diskretna matematika 2 predavanja matf

74
Diskretne strukture 2 Letnji semestar 2013/2014 dr Zoran Stani´ c Autori: Nikola Ajzenhamer Anja Bukurov 2014 1

Upload: mia

Post on 07-Feb-2016

724 views

Category:

Documents


67 download

DESCRIPTION

-kombinatorika-generatrisa-rekurentne jne-teorija grafova

TRANSCRIPT

Page 1: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Diskretne strukture 2

Letnji semestar 20132014

dr Zoran Stanic

AutoriNikola Ajzenhamer

Anja Bukurov

2014

1

Sadrzaj

1 PREBROJAVANJE 411 Osnovni pojmovi 412 Principi prebrojavanja 5

121 Princip jednakosti 5122 Princip zbira 5123 Princip proizvoda 6

13 Dirihleov princip 6131 Uopsteni Dirihleov princip 7

2 IZBORI ELEMENATA 921 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem 1022 Uredeni izbori elemenata 10

221 Permutacije 1123 Neuredeni izbor elemenata 1124 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem 12

241 Permutacije sa ponavljanjem 13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA 1431 Generisanje permutacija 14

311 Generisanje k-te permutacije 1532 Generisanje kombinacija 16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI 1741 Osnovne osobine 1742 Neki identiteti 20

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA 23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCI-JE) 2461 Mnozenje polinoma 2462 Odredivanje funkcija generatrise 26

7 REKURENTNE JEDNACINE 2871 Linearna rekurentna jednacina 2972 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima 30

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima 30

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstant-nim koeficijentima 30

73 Nelinearne rekurentne jednacine 3374 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina 33

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA 3681 Fibonacijevi brojevi 36

811 Zlatna podela 36812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva 37813 Osobine Fibonacijevih brojeva 39

82 Tribonacijevi brojevi 40

2

83 Lukasovi brojevi 4184 Katalanovi brojevi 42

9 Particije 4591 Kompozicije brojeva 4592 Particije brojeva 45

921 Ferersovi dijagrami 4693 Neki identiteti sa particijama 4894 Particije skupova 4995 Neki identiteti 49

10 Grafovi 50101 Tipovi grafova 50102 Neki grafovi 52103 Izomorfizam grafa i invarijante 55104 Setnja staze i putevi 57105 Maticna reprezentacija grafova 59106 Stabla 59107 Razapinjuci graf 60108 Pretraga grafa 62109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima 63

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskomgrafu 63

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova 671093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla 681094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza 69

1010Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu 72

3

1 PREBROJAVANJE

Nikola Ajzenhamer

11 Osnovni pojmovi

Osnovni pojmovi o skupovima

Skup se u matematici najcesce uzima kao osnovni pojam ali mozemo gadefinisati kao kolekciju objekata takvu da ona po sebi cini jedan objekat Zaoznacavanje skupova se najcesce koriste velika slova latinice A B Ako jeneki skup konacan ili prebrojivo beskonacan pa se njegovi elementi mogu na-brojati mogu se koristiti sledeci zapisi

A = a1 a2 a3 an odnosno A = a1 a2 a3

Ako postoji neko svojstvo φ(x) zajednicko za sve elemente nekog skupa ondaskup mozemo zapisati i kao

X = x|φ(x)

Prebrojiv skup je skup S cija je kardinalnost jednaka kardinalnosti nekog pod-skupa skupa prirodnih brojeva N Ili neki skup je prebrojiv ukoliko postojibijektivna funkcija koja moze preslikati taj skup S u neki podskup skupa pri-rodnih brojeva (ta dva skupa su iste kardinalne moci) a vazi i obrnuto tj nijebitno da li S slika u N ili N u S Pod prebrojivim skupovima se podrazume-vaju i konacni skupovi pa kada zelimo da naglasimo da je skup prebrojiv ali ibeskonacan nazivamo ga beskonacno prebrojivim skupom

Za kardinalni broj nekog skupa koristimo oznaku |X| gde je X neki skup ivazi da je kardinalni broj nekog skupa jednak broju elemenata tog skupa

Neka je X = x1 x2 xn Tada je |X| = n

Ako je f X minusrarrNA1minus1 1 2 n gde je X neki skup a 1 2 n pod-

skup skupa N i f bijektivna funkcija onda je |X| = |1 2 n| = n

Kada znamo da je skup konacan ili beskonacno prebrojiv kazemo da je onnajvise prebrojiv skup

Svaki skup koji nije prebrojiv naziva se neprebrojiv skup Primer neprebro-jivog skupa je skup realnih brojeva R On ima vecu kardinalnu moc u odnosuna skup prirodnih brojeva N

Skupovi i multiskupovi

Razlika izmedu skupa i multiskupa je u tome da se u skupu jedan element nemoze ponoviti vise puta dok je u multiskupu to dozvoljeno

4

- skup 1 = 1 1 1

- multiskup 1 6= 1 1 1

Vrste preslikavanja

Preslikavanje f je surjekcija (rdquoNArdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarrNA Yvazi

forally isin Yexistx isin X f(x) = y

Preslikavanje f je injekcija (rdquo1-1rdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarr1minus1 Yvazi

forallx1 x2 isin X f(x1) = f(x2) =rArr x1 = x2

Preslikavanje f je bijekcija ako je i rdquo1-1rdquoi rdquoNArdquo

Definicija 11 Ukoliko postoji bijektivno preslikavanje skupa A u skup 1 2 ntada kazemo da skup A ima n elemenata u oznaci |A| = n

Definicija 12 Prebrojati neki skup znaci odrediti broj njegovih elemenata

12 Principi prebrojavanja

Postoje tri osnovna principa prebrojavanja koja sluze da pojednostave pre-brojavanje

(1) Princip jednakosti

(2) Princip zbira

(3) Princip proizvoda

121 Princip jednakosti

Ukoliko postoji f A minusrarrNA1minus1 B tada |A| = |B|

Primer 1

a) Skup parnih brojeva Π- ima prebrojivo mnogo beskonacno elemenataf N minusrarrNA

1minus1 Π f(x) = 2x

b) A sube 1 2 30 x isin AlArrrArr 3|xf 1 2 10 minusrarrNA

1minus1 A f(x) = 3x

122 Princip zbira

Ukoliko imamo dva disjunktna skupa A i B (disjunktni skupovi su oni kojinemaju zajednickih elemenata odn A capB = empty) tada |A cupB| = |A|+ |B|

5

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 2: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Sadrzaj

1 PREBROJAVANJE 411 Osnovni pojmovi 412 Principi prebrojavanja 5

121 Princip jednakosti 5122 Princip zbira 5123 Princip proizvoda 6

13 Dirihleov princip 6131 Uopsteni Dirihleov princip 7

2 IZBORI ELEMENATA 921 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem 1022 Uredeni izbori elemenata 10

221 Permutacije 1123 Neuredeni izbor elemenata 1124 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem 12

241 Permutacije sa ponavljanjem 13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA 1431 Generisanje permutacija 14

311 Generisanje k-te permutacije 1532 Generisanje kombinacija 16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI 1741 Osnovne osobine 1742 Neki identiteti 20

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA 23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCI-JE) 2461 Mnozenje polinoma 2462 Odredivanje funkcija generatrise 26

7 REKURENTNE JEDNACINE 2871 Linearna rekurentna jednacina 2972 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima 30

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima 30

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstant-nim koeficijentima 30

73 Nelinearne rekurentne jednacine 3374 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina 33

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA 3681 Fibonacijevi brojevi 36

