứng minh. (1) đúng hiển nhiên. Bây giờ ta chứng minh (2).

Viết $n=2^kx$ với $k$ là số nguyên dương và $x$ là số nguyên lẻ. Ta có:

$a^n-b^n=(a^x-b^x)(a^x+b^x)(a^{2x}+b^{2x})\cdots (a^{2^{k-1}x}+b^{2^{k-1}x})$

và trong các thừa số ở vế phải, trừ hai thừa số đầu, tất cả các thừa số còn lại đều chia cho $4$ dư $2$ , suy ra:

$v_2(a^n-b^n)=v_2(a^{2x}-b^{2x})+k-1=v_2(a^2-b^2)+v_2(n)-v_2(2).$

Định lý được chứng minh. $\Box$

Định lý 2 (Bổ đề nâng số mũ). Cho số nguyên tố lẻ $p$ và hai số nguyên $a,b$ không chia hết cho $p$ thỏa mãn $p\mid a-b$ . Khi đó:

$\forall n\in\mathbb{N}^*,\quad v_p\left(a^n-b^n\right)= v_p\left(a-b\right)+v_p(n).$

Chứng minh. Với mỗi số nguyên tố lẻ $p$ , cố định nó. Gọi $S$ là tập tất cả các số nguyên dương $n$ sao cho:

$v_p\left(a^n-b^n\right)= v_p\left(a-b\right)+v_p(n)$

với mọi $a,b$ thỏa mãn các giả thiết của định lý. Ta cần chứng minh $S=\mathbb{N}^*$ .

Khẳng định 1. $1\in S$ .

Chứng minh. Hiển nhiên. $\Box$

Khẳng định 2. Với mỗi hai số nguyên dương $m$ và $n$ , nếu $m\in S$ và $n\in S$ thì $mn\in S$ .

Chứng minh. Với $m,n\in S$ và $a,b$ thỏa mãn các giả thiết của định lí, ta có:

$\begin{aligned} v_p(a^{mn}-b^{mn}) &=v_p((a^m)^n-(b^m)^n)\\ &=v_p(a^m-b^m)+v_p(n)\\ &=v_p(a-b)+v_p(m)+v_p(n)\\ &=v_p(a-b)+v_p(mn), \end{aligned}$

suy ra $mn\in S$ . $\Box$

Khẳng định 3. Nếu $q$ là một số nguyên tố thì $q\in S$ .

Chứng minh. Cố định số nguyên tố $q$ và hai số nguyên $a, b$ thỏa mãn các điều kiện của định lý. Xét hai trường hợp:

Trường hợp 1. $q\not=p$ .

Ta có $a^q-b^q=(a-b)(a^{q-1}+a^{q-2}b+\cdots+b^{q-1})$ và thừa số thứ hai không chia hết cho $p$ nên có ngay $q\in S$ .

Trường hợp 2. $q=p$ .

Viết $a=b+p^kc$ với $k\in\mathbb{N}^*$ và $c$ là số nguyên không chia hết cho $p$ . Theo định lí nhị thức, ta có:

$a^p-b^p=p^{k+1}b^{p-1}c+C_p^2b^{p-2}p^{2k}c^2+\cdots+p^{kp}c^p.$

Vì $p$ là số nguyên tố lẻ và $k\in\mathbb{N}^*$ nên trong tổng trên, trừ số hạng đầu, tất cả các số hạng còn lại đều chia hết cho $p^{k+2}$ , suy ra:

$v_p(a^p-b^p)=v_p(p^{k+1}b^{p-1}c)=k+1=v_p(a-b)+v_p(p),$

hay $q=p\in S$ . $\Box$

Từ ba khẳng định ta có $S=\mathbb{N}^*$ . $\Box$

Nhận xét. Nếu $p$ là số nguyên tố lẻ thỏa mãn $a \equiv -b \not\equiv 0 \pmod p$ và $n$ là số lẻ thì:

$v_p(a^n + b^n) = v_p(a + b) + v_p(n).$

A Proof of Beatty’s Theorem

Cho số thực $\alpha$ . Dãy Beatty của $\alpha$ là dãy $(a_n)_{n\geq 1}$ xác định bởi $a_n=[n\alpha],\quad \forall n\geq 1.$

Định lý (Beatty). Cho hai số thực dương $\alpha$ và $\beta$ . Khi đó các dãy Beatty của $\alpha$ và $\beta$ làm thành một phân hoạch của tập các số nguyên dương khi và chỉ khi $\alpha$ và $\beta$ là các số vô tỷ và

$\displaystyle \frac{1}{\alpha}+\frac{1}{\beta}=1.$

Chứng minh. Đặt $S_{\alpha}=\{[n\alpha]|n=1,2,\ldots\}$ và $\displaystyle S_{\beta}=\{[n\beta]|n=1,2,\ldots\}.$

Giả sử $S_{\alpha}$ và $S_{\beta}$ làm thành một phân hoạch của tập các số nguyên dương. Ta thấy ngay $\alpha$ và $\beta$ lớn hơn $1$ , suy ra hai dãy Beatty của hai số này là các dãy tăng. Ta sẽ sử dụng phương pháp mật độ trong lý thuyết số giải tích.

