🎡 Что такое комбинаторика и как она используется в программировании

Расскажем, какие задачи помогает решать комбинаторика и зачем программистам нужно ее знать.

Комбинаторика – это раздел математики, который занимается подсчетом возможных вариантов расположения, комбинаций или выбора объектов, а также поиском закономерностей или структур, возникающих в результате такого расположения. Комбинаторика может, к примеру, ответить на такие вопросы:

• Сколько слов можно составить из определенного набора букв?
• Сколько подмножеств с определенным количеством элементов можно сформировать из исходного множества?
• Сколько существует путей из одной точки в другую в графе или сети?
• Сколькими способами мы можем выбрать 3 людей с определенными качествами из группы в 10 человек, чтобы сформировать команду?
• Сколькими способами можно раскрасить грани куба в 3 разных цвета?

Одна из главных концепций комбинаторики – факториал. Это математическая функция, которая применяется для вычисления произведения всех положительных целых чисел от 1 до заданного числа. Факториал обозначается символом !. Например, факториал числа 5 записывается как 5! и равен 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120. Факториал играет важную роль в комбинаторике, поскольку он используется для вычисления количества перестановок, размещений и сочетаний элементов в наборе.

Вторая важная концепция – субфакториал !n. Он обозначает количество беспорядков – перестановок без неподвижных точек:

В таких перестановках ни один элемент не остается на своем исходном месте. Например, субфакториал числа 3 равен 2, поскольку из трех возможных перестановок (1, 2, 3), (2, 3, 1) и (3, 1, 2) только в двух переустановках ни один элемент не остается на своем месте.

Третье фундаментальное понятие комбинаторики – биномиальный коэффициент. Это число, которое показывает количество способов выбрать k элементов из n элементов без учета порядка, если все элементы различны, и порядок выбора не имеет значения. Биномиальный коэффициент вычисляется по формуле:

Здесь n – общее количество элементов, а k – количество элементов, которые мы выбираем. Например, биномиальный коэффициент C(5, 2) показывает, сколько способов можно выбрать 2 предмета из 5, не учитывая порядок их выбора.

На использовании факториала, субфакториала и биномиального коэффициента основаны решения множества задач, которые предлагают на олимпиадах и собеседованиях. Вот несколько примеров.

Задача 1. Сколько уникальных списков воспроизведения можно сгенерировать из альбома, в котором содержатся 12 треков? Уникальным считается плейлист, в котором каждый трек находится на месте, отличном от исходного альбомного порядка.

Решение: количество таких плейлистов равно числу перестановок без неподвижных точек, то есть !12 = 176214841.

Задача 2. Сколько существует способов разместить 5 книг на полке, если 2 из них должны стоять рядом?

Решение: для размещения 5 книг на полке в любом порядке существует 5! возможных способов. Однако если 2 из них должны стоять рядом, то мы можем рассматривать эту пару как один объект. Тогда у нас останется 4 объекта, которые можно разместить в 4! возможных порядках. Кроме того, пара книг может стоять либо слева, либо справа, поэтому их можно разместить в 2 возможных положениях. Таким образом, общее число способов разместить 5 книг, где 2 из них стоят рядом, равно 2 * 4! = 48.

Задача 3. Сколько различных башен, состоящих из 8 кубиков, можно построить из 2 красных кубиков, 4 синих кубиков и 2 желтых кубиков?

Решение: Для ответа на этот вопрос, можно использовать формулу для перестановок с повторениями, которая выглядит следующим образом:

Поскольку у нас есть 3 типа кубиков – 2 красных, 4 синих и 2 желтых, получим:

P(2 + 4 + 2) / (2! * 4! * 2!)

Вычисляя факториалы, мы получаем:

(8!) / (2! * 4! * 2!) = 420

Таким образом, мы можем построить 420 различных башен.

Задача 4. 10 человек стоят в кругу на равном расстоянии друг от друга. Каждый человек знает ровно 3 других людей из 9: двух человек, которые стоят рядом с ним, и одного напротив. Сколько существует способов разделить этих 10 людей на 5 пар так, чтобы члены каждой пары знали друг друга?

Решение: поскольку каждый человек знает ровно 3 других людей, мы можем сформировать группу из 4 человек. В такой группе каждый человек знает всех остальных. Мы можем «поворачивать» группу вокруг оси и получать все различные варианты расположения людей в этой группе. Количество способов выбрать 2 человек из 4 равно 6:

Вторую пару можно сформировать всего одним способом, так как есть только два человека, которые еще не составляют пару:

Следующую пару формируем аналогично первой, т.е. C(4, 2) = 6 способами. Четвертую пару можно сформировать всего одним способом C(2, 2) = 1, так как осталось только два человека. Затем мы перемножаем количество способов сформировать первую пару с количеством способов сформировать вторую пару, и получаем 6 * 1 = 6. Аналогично, перемножим количество способов сформировать третью пару (6 способов) с количеством способов сформировать четвертую пару (1 способ) и получим еще 6. Финальную пятую пару можно сформировать только одним способом C(2, 2) = 1. Итого получим 6 + 6 + 1 = 13 различных вариантов.