811 Zlatna podela 36812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva 37813 Osobine Fibonacijevih brojeva 39

82 Tribonacijevi brojevi 40

2

83 Lukasovi brojevi 4184 Katalanovi brojevi 42

9 Particije 4591 Kompozicije brojeva 4592 Particije brojeva 45

921 Ferersovi dijagrami 4693 Neki identiteti sa particijama 4894 Particije skupova 4995 Neki identiteti 49

10 Grafovi 50101 Tipovi grafova 50102 Neki grafovi 52103 Izomorfizam grafa i invarijante 55104 Setnja staze i putevi 57105 Maticna reprezentacija grafova 59106 Stabla 59107 Razapinjuci graf 60108 Pretraga grafa 62109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima 63

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskomgrafu 63

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova 671093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla 681094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza 69

1010Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu 72

3

1 PREBROJAVANJE

Nikola Ajzenhamer

11 Osnovni pojmovi

Osnovni pojmovi o skupovima

Skup se u matematici najcesce uzima kao osnovni pojam ali mozemo gadefinisati kao kolekciju objekata takvu da ona po sebi cini jedan objekat Zaoznacavanje skupova se najcesce koriste velika slova latinice A B Ako jeneki skup konacan ili prebrojivo beskonacan pa se njegovi elementi mogu na-brojati mogu se koristiti sledeci zapisi

A = a1 a2 a3 an odnosno A = a1 a2 a3

Ako postoji neko svojstvo φ(x) zajednicko za sve elemente nekog skupa ondaskup mozemo zapisati i kao

X = x|φ(x)

Prebrojiv skup je skup S cija je kardinalnost jednaka kardinalnosti nekog pod-skupa skupa prirodnih brojeva N Ili neki skup je prebrojiv ukoliko postojibijektivna funkcija koja moze preslikati taj skup S u neki podskup skupa pri-rodnih brojeva (ta dva skupa su iste kardinalne moci) a vazi i obrnuto tj nijebitno da li S slika u N ili N u S Pod prebrojivim skupovima se podrazume-vaju i konacni skupovi pa kada zelimo da naglasimo da je skup prebrojiv ali ibeskonacan nazivamo ga beskonacno prebrojivim skupom

Za kardinalni broj nekog skupa koristimo oznaku |X| gde je X neki skup ivazi da je kardinalni broj nekog skupa jednak broju elemenata tog skupa

Neka je X = x1 x2 xn Tada je |X| = n

Ako je f X minusrarrNA1minus1 1 2 n gde je X neki skup a 1 2 n pod-

skup skupa N i f bijektivna funkcija onda je |X| = |1 2 n| = n

Kada znamo da je skup konacan ili beskonacno prebrojiv kazemo da je onnajvise prebrojiv skup

Svaki skup koji nije prebrojiv naziva se neprebrojiv skup Primer neprebro-jivog skupa je skup realnih brojeva R On ima vecu kardinalnu moc u odnosuna skup prirodnih brojeva N

Skupovi i multiskupovi

Razlika izmedu skupa i multiskupa je u tome da se u skupu jedan element nemoze ponoviti vise puta dok je u multiskupu to dozvoljeno

4

- skup 1 = 1 1 1

- multiskup 1 6= 1 1 1

Vrste preslikavanja

Preslikavanje f je surjekcija (rdquoNArdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarrNA Yvazi

forally isin Yexistx isin X f(x) = y

Preslikavanje f je injekcija (rdquo1-1rdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarr1minus1 Yvazi

forallx1 x2 isin X f(x1) = f(x2) =rArr x1 = x2

Preslikavanje f je bijekcija ako je i rdquo1-1rdquoi rdquoNArdquo

Definicija 11 Ukoliko postoji bijektivno preslikavanje skupa A u skup 1 2 ntada kazemo da skup A ima n elemenata u oznaci |A| = n

Definicija 12 Prebrojati neki skup znaci odrediti broj njegovih elemenata

12 Principi prebrojavanja

Postoje tri osnovna principa prebrojavanja koja sluze da pojednostave pre-brojavanje

(1) Princip jednakosti

(2) Princip zbira

(3) Princip proizvoda

121 Princip jednakosti

Ukoliko postoji f A minusrarrNA1minus1 B tada |A| = |B|

Primer 1

a) Skup parnih brojeva Π- ima prebrojivo mnogo beskonacno elemenataf N minusrarrNA

1minus1 Π f(x) = 2x

b) A sube 1 2 30 x isin AlArrrArr 3|xf 1 2 10 minusrarrNA

1minus1 A f(x) = 3x

122 Princip zbira

Ukoliko imamo dva disjunktna skupa A i B (disjunktni skupovi su oni kojinemaju zajednickih elemenata odn A capB = empty) tada |A cupB| = |A|+ |B|

5

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 3: Diskretna matematika 2 predavanja matf

83 Lukasovi brojevi 4184 Katalanovi brojevi 42

9 Particije 4591 Kompozicije brojeva 4592 Particije brojeva 45

921 Ferersovi dijagrami 4693 Neki identiteti sa particijama 4894 Particije skupova 4995 Neki identiteti 49

10 Grafovi 50101 Tipovi grafova 50102 Neki grafovi 52103 Izomorfizam grafa i invarijante 55104 Setnja staze i putevi 57105 Maticna reprezentacija grafova 59106 Stabla 59107 Razapinjuci graf 60108 Pretraga grafa 62109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima 63

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskomgrafu 63

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova 671093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla 681094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza 69

1010Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu 72

3

1 PREBROJAVANJE

Nikola Ajzenhamer

11 Osnovni pojmovi

Osnovni pojmovi o skupovima

Skup se u matematici najcesce uzima kao osnovni pojam ali mozemo gadefinisati kao kolekciju objekata takvu da ona po sebi cini jedan objekat Zaoznacavanje skupova se najcesce koriste velika slova latinice A B Ako jeneki skup konacan ili prebrojivo beskonacan pa se njegovi elementi mogu na-brojati mogu se koristiti sledeci zapisi

A = a1 a2 a3 an odnosno A = a1 a2 a3

Ako postoji neko svojstvo φ(x) zajednicko za sve elemente nekog skupa ondaskup mozemo zapisati i kao

X = x|φ(x)

Prebrojiv skup je skup S cija je kardinalnost jednaka kardinalnosti nekog pod-skupa skupa prirodnih brojeva N Ili neki skup je prebrojiv ukoliko postojibijektivna funkcija koja moze preslikati taj skup S u neki podskup skupa pri-rodnih brojeva (ta dva skupa su iste kardinalne moci) a vazi i obrnuto tj nijebitno da li S slika u N ili N u S Pod prebrojivim skupovima se podrazume-vaju i konacni skupovi pa kada zelimo da naglasimo da je skup prebrojiv ali ibeskonacan nazivamo ga beskonacno prebrojivim skupom

Za kardinalni broj nekog skupa koristimo oznaku |X| gde je X neki skup ivazi da je kardinalni broj nekog skupa jednak broju elemenata tog skupa

Neka je X = x1 x2 xn Tada je |X| = n

Ako je f X minusrarrNA1minus1 1 2 n gde je X neki skup a 1 2 n pod-

skup skupa N i f bijektivna funkcija onda je |X| = |1 2 n| = n

Kada znamo da je skup konacan ili beskonacno prebrojiv kazemo da je onnajvise prebrojiv skup

