Resumo
Esta aula estuda as técnicas elementares para contar os elementos de um conjunto finito sem enumerá-los um por um. Define o número de elementos de um conjunto finito por meio de bijeções, demonstra a partir dessa definição os princípios aditivo e multiplicativo, deduz deles o número de permutações, de arranjos e de combinações, e define os coeficientes binomiais, cuja simetria e cuja relação de Stifel se demonstram tanto por contagem quanto por cálculo. Organiza depois esses coeficientes no triângulo de Pascal, demonstra por indução o binômio de Newton, que generaliza os produtos notáveis, e o aplica ao desenvolvimento de potências, à busca de um coeficiente e à aproximação numérica. É a última aula de conteúdos da unidade dedicada aos números naturais, que se encerra com a aula de síntese e desafios.
Objetivos de aprendizagem
- Aplicar os princípios aditivo e multiplicativo para contar sem enumerar, separando em casos quando as condições de uma escolha interferem entre si.
- Distinguir permutações, arranjos e combinações, e calcular seu número por meio do fatorial.
- Demonstrar as propriedades dos coeficientes binomiais por contagem e por cálculo, e construir com elas o triângulo de Pascal.
- Demonstrar o binômio de Newton e aplicá-lo ao desenvolvimento de potências, ao cálculo de coeficientes e à aproximação de potências.
Os princípios de contagem
Contar os elementos de um conjunto finito é a operação mais elementar da aritmética enquanto o conjunto pode ser percorrido elemento a elemento. Ora, quando os elementos são as maneiras de realizar uma escolha composta, como ordenar dez livros numa estante ou escolher três representantes entre trinta pessoas, a enumeração se torna impraticável, e o número se obtém decompondo a escolha em partes ou em etapas. Toda a combinatória elementar repousa sobre dois princípios, que se demonstram a partir de uma definição precisa do que significa contar.
Contar os elementos de um conjunto é numerá-los: atribuir a cada número de até um elemento, sem repetir nenhum e sem omitir nenhum. Diz-se que um conjunto tem elementos, com natural, quando existe uma bijeção do conjunto em , isto é, uma função que leva números distintos a elementos distintos e alcança todos os elementos de ; o conjunto vazio tem elementos, e um conjunto é finito se é vazio ou tem elementos para algum natural . As bijeções, sua composição e sua inversa são estudadas na aula sobre conjuntos, relações e funções.
Fato admitido (número de elementos). Admite-se sem demonstração que o número de elementos de um conjunto finito está bem definido: um conjunto não pode ter ao mesmo tempo elementos e elementos se . Admite-se também que todo subconjunto de um conjunto finito é finito.
Ambos os fatos se demonstram por indução sobre ; o primeiro é, no fundo, o princípio da casa dos pombos, segundo o qual não há uma função que leve os números de a números distintos de . Suas demonstrações são longas e não trazem ideias que se usem depois, e por isso se admitem. Sem o primeiro, a expressão “o número de elementos” não teria sentido, e uma demonstração combinatória, que conta um mesmo conjunto de duas maneiras, não poderia concluir que os dois resultados são iguais.
Se tem elementos, tem elementos e e não têm elementos comuns, então tem elementos. A figura acompanha a demonstração com e .
Demonstração
Por hipótese, há uma bijeção de em e outra, , de em : os elementos de cada conjunto estão numerados sem repetições.
Pela tricotomia, todo número de até cumpre ou ; no segundo caso, pela definição da ordem, para um natural , único pelo cancelamento da soma, e pela monotonia da soma.
Definimos em : os primeiros números são numerados como com , e os seguintes, como com .
A função leva números distintos a elementos distintos: dois números da mesma parte, porque e o fazem; um de cada parte, porque vão para um elemento de e para um de , que não têm elementos comuns.
A função alcança todos os elementos da união: os de são valores de , e os de , valores de .
Portanto, é uma bijeção de em , e a união tem elementos. Se um dos conjuntos é vazio, a afirmação é imediata.
Por indução sobre o número de partes, o princípio se estende a qualquer número finito de conjuntos sem elementos comuns dois a dois: a união de , com elementos, tem elementos, porque a união dos primeiros é a dos primeiros com o último, que não tem elementos comuns com eles. Dele se deduz o segundo princípio, que conta as escolhas feitas por etapas.
Se uma escolha se realiza em duas etapas, a primeira de maneiras e a segunda, qualquer que tenha sido a primeira, de maneiras, a escolha completa pode realizar-se de maneiras. A figura desenha cada escolha completa como um ponto, na linha de sua primeira etapa, com .
Demonstração
Agrupamos as escolhas completas segundo a primeira etapa: há classes sem elementos comuns, e cada uma tem elementos, as maneiras de completar essa primeira escolha.
Procedemos por indução sobre o número de classes. Passo inicial: se , todas as escolhas estão em , que tem elementos.
Passo indutivo: supomos que a união de classes sem elementos comuns, de elementos cada uma, tem elementos.
A união de classes é a das primeiras com a última, que não tem elementos comuns com elas; pelo princípio aditivo, tem elementos.
Pelo lema , demonstrado ao provar a comutatividade do produto na aula sobre as operações, esse número é .
Pelo princípio de indução, a união de classes tem elementos: a escolha completa pode realizar-se de maneiras. Na figura, .
Do mesmo modo, por indução sobre o número de etapas, o princípio multiplicativo se estende a qualquer número finito delas: uma escolha em etapas, que podem realizar-se de maneiras respectivamente, pode realizar-se de maneiras. Por exemplo, no sistema decimal estudado na aula sobre os sistemas de numeração posicional há números de três algarismos, porque o primeiro algarismo não pode ser e os outros dois são livres. Convém advertir que o princípio multiplicativo exige que o número de opções de cada etapa não dependa do que foi escolhido antes, ainda que as próprias opções dependam; se essa condição falha, separam-se casos em que ela se cumpre e somam-se seus resultados com o princípio aditivo.
As etapas sucessivas de uma escolha se representam com um diagrama de árvore: de um ponto inicial, a raiz, saem tantos ramos quantas opções tem a primeira etapa; da extremidade de cada ramo, tantos quantas opções tem a segunda, e assim sucessivamente. Cada percurso da raiz até uma extremidade final, ou folha, é uma escolha completa, e o princípio multiplicativo conta as folhas sem desenhá-las.
Contar os números de três algarismos que podem ser escritos com os algarismos , e sem repetir nenhum, e compará-los com os que se obtêm se a repetição é admitida.
Demonstração
O primeiro algarismo pode ser qualquer um dos três: da raiz saem três ramos.
Escolhido o primeiro algarismo, restam dois para o segundo, qualquer que tenha sido o primeiro: cada ramo se abre em dois, e pelo princípio multiplicativo há seis começos possíveis.
Para o terceiro algarismo resta uma só possibilidade, de modo que cada começo se completa de uma única maneira.
As folhas da árvore, lidas a partir da raiz, são os seis números procurados, ordenados do menor para o maior.
Se é admitido repetir algarismos, cada etapa tem três opções, e a árvore tem muito mais folhas do que no caso sem repetição.
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