Комбинаторика в программировании

Комбинаторика является одним из подразделов дискретной математики. Она тесно связана с остальными подразделами ДМ – теорией графов, теорией алгоритмов, теорией кодирования, теорией множеств и т.д. Для решения практических задач комбинаторику используют совместно с методами из многих других разделов математики – от теории вероятностей и математической статистики до матроидов и вычислительной геометрии.

Как и математический анализ, комбинаторика применяется для решения общих и специфических задач программирования.

Общие задачи программирования, которые помогает решить комбинаторика

Оптимизация алгоритмов. Комбинаторику используют для оптимизации в различных областях, включая:

• инвестиционные стратегии;
• планирование производства;
• логистику и транспортировку;
• распределение ресурсов;
• маршрутизацию в телекоммуникационных сетях.

Комбинаторные методы позволяют рассчитывать все возможные варианты решения задачи при заданных ограничениях, а также определять оптимальные решения на основе различных критериев.

Генерация перестановок и наборов данных с учетом ограничений и условий. Комбинаторные методы используются в криптографии и анализе данных для генерации всех возможных перестановок и наборов из заданного массива данных.

Подсчет объектов с определенными свойствами и вычисление количества возможных способов расположения объектов. Используется для подсчета определенных путей в графах, конфигураций системы, способов расположения предметов в определенном порядке и т.д.

Оценка вероятностей событий. Например, если у нас есть n возможных исходов, и мы должны выбрать один из них, то вероятность каждого конкретного исхода будет равна 1/n.

Расчет количества возможных комбинаций. Если у нас есть n элементов, и мы должны выбрать k из них, то количество возможных комбинаций будет равно n!/k!(n-k)!.

Анализ статистических данных. Комбинаторику можно использовать для анализа различных статистических данных, таких как различия между средними значениями двух наборов данных или распределения данных в зависимости от их значений и выбранного диапазона.

Определение оптимальных игровых стратегий. Например, для определения оптимальной стратегии в игре в покер на основе вероятностных расчетов используют метод Монте-Карло и методы динамического программирования.

В играх с нулевой суммой, в которых сумма выигрышей одного игрока равна сумме проигрышей другого, комбинаторика может использоваться для определения оптимальной стратегии, которая приводит к максимальному выигрышу одного игрока при любых действиях другого.

Другой пример – моделирование игровых деревьев. В таком дереве каждый узел соответствует возможному состоянию игры, а каждое ребро – возможному ходу игрока. Комбинаторика используется для анализа всех возможных игровых состояний и определения оптимальных путей действий игроков.

Динамическое программирование. Комбинаторика и динамическое программирование тесно связаны друг с другом, поскольку многие алгоритмы динамического программирования используют комбинаторные идеи и методы для решения задач.

В динамическом программировании сложную задачу разбивают на более мелкие подзадачи и решают их последовательно, а затем комбинируют решения, чтобы получить ответ на исходную задачу. Во многих задачах, которые используют динамическое программирование, необходимо вычислить все возможные комбинации значений, чтобы найти оптимальное решение.

Например, в классической задаче о рюкзаке нужно найти максимальную стоимость предметов, которые можно поместить в рюкзак определенной вместимости. В этой задаче используется динамическое программирование, чтобы решить все возможные подзадачи, то есть найти максимальную стоимость, которую можно получить при заполнении рюкзака вместимостью W для каждой комбинации из 0, 1, ..., W предметов.

Другой пример – задача нахождения наибольшей общей подпоследовательности, в которой нужно найти наибольшую общую подпоследовательность двух строк. Динамическое программирование используется для решения всех возможных подзадач, которые заключаются в нахождении наибольшей общей подпоследовательности для всех префиксов двух строк, а затем комбинирует решения для получения ответа на исходную задачу.

Комбинаторные методы также используют для сокращения времени выполнения алгоритмов динамического программирования, например, путем определения перестановочных шаблонов, которые можно повторно использовать в различных подзадачах.

Применение комбинаторики в отдельных сферах разработки

Криптография

Комбинаторика используется в криптографии для разработки и анализа надежных алгоритмов шифрования. Вот несколько примеров того, как комбинаторика используется в криптографии.

Шифрование на основе перестановок. Один из примеров – стандарт шифрования AES, который использует комбинацию операций перестановки и подстановки для шифрования данных.

Комбинаторные конструкции. Латинские квадраты и матрицы Адамара используются в криптографии для генерации последовательностей ключей и разработки кодов с коррекцией ошибок. Эти конструкции основаны на таких комбинаторных свойствах, как ортогональность и полнота.