Svaki skup koji nije prebrojiv naziva se neprebrojiv skup Primer neprebro-jivog skupa je skup realnih brojeva R On ima vecu kardinalnu moc u odnosuna skup prirodnih brojeva N

Skupovi i multiskupovi

Razlika izmedu skupa i multiskupa je u tome da se u skupu jedan element nemoze ponoviti vise puta dok je u multiskupu to dozvoljeno

4

- skup 1 = 1 1 1

- multiskup 1 6= 1 1 1

Vrste preslikavanja

Preslikavanje f je surjekcija (rdquoNArdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarrNA Yvazi

forally isin Yexistx isin X f(x) = y

Preslikavanje f je injekcija (rdquo1-1rdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarr1minus1 Yvazi

forallx1 x2 isin X f(x1) = f(x2) =rArr x1 = x2

Preslikavanje f je bijekcija ako je i rdquo1-1rdquoi rdquoNArdquo

Definicija 11 Ukoliko postoji bijektivno preslikavanje skupa A u skup 1 2 ntada kazemo da skup A ima n elemenata u oznaci |A| = n

Definicija 12 Prebrojati neki skup znaci odrediti broj njegovih elemenata

12 Principi prebrojavanja

Postoje tri osnovna principa prebrojavanja koja sluze da pojednostave pre-brojavanje

(1) Princip jednakosti

(2) Princip zbira

(3) Princip proizvoda

121 Princip jednakosti

Ukoliko postoji f A minusrarrNA1minus1 B tada |A| = |B|

Primer 1

a) Skup parnih brojeva Π- ima prebrojivo mnogo beskonacno elemenataf N minusrarrNA

1minus1 Π f(x) = 2x

b) A sube 1 2 30 x isin AlArrrArr 3|xf 1 2 10 minusrarrNA

1minus1 A f(x) = 3x

122 Princip zbira

Ukoliko imamo dva disjunktna skupa A i B (disjunktni skupovi su oni kojinemaju zajednickih elemenata odn A capB = empty) tada |A cupB| = |A|+ |B|

5

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 4: Diskretna matematika 2 predavanja matf

1 PREBROJAVANJE

Nikola Ajzenhamer

11 Osnovni pojmovi

Osnovni pojmovi o skupovima

Skup se u matematici najcesce uzima kao osnovni pojam ali mozemo gadefinisati kao kolekciju objekata takvu da ona po sebi cini jedan objekat Zaoznacavanje skupova se najcesce koriste velika slova latinice A B Ako jeneki skup konacan ili prebrojivo beskonacan pa se njegovi elementi mogu na-brojati mogu se koristiti sledeci zapisi

A = a1 a2 a3 an odnosno A = a1 a2 a3

Ako postoji neko svojstvo φ(x) zajednicko za sve elemente nekog skupa ondaskup mozemo zapisati i kao

X = x|φ(x)

Prebrojiv skup je skup S cija je kardinalnost jednaka kardinalnosti nekog pod-skupa skupa prirodnih brojeva N Ili neki skup je prebrojiv ukoliko postojibijektivna funkcija koja moze preslikati taj skup S u neki podskup skupa pri-rodnih brojeva (ta dva skupa su iste kardinalne moci) a vazi i obrnuto tj nijebitno da li S slika u N ili N u S Pod prebrojivim skupovima se podrazume-vaju i konacni skupovi pa kada zelimo da naglasimo da je skup prebrojiv ali ibeskonacan nazivamo ga beskonacno prebrojivim skupom

Za kardinalni broj nekog skupa koristimo oznaku |X| gde je X neki skup ivazi da je kardinalni broj nekog skupa jednak broju elemenata tog skupa

Neka je X = x1 x2 xn Tada je |X| = n

Ako je f X minusrarrNA1minus1 1 2 n gde je X neki skup a 1 2 n pod-

skup skupa N i f bijektivna funkcija onda je |X| = |1 2 n| = n

Kada znamo da je skup konacan ili beskonacno prebrojiv kazemo da je onnajvise prebrojiv skup

Svaki skup koji nije prebrojiv naziva se neprebrojiv skup Primer neprebro-jivog skupa je skup realnih brojeva R On ima vecu kardinalnu moc u odnosuna skup prirodnih brojeva N

Skupovi i multiskupovi

Razlika izmedu skupa i multiskupa je u tome da se u skupu jedan element nemoze ponoviti vise puta dok je u multiskupu to dozvoljeno

4

- skup 1 = 1 1 1

- multiskup 1 6= 1 1 1

Vrste preslikavanja

Preslikavanje f je surjekcija (rdquoNArdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarrNA Yvazi

forally isin Yexistx isin X f(x) = y

Preslikavanje f je injekcija (rdquo1-1rdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarr1minus1 Yvazi

forallx1 x2 isin X f(x1) = f(x2) =rArr x1 = x2

Preslikavanje f je bijekcija ako je i rdquo1-1rdquoi rdquoNArdquo

Definicija 11 Ukoliko postoji bijektivno preslikavanje skupa A u skup 1 2 ntada kazemo da skup A ima n elemenata u oznaci |A| = n

Definicija 12 Prebrojati neki skup znaci odrediti broj njegovih elemenata

12 Principi prebrojavanja

Postoje tri osnovna principa prebrojavanja koja sluze da pojednostave pre-brojavanje

(1) Princip jednakosti

(2) Princip zbira

(3) Princip proizvoda

121 Princip jednakosti

Ukoliko postoji f A minusrarrNA1minus1 B tada |A| = |B|

Primer 1

a) Skup parnih brojeva Π- ima prebrojivo mnogo beskonacno elemenataf N minusrarrNA

1minus1 Π f(x) = 2x

b) A sube 1 2 30 x isin AlArrrArr 3|xf 1 2 10 minusrarrNA

1minus1 A f(x) = 3x

122 Princip zbira

Ukoliko imamo dva disjunktna skupa A i B (disjunktni skupovi su oni kojinemaju zajednickih elemenata odn A capB = empty) tada |A cupB| = |A|+ |B|

5

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 5: Diskretna matematika 2 predavanja matf

- skup 1 = 1 1 1

- multiskup 1 6= 1 1 1

Vrste preslikavanja

Preslikavanje f je surjekcija (rdquoNArdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarrNA Yvazi

forally isin Yexistx isin X f(x) = y

Preslikavanje f je injekcija (rdquo1-1rdquo) ako za dva skupa X i Y i f X minusrarr1minus1 Yvazi

forallx1 x2 isin X f(x1) = f(x2) =rArr x1 = x2

Preslikavanje f je bijekcija ako je i rdquo1-1rdquoi rdquoNArdquo

Definicija 11 Ukoliko postoji bijektivno preslikavanje skupa A u skup 1 2 ntada kazemo da skup A ima n elemenata u oznaci |A| = n

Definicija 12 Prebrojati neki skup znaci odrediti broj njegovih elemenata

12 Principi prebrojavanja

Postoje tri osnovna principa prebrojavanja koja sluze da pojednostave pre-brojavanje

(1) Princip jednakosti

(2) Princip zbira

(3) Princip proizvoda

121 Princip jednakosti

Ukoliko postoji f A minusrarrNA1minus1 B tada |A| = |B|

Primer 1

a) Skup parnih brojeva Π- ima prebrojivo mnogo beskonacno elemenataf N minusrarrNA

1minus1 Π f(x) = 2x

b) A sube 1 2 30 x isin AlArrrArr 3|xf 1 2 10 minusrarrNA

1minus1 A f(x) = 3x

122 Princip zbira

Ukoliko imamo dva disjunktna skupa A i B (disjunktni skupovi su oni kojinemaju zajednickih elemenata odn A capB = empty) tada |A cupB| = |A|+ |B|