Với mỗi số nguyên dương $k$ , cố định nó. Xét một số nguyên dương $n$ , ta có

$\displaystyle [n\alpha]\leq k\Leftrightarrow n\alpha < k+1\Leftrightarrow n < \dfrac{k+1}{\alpha}.$

Suy ra $|S_{\alpha}\cap \{1, 2, \ldots, k\}|=\left[\dfrac{k+1}{\alpha}\right]$ hoặc $\left[\dfrac{k+1}{\alpha}\right]-1$ tùy theo $\dfrac{k+1}{\alpha}$ không nằm trong hay nằm trong $\mathbb{Z}$ . Chứng minh tương tự ta có $\displaystyle |S_{\beta}\cap \{1, 2, \ldots, k\}|=\left[\dfrac{k+1}{\beta}\right]$ hoặc $\left[\dfrac{k+1}{\beta}\right]-1$ tùy theo $\dfrac{k+1}{\beta}$ không nằm trong hay nằm trong $\mathbb{Z}$ .

Mà $|S_{\alpha}\cap \{1, 2, \ldots, k\}|+|S_{\beta}\cap \{1, 2, \ldots, k\}|=k$ , suy ra

$\displaystyle -2+\left[\dfrac{k+1}{\alpha}\right]+\left[\dfrac{k+1}{\beta}\right]\leq k\leq \left[\dfrac{k+1}{\alpha}\right]+\left[\dfrac{k+1}{\beta}\right].$

Kết hợp với định nghĩa phần nguyên ta được

$\displaystyle -4+\dfrac{k+1}{\alpha}+\dfrac{k+1}{\beta} < k\leq \dfrac{k+1}{\alpha}+\dfrac{k+1}{\beta}.$

Chia các vế cho $k$ và cho $k\to+\infty$ ta có $\dfrac{1}{\alpha}+\dfrac{1}{\beta}=1.$ Nếu $\alpha$ là số hữu tỷ thì từ đẳng thức này ta có $\beta$ cũng là số hữu tỷ. Viết $\displaystyle \alpha=\dfrac{p}{q},\quad \beta=\dfrac{r}{s},$ với $p$ , $q$ , $r$ , và $s$ là các số nguyên dương. Ta thấy $S_{\alpha}\cap S_{\beta}\not=\emptyset$ , chẳng hạn $pr$ thuộc cả hai tập này, suy ra vô lý. Bởi vậy $\alpha$ là số vô tỷ, và $\beta$ cũng thế.

Bây giờ giả sử ngược lại, $\alpha$ và $\beta$ là các số vô tỷ và $\dfrac{1}{\alpha}+\dfrac{1}{\beta}=1.$ Ta thấy ngay $\alpha$ và $\beta$ lớn hơn $1$ , suy ra hai dãy Beatty của hai số này là các dãy tăng. Nếu $S_{\alpha}\cap S_{\beta}\not=\emptyset$ thì tồn tại các số nguyên dương $k,m$ và $n$ sao cho $k=[m\alpha]=[n\beta]$ . Suy ra

$\displaystyle k\leq m\alpha < k+1,\quad k\leq n\beta < k+1.$

Vì $\alpha$ và $\beta$ là các số vô tỷ nên

$\displaystyle k < m\alpha < k+1,\quad k < n\beta < k+1,$

suy ra

$\displaystyle \frac{k}{\alpha} < m < \frac{k+1}{\alpha},\quad \frac{k}{\beta} < n < \frac{k+1}{\beta},$

cộng theo vế ta có $k < m+n < k+1$ , vô lý. Như vậy $S_{\alpha}\cap S_{\beta}=\emptyset$ .

Nếu tồn tại số nguyên dương $l$ sao cho $l\not\in S_{\alpha}\cup S_{\beta}$ thì tồn tại các số nguyên không âm $p$ và $q$ sao cho

$\displaystyle [p\alpha] < l < [(p+1)\alpha], \quad [q\beta] < l < [(q+1)\beta].$

Vì $l$ là số nguyên nên từ các bất đẳng thức trên ta suy ra $p\alpha < l$ , đồng thời $[(p+1)\alpha] \geq l+1$ kéo theo $(p+1)\alpha \geq l+1$ . Lập luận tương tự cho $\beta$ , ta được