Хеш-функции. Хеш-функции широко используются в криптографии для генерации хеш-сумм, которые можно использовать для аутентификации и проверки подлинности. Для разработки хеш-функций, защищенных от коллизионных атак и атак нахождения прообраза, применяют комбинаторные методы.

Криптографические протоколы. Здесь комбинаторика используется для анализа и проектирования криптографических протоколов – для обмена ключами, аутентификации и конфиденциальных вычислений. В этих протоколах используются комбинаторные методы – разделение секретов, корректирующие коды и комбинаторная оптимизация.

Анализ данных и машинное обучение

Комбинаторика широко используется в анализе данных для эффективной обработки больших массивов информации – здесь она помогает:

• выделять важные паттерны;
• находить закономерности и структуры;
• анализировать соотношения между переменными и определять статистически значимые связи;
• определять оптимальные решения на основе возможных комбинаций.

Другие направления применения комбинаторных методов в Data Science включают:

• автоматизированный отбор признаков;
• кластерный анализ для группировки объектов на основе схожих признаков;
• прогнозирование временных рядов;
• экспериментальный дизайн.

Комбинаторика также используется в оптимизации процессов машинного обучения. Например, при обучении модели машинного обучения можно рассмотреть все возможные комбинации параметров и выбрать оптимальный набор, который дает наилучшие результаты. Этот подход называют оптимизацией гиперпараметров.

В задачах исследования социальных сетей комбинаторика может помочь выделить наиболее значимые сообщества и группы людей. Например, можно использовать комбинаторные алгоритмы для выделения групп людей, которые активно общаются друг с другом, и изучения характеристик этих групп.

В обработке естественного языка комбинаторику используют для анализа возможных заполнений в пропущенных данных, для распределения слов и для определения структуры предложений.

В задачах, связанных с распознаванием текста, изображений или речи, комбинаторика помогает определить оптимальное подмножество признаков, которое наилучшим образом описывает звуковой сигнал, изображение или текст.

Разработка игр

Здесь комбинаторика используют для разработки игровых механик и балансировки игрового процесса. Например, комбинаторные методы позволяют определить оптимальный баланс между различными параметрами игры (сложностью, скоростью, динамикой). А еще комбинаторика задействована в процедурной генерации контента – случайные блуждания, клеточные автоматы и шумовые функции помогают создавать сложные и необычные эффекты.

Что почитать по комбинаторике?

Рекомендуем начать с нестареющей классики – «Комбинаторики» Н. Я. Виленкина. Книга регулярно дополняется и переиздается с 1969 года. Ее главный плюс – простой, понятный и увлекательный стиль изложения. Второй плюс – множество заданий и примеров из реальной жизни.

«Введение в комбинаторный анализ», Джон Риордан. Это тоже винтажная книга (1963 года), но она до сих пор пользуется заслуженной популярностью. Книга начинается с основных комбинаторных понятий (перестановки, сочетания и размещения), и постепенно переходит к более сложным темам – генерирующим функциям, теории вероятностей и комбинаторному анализу алгоритмов. Большой плюс книги – структурный подход к изложению материала и множество упражнений.

«Конкретная математика. Математические основы информатики», Дональд Кнут, Рональд Л. Грэхем, Орен Паташник. Книга основана на одноименном курсе лекций, который ежегодно читается в Стэнфордском университете начиная с 1970 года. Когда Кнут приступил к написанию того самого трехтомника, которым сейчас пугают всех начинающих программистов, он обнаружил, что его собственная математическая база оставляет желать лучшего. Поэтому он и создал курс, который сам хотел бы прослушать, а затем – написал эту книгу, в которой, помимо всего прочего, подробно разбираются концепции и методы комбинаторики.

«Избранные задачи комбинаторного анализа», В. К. Леонтьев. Это сборник интересных и сложных комбинаторных задач, которые можно использовать для самостоятельного изучения продвинутых тем (теории корректирующих кодов, дискретной геометрии, вероятностной комбинаторики) и для подготовки к олимпиадам и экзаменам.

«Комбинаторные алгоритмы для программистов», Н. И. Костюкова. Эта книга представляет собой сборник лекций, которые читают в Новосибирском государственном университете. Здесь компактно изложено все, что нужно знать о комбинаторике – от самых азов до алгоритмов на графах.

Как разобраться в комбинаторике быстро

Вряд ли у кого-то могут возникнуть проблемы с пониманием базовых концепций комбинаторики: занимательные задания и примеры из реальной жизни, которые есть в большинстве книг, научат моментально соображать, с чем именно связана та или иная задача – с использованием факториала, субфакториала или биномиального коэффициента. Однако в комбинаторике есть куда более сложные концепции, и когда дело дойдет до применения конкретных методов на практике, могут возникнуть определенные трудности. Чтобы не терять время зря, приходи на курс Библиотеки программиста «Математика для Data Science» – научим решать любые практические задачи.