5

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 6: Diskretna matematika 2 predavanja matf

123 Princip proizvoda

Posmatrajmo dva skupa A i B i njihov direktan proizvod AxB =def (a b)|a isinA and b isin B Tada sledi |AxB| = |A| middot |B|

Slika 11 Graficki prikaz skupa S sub AxB

Neka je S sub AxBra = (a b)|b isin Bcb = (a b)|a isin A|S| =

sumaisinA

ra =sumbisinB

cb

Primer 2 Koliko ima razlicitih byte-ova 28

Resenjemdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash mdashmdash01 01 01 01 01 01 01 01

2 middot 2 middot 2 middot middot 2︸ ︷︷ ︸8

= 28

Primer 3 Koliki je broj troclanih kombinacija skupa 1 2 30 takvihda je barem jedan broj u svakoj kombinaciji jednocifren 303 minus 213

Resenje Broj svih trocifrenih kombinacija 303

Broj svih onih kombinacija koje se sastoje od dvocifrenih brojeva 212

=rArr 303 minus 213

13 Dirihleov princip

Ukoliko se m elemenata nalazi u n kutija gde je m gt n tada se u jednojkutiji nalazi barem 2 elementa

6

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 7: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 4 Za svaki prirodan broj n postoji umnozak tog broja koji je zapisivsamo pomocu jedinica i nula (u dekadnom sistemu)foralln isin N existk k middot n = 111 100 0

Dokaz

Ako neki od brojeva 1 11 111 1111 11 111︸ ︷︷ ︸n

- jeste deljiv brojem n onda je taj broj trazeni broj- nije deljiv brojem n onda posmatramo ostatke svih ovih brojeva pri deljenjun Moguci ostaci su 1 2 nminus 1 Tih ostataka ima ukupno nminus 1 a brojevaima n pa (prema Dirihleovom principu)=rArr barem 2 broja imaju isti ostatak a razlika ta dva broja je trazeni broj

Za k gt l

k︷ ︸︸ ︷11111111 111minus 11111 1︸ ︷︷ ︸

lmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash11100 0000

4

131 Uopsteni Dirihleov princip

Ukoliko imamo m elemenata koji se nalaze u n kutija i vazi m gt r middot nmozemo zakljuciti da ce u barem jednoj kutiji biti najmanje r + 1 elemenata

Primer 5 Koliko minimalno karata iz spila treba izvuci tako da meduizvucenim kartama budu sva 4 znaka 40

Resenje Za svaki znak postoji 13 karata u spilu Ukoliko izvucemo 13 ka-rata mozemo biti sigurni da smo u najnepovoljnijem slucaju izvukli sve kartejednog znaka Ukoliko izvucemo jos 13 imamo sve karte dva znaka Nakon jos13 karata u najnepovoljnijem slucaju imamo sve karte 3 znaka To znaci daizvlacenjem jos samo 1 karte mi mozemo biti sigurni da smo izvukli svaki od 4znaka 13 + 13 + 13 + 1 = 40

Primer 6 Dokazati da u skupu od 6 osoba postoje tri koje se ili sve medusobnopoznaju ili se ne poznaju

Resenje Neka je A skup tih osoba koje oznacavamo a b c d e f dakle A =a b c d e fAko izdvojimo odobu a onda ostatak skupa A podelimo na one koje poznajuosobu a i na one koje ne poznaju osobu a (i time dobijamo dva podskupa skupaA) Imamo 2 podskupa i 5 osoba pa prema Dirihleovom principu zakljucujemosledece

7

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 8: Diskretna matematika 2 predavanja matf

2 podskupa5 osoba

=rArr Jedan podskup ima 3 osobe i neka to bude npr b c d

Neka vazi da sve tri osobe tog podskupa poznaju osobu a Ukoliko u tompodskupu postoje osobe koje se poznaju onda te dve osobe i a cine trazeniskup (tri osobe koje se poznaju) Ukoliko se pak te tri osobe ne poznaju ondabas te tri osobe cine trazeni skup (tri osobe koje se ne poznaju)

Ako b c i d ne poznaju a onda je zakljucak analogan prethodnom slucaju

8

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 9: Diskretna matematika 2 predavanja matf

2 IZBORI ELEMENATA

Primer 1 Dat je skup od tri elementa ABC Trazimo skup od 2 ele-menta takav da vodimo racuna o ponavljanju i poretku elemenata

(1) - dozvoljeno je ponavljanje- bitan je poredak

AA AB ACBA BB BCCA CB CC

(2) - nije dozvoljeno ponavljanje- bitan je poredak

AB ACBA BCCA CB

(3) - dozvoljeno je ponavljanje- nije bitan poredak

AA AB ACBB BC

CC

(4) - nije dozvoljeno ponavljanje- nije bitan poredak

AB ACBC

Ova cetiri slucaja nazivamo(1) ureden izbor elemenata sa ponavljanjem(2) ureden izbor elemenata bez ponavljanja(3) neureden izbor elemenata sa ponavljanjem(4) neureden izbor elemenata bez ponavljanja

ili

(1) varijacije drugog (k-tog u opstem slucaju) reda sa ponavljanjempermutacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem2minuspermutacije (k-permutacije) sa ponavljanjem

(2) varijacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanjapermutacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja2minuspermutacije (k-permutacije) bez ponavljanja

(3) kombinacije drugog (k-tog) reda sa ponavljanjem

(4) kombinacije drugog (k-tog) reda bez ponavljanja

Prema dogovoru ukoliko se kaze samo na primer rdquovarijacije petog redardquo imase u vidu da su u pitanju varijacije bez ponavljanja odn rdquobez ponavljanjardquo je

9

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 10: Diskretna matematika 2 predavanja matf

moguce izostaviti (tako se i radi) jer se to podrazumeva Ako zelimo da go-vorimo o izboru elemenata sa ponavljanjem onda je to potrebno naglasiti naprimer rdquo3-permutacije sa ponavljanjemrdquo

Takode kada govorimo u izboru elemenata sa ponavljanjem moguce je niskurdquosa ponavljanjemrdquo zameniti niskom rdquomultiskupardquo tako da mozemo govoriti ordquokombinacijama drugog reda multiskupardquo i slicno

21 Uredeni izbori elemenata sa ponavljanjem

Ukupan broj uredenih izbora sa ponavljanjem n elemenata iz skupa od m ele-menata jednak je broju razlicitih preslikavanja f N minusrarrM gde vazi |N | = n|M | = m

Svako od ovih preslikavanja je jedinstveno odredeno ako su zadate sve slikaelemenata iz N

Teorema 21 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja je mn n ge 1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Neka je n = 1 Postoji m1 = m mogucnosti za slikujednog elementa skupa N

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

Iz induktivne hipoteze zakljucujemo da nminus 1 elemenata skupa N moze se pre-slikati u elemente skupa M na mnminus1 nacina a onaj preostali n-ti elementmoze se na n nacina preslikati u neki element skupa M Sveukupno postojim middotmnminus1 = mn nacina (preslikavanja)

4

Teorema 22 Broj elemenata partitivnog skupa nekog skupa je 2n ukoliko tajskup ima n elemenata Odnosno za |X| = n vazi |P (X)| = 2n

Dokaz

Neka je A sub X i fA karakteristicna funkcija skupa A Ona je definisana na

sledeci nacin fA X minusrarr 0 1 fA(x) =

1 x isin A0 x isin A

Broj podskupova od X jednak je broju razlicitih razlicitih funkcija fAPrimenjujuci teoremu 21 sledi ovakvih preslikavanja ima 2n

4

22 Uredeni izbori elemenata

Broj uredenih izbora n elemenata iz skupa od m elemenata jednak je brojuinjektivnih preslikavanja f N minusrarr1minus1 M gde je |N | = n |M | = m

10

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 11: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Teorema 23 Broj razlicitih prethodno opisanih preslikavanja jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

nminus1prodi=0

(mminus i) = m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 1)

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 1 postoji m razlicitih preslikavanja da se jedanelement iz N preslika u elemente skupa M

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da vazi za n minus 1 (INDUKTIVNAHIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za nBuduci da vazi za nminus1 to znaci da se nminus1 elemenata skupa N moze injektivnopreslikati na elemente skupa M na m middot (mminus 1) middot middot (mminus n+ 2) nacina a onajpreostali n-ti element moze se preslikati na neki element iz M na (mminus n+ 1)na]v cina jer se radi o injektivnim preslikavanjima (ne sme da vazi n gt m) Ske-

ukupno n elemenata iz N moze se naprodnminus1i=0 (mminus i) nacina injektivno preslikati

4

Da bi postojalo injektivno preslikavanje mora da bude ispunjen uslov m ge nIpak sve i da to ne vazi formula

prodnminus1i=0 (m minus i) ce i dalje vaziti jer ce neki od

cinilaca u proizvodu biti jednak 0 pa je ceo rezultat 0

bull Broj uredenih izbora elemenata iz N u M |N | = n |M | = m jeprodnminus1

i=0 (mminus i)

Primer 2 Dato nam je 10 gradova i treba obici 4 svaki po jednom Nakoliko nacina je moguce to uraditi 5040

Resenjemdashndash mdashndash mdashndash mdashndash10 9 8 7Dakle resenje je 10 middot 9 middot 8 middot 7 = 90 middot 56 = 5040

221 Permutacije

Permutacije su specijalan slucaj uredenih izbora elemenata kada vazi da jem = n Ukupan broj permutacija skupa od n elemenata iznosi n (n rdquofaktori-jelrdquo)

n = n middot (nminus 1) middot (nminus 2) middot middot 2 middot 1Primer 3 Permutacije skupa 1 2 3 4 5 su zapravo razmestanja elemenata

ovog skupa Jedna od njih je 12345 neka druga je 24531 a ukupno ih ima5 = 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1 = 120

23 Neuredeni izbor elemenata

Teorema 24 Broj neuredenih izbora k elemenata iz skupa od n elemenata

iznosi

(nk

)

11

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 12: Diskretna matematika 2 predavanja matf

(nk

)=

n

k middot (nminus k)

Dokaz

Znamo da uredenih izbora ima n middot (n minus 1) middot middot (n minus k + 1) Koliko uredenihizbora od k elemenata ima

Neka je na primer k = 3 123 132 213 321 312 321 odnosno ima ih u grupik

Za neuredene elemente posmatramo da neka na primer 123 zamenjuje celuprethodnu grupu pa je broj sada

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

kmiddot (nminus k) middot middot 2 middot 1

(nminus k) middot middot 2 middot 1=

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1) middot (nminus k) middot middot 2 middot 1k middot (nminus k) middot middot 2 middot 1

=n

k(nminus k)

4

Primer 4 Sastavimo kladionicki tiket sa 8 parova gde treba pogoditi 5Koliko razlicitih dobitnih kombinacija ima 56

Resenje Broj razlicitih dobitnih kombinacija je(85

)=

8

5 middot 3=

8 middot 7 middot 63 middot 2 middot 1

= 8 middot 7 = 56

24 Neuredeni izbor elemenata sa ponavljanjem

Primer 5 Dati su skupovi novcanica 10 20 50 100 200 500 Koliko imaizbora 5 novcanica iz ovog skupa ako u kasi postoje bar 5 novcanica svake vr-ste 462

Resenje S obzirom da redosled izabranih novcanica nije bitan kao i da se svakavrsta novcanica moze izabrati do pet puta u ovom problemu treba da nademobroj neuredenih izbora 5 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 7 elemenataPretpostavimo da kasa ima sest pregrada po jednu za svaku vrstu novcanicaNa slici 21 je ilustrovan izbor jedne novcanice od 50 dinara jedne novcaniceod 100 dinara dve novcanice od 200 dinara i jedne novcanice od 1000 dinara

Slika 21 Graficki prikaz novcanica i pregrada

Broj ovakvih rasporeda jednak je broju izbora pet pozicija za markere od11 mogucih pozicija sto predstavlja broj neuredenih izbora 5 elemenata bezponavljanja iz skupa od 11 elemenata a on je jednak

12

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 13: Diskretna matematika 2 predavanja matf

(115

)=

11

5 middot 6=

11 middot 10 middot 9 middot 8 middot 75 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1

= 462

Uopstenjem prethodnog primera dolazimo do broja neodredenih izbora k ele-

menata sa ponavljanjem iz skupa od n elemenata

(n+ k minus 1

k

)241 Permutacije sa ponavljanjem

Primer 6 Koliko razlicitih reci ukljucujuci besmislene moze da se sastaviod slova reci MATEMATIKA 302400

Resenje Vidimo da se slovo A javlja 3 puta kao i da se slova M i T javljaju 2puta Ostala slova se javljaju samo jednom

bull Broj mogucih mesta za M je

(102

)bull Broj preostalih mogucih mesta za A je

(83

)bull Broj preostalih mogucih mesta za T je

(52

)bull Broj mogucih mesta za preostala slova je 3 (to su zapravo permutacije)

Dakle ukupno reci ima(102

)middot(

83

)middot(

52

)middot 3 = 302400

Ukupan broj permutacija sa ponavljanjem skupa od n elemenata gde se prvielement javlja n1 puta drugi element n2 puta k-ti element javlja nk putaiznosi(

nn1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot(nminus n1 minus n2

n3

)middot middot

(nminus n1 minus n2 minus minus nkminus1

nk

)

Teorema 25

(n

n1 n2 nk

)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

Dokaz(n

n1 n2 nk

)=

(nn1

)middot(nminus n1n2

)middot middot

(nminus n1 minus minus nkminus1

nk

)=

n

n1 middot (nminus n1)middot (nminus n1)

n2 middot (nminus n1 minus n2)middot middot (nminus n1 minus minus nkminus1)

nk(nminus n1 minus minus nkminus1 minus nk)=

n

n1 middot n2 middot middot nk

4

13

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 14: Diskretna matematika 2 predavanja matf

3 GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBI-NACIJA

31 Generisanje permutacija

Generisanje permutacija podrazumeva odredivanje svih permutacija n ele-menata Pored generisanja razmatramo i njihovo uredenje u skladu sa nekimpravilima Jedno od uredenja je i leksikografsko uredenje

Neka je S = 1 2 n Vazi |S| = n Ukupan broj permutacija skupaS je n

Neka su A i B neke permutacije skupa SA = a1a2 an ai isin SB = b1b2 bn bi isin Sgde su svaki od ai i = 1 2 n kao i bi i = 1 2 n medusobno razliciti

U leksikografskom uredenju permutacija A nalazi se ispred permutacije B uko-liko vazi a1 = b1 a2 = b2 akminus1 = bkminus1 ak lt bk

Prva permutacija skupa S je 12n Druga permutacija skupa S je 12n(nminus 1) Poslednja permutacija skupa S je n(nminus 1)21

Ukoliko je potrebno odrediti permutacije nekog skupa X ciji su elementi razlicitiod elemenata skupa S (npr slova svi parni brojevi i dr) uspostavljanjem bi-jektivnog preslikavanja izmedu skupova X i S mozemo svesti rad na skup S

Primer 1 Neka je S = 1 2 3 4 Odrediti sve permutacije i poredati ih uleksikografsko uredenje

Resenje1234 1243 1324 1342 1423 14322134 2143 2314 2341 2413 24313124 3142 3214 3241 3412 34214123 4132 4213 4231 4312 4321

Kako naci prvu sledecu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam za resavanje glasiZdesna trazimo rastuci niz i pratimo ga do tacke kada pocne da opada Uvecatiposlednju rastucu cifru ukoliko je to moguce a ako nije onda prvu sleva uvecatiza 1 i konacno preostali niz uredati

Primer 2 Neka je S = 1 2 3 4 5 i data je permutacija P skupa SP = 42531 Naci prvu sledecu permutaciju

Resenje Prateci algoritam prva sledeca permutacija glasi P = 43125

14

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 15: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Kako naci prvu prethodnu permutaciju u odnosu na zadatu permutaciju

Algoritam Permutacija a1a2 an prethodi permutaciji b1b2 bn (u leksi-kografskom poretku) ako je na prvoj poziciji (sleva) na kojoj se permutacijerazlikuju broj u prvoj permutaciji manji od broja u drugoj permutaciji

Primer 3 Naci prvu prethodnu permutaciju permutacije P iz primera 2

Resenje P = 42513

311 Generisanje k-te permutacije

Postoje dva nacina kako je moguce odrediti k-tu permutaciju u leksikograf-skom uredenju

1 direktno (primenom algoritma)

2 navesti sve permutacije pa izbrojati k-tu u nizu

Algoritam

Ukoliko k-ta permutacija glasi a1a2an cifre trazimo na sledeci nacin

a1 = d k

(nminus 1)e

a2 ce predstavljati d kprime

(nminus 2)e minus element po redu iz rastuceg poretka preosta-

lih elemenata gde je kprime = k minus (a1 minus 1)(n minus 1) Stavise ostatak permutacijea2an predstavljace kprime-tu permutaciju u leksikografskom poretku svih permu-tacija preostalih elemenata

a3 ce predstavljati d kprimeprime

(nminus 3)e minus element po redu iz rastuceg poretka preostalih

elemenata gde je kprimeprime = kprime minus (a2 minus 1)(nminus 2)gde je dxe funkcija rdquoceo deordquo x najmanji ceo broj veci ili jednak od x

Primer 4 Odrediti 15 permutaciju skupa permutacija iz primera 1 3214

Resenje k = 15 n = |S| = 4

a1 = d15

6e = 3 (prva cifra je broj 3)

kprime = 15minus 2 middot 6 = 3 (sa algoritmom bismo mogli i ovde da stanemo jer dobijamoda je ostatak trazene permutacije jednak bas trecoj permutaciji od preostalihelemenata (1 2 4) a ona glasi 214)

a2 je po redu d34e = 2 dakle druga cifra u rastucem uredenju preostalih eleme-

nata a to je broj 2kprimeprime = 3minus 1 middot 2 = 1

15

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 16: Diskretna matematika 2 predavanja matf

a3 je po redu d11e = 1 dakle prva cifra u rastucem poretku preostalih eleme-

nata (1 4) a to je broj 1Preostali broj 4 predstavlja poslednju cifru trazene permutacije

32 Generisanje kombinacija

Generisanje kombinacija podrazumeva da se odrede sve kombinacije k ele-menata iz skupa od n elemenata

Neka je S = 1 2 n Potrebno je odrediti sve a1a2ak minus kombinacije

Primer 5 Generisati sve kombinacije skupa S = 1 2 3 4 5 reda 3

Resenje123 124 125 134 135 145234 235 245345

Kontrolisanje uredenja kombinacija skupa S

prva kombinacija po redu je 12k (prvih k elemenata) druga kombinacija po redu je 12(k + 1)

poslednja (

(nk

)-ta) kombinacija je (nminus k + 1)(nminus 1)n

Posmatrajmo sledecu situacijubull bull bull bull isin 0 11 2 3 n

Dakle neka postoje neke tacke (koji sluze kao indikatori) iznad elemenata skupaS Te tacke pripadaju skupu 0 1 Onda vazi sledece

Raspored nula i jedinica u uredenoj n-torci koja sadrzi tacno k jedinica je-dinstveno odreduje tacno jednu kombinaciju k elemenata iz skupa S |S| = n

Primer 6 Ako je S = 1 2 3 4 5 i k = 3 onda raspored (0 1 0 1 1) od-govara kombinaciji 245

Ovim se uredivanje kombinacija svodi na permutacije skupa od n elemenata(nula i jedinica) gde jedinica ima tacno k

prva

k︷ ︸︸ ︷111 000

poslednja 000 111︸ ︷︷ ︸

k

Pored opisanih generisanja permutacija i kombinacija razmatra se i generisanjejedne slucajne permutacije odn kombinacije

16

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 17: Diskretna matematika 2 predavanja matf

4 BINOMNI KOEFICIJENTI

41 Osnovne osobine

Binomni koeficijenti su

(nk

)=def

n

k middot (nminus k)ili

(nk

)=def

n middot (nminus 1) middot middot (nminus k + 1)

k

Prva definicija vazi za svake n k koji pripadaju skupu N dok se primenomdruge definicije moze slucaj uopstiti za n isin R k isin N

Primer 1 Naci binomni koeficijent za n = minus5 3 k = 3minus243747

6

Resenje

(minus5 3

3

)=

(minus5 3) middot (minus5 3minus 1) middot (minus5 3minus 2)

3 middot 2 middot 1=

(minus5 3) middot (minus6 3) middot (minus7 3)

6=

minus243 747

6

Dodefinise se

(nk

)= 0lArrrArr k lt 0 and k gt n

(41) Uslov simetricnosti(nk

)=

(n

nminus k

)

Dokaz(n

nminus k

)=

n

(nminus k) middot (nminus n+ k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)4

(42) Adiciona formula(nk

)=

(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)

Dokaz(nminus 1k

)+

(nminus 1k minus 1

)=

(nminus 1)

k middot (nminus k minus 1)+

(nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

(nminus 1) middot (nminus k) + (nminus 1) middot kk middot (nminus k)

=

(nminus 1) middot (nminus k + k)

k middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)

4

Paskalov trouglao

17

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 18: Diskretna matematika 2 predavanja matf

n=0 1n=1 1 1n=2 1 2 1n=3 1 3 3 1n=4 1 4 6 4 1

U n-toj vrsti imamo n+ 1 koeficijenata oblika

(nk

) gde je k = 0 1 n

Paskalov trougao se dobija tako sto se pocne sa redom koji sadrzi samo broj1 a zatim se svaki sledeci red dobija tako sto se ispod svakog para uzastopnihbrojeva u prethodnom redu napise njihov zbir i na kraju se na oba kraja novogreda stavi broj 1

(43) Binomna teorema

(x+ y)n =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0 dobijamo identitet 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

(x+ y)n = (x+ y) middot

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷(x+ y)nminus1 =

(x+ y) middotnminus1sumk=0

(nminus 1k

)xkynminuskminus1 =

nminus1sumk=0

(nminus 1k

)xk+1ynminusk +

nminus1sumk=0

xkynminusk =

nsumk=1

xkynminusk +nminus1sumk=0

xkynminusk =

nminus1sumk=1

(42)︷ ︸︸ ︷((nminus 1k minus 1

)+

(nminus 1k

))xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk + xn + yn =

nminus1sumk=1

(nk

)xkynminusk +

(nn

)xnynminusn +

(n0

)x0ynminus0 =

nsumk=0

(nk

)xkynminusk a to je i trebalo dokazati

4

Ukoliko je x = y = 1 2n =nsumk=0

(nk

)minus suma binomnih koeficijenata

Ukoliko je y = 1 (x+ 1)n =nsumk=0

(nk

)xk

18

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 19: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Ukoliko je x = 1 y = minus1 0 =nsumk=0

(nk

)middot (minus1)nminusk =

nsumk=0

(nk

)middot (minus1)k

Primer 2 Razviti binom (x+y)5 x5 + 5x4y + 10x3y2 + 10x2y3 + 5xy4 + y5

Resenje Treba izracunati sve koeficijente

(5k

) za k = 0 1 5 ili pri-

menom Paskalovog trougla za n = 5 Trazeni koeficijenti su 1 5 10 10 5 1 paje razvoj jednak y5 + 5xy4 + 10x2y3 + 10x3y2 + 5x4y + x5

Primer 3 U razvoju binoma (x + y)25 koji koeficijent stoji uz x10y15(2510

)Resenje Znamo da je n = 25 Iz x10y15 zakljucujemo da je k = 10 pa je

trazeni koeficijent

(2510

)

Primer 4 Sta se nalazi uz x6y11 u razvoju binoma (2xminus3y)17 minus9504768 middot 310

Resenje n = 17 x6y11 =rArr k = 6

(2xminus3y)17 =17sumk=0

(17k

)(2x)k(minus3y)17minusk pa je uz x6y11

(176

)middot26 middot(minus3)11 =

minus17 middot 16 middot 15 middot 14 middot 13 middot 12

6 middot 5 middot 4 middot 3 middot 2 middot 1middot 64 middot 3 middot 310 = minus9504768 middot 310

(44) Polinomna teorema

(x1+x2+ xm)n =sum

k1 + k2 + + km = nk1 k2 km ge 0

(n

k1 k2 km

)xk11 middotx

k22 middot middotxkmm

(n

k1 k2 km

)=

n

k1 middot k2 middot middot km

Primer 5 Razviti (x1 + x2 + x3)3

Resenje (x1 + x2 + x3)3 =

(3

3 0 0

)x31 +

(3

0 3 0

)x32 +

(3

0 0 3

)x33 +(

32 1 0

)x21x

22 +

Primer 6 Sta se nalazi u razvoju (x+ y minus z)10 uz x3y2x5 minus2520

Resenje Znamo da je n = 10 i x3y2z5 =rArr k1 = 3 k2 = 2 k3 = 5 Odgo-varajuci clan glasi(

103 2 5

)x3y2(minusz)5 = minus

(10

3 2 5

)x3y2z5 pa je trazeni koeficijent

19

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 20: Diskretna matematika 2 predavanja matf

minus(

103 2 5

)= minus 10

3 middot 2 middot 5= minus10 middot 9 middot 7 middot 4 = minus2520

42 Neki identiteti

(45) Izvlacenje iz zagrade(nk

)=n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=

n

nminus kmiddot(nminus 1k

)

(46) Sumaciona formula

nsumk=0

(r + kk

)=

(r0

)+

(r1

)+ +

(r + nn

)=

(r + n+ 1

n

)

nsumk=0

(km

)=

(0m

)+

(1m

)+ +

(nm

)=

(n+ 1m+ 1

)

(47) Negacija gornjeg indeksa(minusnk

)= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)

(48) Pojednostavljivanje proizvoda(nm

)middot(mk

)=

(nk

)middot(

nminus kmminus k

)

(49) Sume proizvodasumk

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=

(r + sr + n

)

20

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 21: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Dokaz za (45)

n

kmiddot(nminus 1k minus 1

)=n

kmiddot (nminus 1)

(k minus 1) middot (nminus k)=

n

k middot (nminus k)=

(nk

)Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (46) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE Za n = 0

(r0

)=

(r + 1

0

)lArrrArr 1 = 1 gt

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da formula vazi za nminus 1 (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n

nsumk=0

(r + kk

)=

primenjujemo (IH)︷ ︸︸ ︷nminus1sumk=0

(r + kk

)+

(r + nn

)=

(42)︷ ︸︸ ︷(r + nnminus 1

)+

(r + nn

)=(

r + n+ 1n

) a to je i trebalo dokazati

Slicno se dokazuje i druga jednakost

4

Dokaz za (47)(minusnk

)=

(minusn) middot (minusnminus 1) middot (minusnminus 2) middot middot (minusnminus k + 1)

k middot (k minus 1) middot (k minus 2) middot middot 1=

(minus1)k middot (n middot (n+ 1) middot (n+ 2) middot middot (n+ k minus 1))

k= (minus1)k middot

(n+ k minus 1

k

)4

Dokaz za (48)(nk

)middot(

nminus kmminus k

)=

n

k middot (nminus k)middot (nminus k)

(mminus k) middot (nminusm)middot m

m=

n

m(nminusm)middot

m

k(mminus k)=

(nm

)middot(mk

)4

Dokaz za (49)

Prva jednakostPretpostavimo da u nekom skupu imamo r+ s kuglica Iz toga skupa biramo n

kuglica To je moguce uraditi na

(r + sn

)nacina Uzmemo da u tom skupu

crvenih kuglica ima tacno r kao i da plavih kuglica ima tacno s Mozemo

21

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 22: Diskretna matematika 2 predavanja matf

da na

(rk

)nacina biramo kuglice tako da imamo k crvenih Da se iza-

bere (n minus k) plavih kuglica ima

(s

nminus k

)nacina Ukupan broj nacina jesum

k

(rk

)middot(

snminus k

)=

(r + sn

) a to je i trebalo dokazati

4

Druga jednakostDokaz se izvodi u tri koraka

1 Primeniti uslov simetricnosti (41) na

(s

n+ k

)2 Primeniti prethodno dokazan identitet na novi izraz

3 Primeniti jos jednom uslov simetricnosti (41)sumk

(rk

)middot(

sn+ k

)=sumk

(rk

)middot(

ssminus nminus k

)=

(r + ssminus n

)=

(r + s

r + sminus s+ n

)=(

r + sr + n

) a to je i trebalo dokazati

4

22

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 23: Diskretna matematika 2 predavanja matf

5 FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA

Anja Bukurov

Ovo je slozeniji princip prebrojavanja Dozvoljava da dati skupovi imajuneke zajednicke elemente Po principu zbira |A cup B| = |A| + |B| gde A i Bnemaju zajenicke elemente

Kod ove formule vazi A capB 6= empty|A cupB| = |A|+ |B| minus |A capB||A cupB cup C| = |A|+ |B|+ |C| minus |A capB| minus |A cap C| minus |B cap C|+ |A capB cap C|

U opstem slucaju|A1 cup A2 cup cup An| = |A1| + |An| minus |A1 cap A2| minus |Anminus1 cap An| + presecisvaka 3 skupa + preseci svaka 4 skupa +

(51) Formula ukljucenja minus iskljucenja

|n⋃i=1

Ai| =sum

empty6=Isub1n

(minus1)|I|minus1|⋂iisinI

Ai|

empty 6= I sub 1 n znaci da je prazan skup razlicit od skupa I a skup I jepodskup skupa 1 n

Dokaz

x isin A1 cup cupAnAko se uzme neki element x koji pripada ovoj uniji on pripada i nekim odskupova A1 An Pretpostavimo da pripada j skupova i to bas skupovimaA1 Aj Dakle x isin A1 Aj tj x isin

⋂ji=1Ai x doprinosi da se leva strana

uveca za 1 Treba pokazati da doprinosi i da se desna strana uveca za 1 xdoprinese j puta samo kod sabiranja |A1|+ + |An| U dvoclanim presecima

oduzece se

(j2

) u troclanim se dodaje

(j3

) u cetvoroclanim se oduzima(

j4

)i tako dalje

j minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ + (minus1)jminus1

(jj

)=(

j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)+

(j0

)= 1

Znamo da je

(j1

)minus(j2

)+

(j3

)minus(j4

)+ +(minus1)jminus1

(jj

)minus(j0

)= 0

zbog simetricnosti koeficijenata ili zbognsumk=0

(nk

)(minus1)k = 0 a

(j0

)= 1 pa

je time dokazano da x doprinosi da se i desna strana uveca za 1

4

23

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 24: Diskretna matematika 2 predavanja matf

6 FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATOR-SKE FUNKCIJE)

an = (a0 a1 ak )larrrarr a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + + ak middot xk + = A(x)

Definicija 61 A(x) je funkcija generatrisa niza an

Primer 1 an = (1 1 1 1 )larrrarr 1 + x+ x2 + = A(x) =1

1minus x jer

je to geometrijska progresija

Dokaz

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus xminus x(1minus x) + x2(1minus x) + )

1 + x+ x2 + =1

1minus x(1minus x+ xminus x2 + x2 minus x3 + )

svi se pokrate osim prve 1 jer je beskonacan niz i svaki nadje svog para

1 + x+ x2 + =1

1minus xIz ovoga sledi da ova funkcija jeste generatrisa niza an

4

61 Mnozenje polinoma

Primer 2 Dati su nam polinomi

P (x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4

Q(x) = 1 + x+ x2 + x3

P (x) middotQ(x) = (1 + x+ x2 + x3 + x4) middot (1 + x+ x2 + x3)

Sta se nalazi uz x5

Resenjex4 middot x1x3 middot x2x2 middot x3

3 middot x5

Zadatak 1 Imamo 4 zlatna i 3 srebrna novcica Na koliko nacina mozemoda izaberemo 5 novcica

Resenje Ovo moze da se resi pomocu mnozenja polinomaZ(x) = 1 + x+ x2 + x3 + x4 zlatni novciciS(x) = 1 + x+ x2 + x3 srebrni novciciRadi se isto kao i sa prethodnim polinomom trazi se sta je uz x5

i+ j = ri isin 01 k1j isin 01 k2P (x) = 1 + x+ x2 + + xk1

24

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 25: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Q(x) = 1 + x+ x2 + + xk2

Zadatak 2 Imamo 7 novcica od 1 din 5 novcica od 2 din i 4 novcica od 5din Na koliko nacina mozemo da dobijemo sumu od 15 din

ResenjeJ = 01234567 i isin JD = 0246810 j isin DP = 05101520l k isin Pi+ j + k = 15(1+x+x2+x3+x4+x5+x6+x7)middot(1+x2+x4+x6+x8+x10)middot(1+x5+x10+x15+x20)Resenje je koeficijent uz x15

U opstem slucajui1 + i2 + + in = k ii isin IiBroj mogucih izbora i takvi da vazi ova jednakost jednaka je koeficijentu uz xk

polinoma koji se dobija mnoenjem odgovarajucih polinoma P1(x) P2(x) Pn(x)gde se polinom Pi(x) formira na osnovu skupa Ii (u skladu sa prethodnim pri-merom)

Zadatak 3 Na koliko nacina moe da se dobije i+ j+k = 10 ako su i j k isin N0

Resenjei isin 0 1 10j isin 0 1 10k isin 0 1 10Ovim skupovima pripada jos veskonacno mnogo brojeva ali nas zanimaju samooni do 10(1 + x+ + x10)3

Prvi nacin je da nadjemo koeficijent uz x10Drugi nacin Razmatramo multiskup koji se sastoji od tri 1 111 Resenjemoze da se svede na kombinacije ovog skupa Uzmem i prvih 1 j drugih 1 i ktrecih 1 Ovo je neuredjeni izbor 10 elemenata sa ponavljanjem iz skupa od 3elementa

k=10 n=3 pa je resenje

(3 + 10minus 1

10

)=

12

10 middot 2= 66

Ovo vazi i u opstem slucaju po teoremi (62)

Teorema 62 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1minusx)minusn je

(n+ k minus 1

k

)

Dokaz

(1minusx)minusn =

(1

1minus x

)n=

1

1minus xmiddot 1

1minus xmiddot middot 1

1minus x︸ ︷︷ ︸n

= (1+x+ )n =

(n+ k minus 1

k

)

41

1minus x= (1 + x+ x2 + ) minus formula za beskonacni geometrijski niz

25

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 26: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Teorema 63 Koeficijent koji se nalazi uz xk kod (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

)=

(minusnk

)

Dokaz

Zamenjujuciminusx sa x u prethodnom dokazu teoreme (62) dobijamo da je1

1 + x=

1minus x+ x2 minus x3 + Odatle je koeficijent uz xk (1 + x)minusn je

(minus1)k middot(n+ k minus 1

k

) sto je jednako

(minusnk

) prema identitetu (47)

4

(64) Uopstena binomna teorema

(1 + x)n =

(n0

)+

(n1

)middot x+

(n2

)middot x2 +

Uopstena je jer vazi i za negativne n

Dokaz

Sledi direktno na osnovnu binomne teoreme za pozitivne n i teoreme (63) zanegativne n

4

62 Odredivanje funkcija generatrise

Imamo nizove an i bn i njihove funkcije generatrise A(x) i B(x)an = (a0 a1 ak )larrrarr A(x) = a0 + a1 middot x+ + ak middot xk + bn = (b0 b1 bk )larrrarr B(x) = b0 + b1 middot x+ + bk middot xk +

Sabiranje nizova

an + bn = (a0 + b0 a1 + b1 ak + bk )larrrarr A(x) +B(x)

Mnozenje skalarom

α isin Rα middot an = (α middot a0 α middot a1 )larrrarr α middot a0 +α middot a1 middotx+ = α middot (a0 a1 ) = α middotA(x)

Pomeranje niza ulevo za k mesta

an = (a0 a1 ) rarr (ak ak+1 ) larrrarr ak + ak+1 middot x + ak+2 middot x2 + =A(x)minus (a0 + a1 middot x+ + akminus1 middot xkminus1)

xk

Pomeranje niza udesno za k mesta

26

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 27: Diskretna matematika 2 predavanja matf

an = (a0 a1 )rarr (0 0 0︸ ︷︷ ︸k

a0 a1 ) = xk middotA(x)

Zamena x sa α middot x u funkciji generatrisi

A(x) = a0 + a1 middot x + a2 middot x2 + rarr a0 + a1 middot α middot x + a2 middot α2 middot x2 + larrrarr(a0 a1 middot α a2 middot α2 )

α rarr (a0minusa1 a2minusa3 ) = anan minus an = (2a0 0 2a2 0 2a4 )

Zadatak 4 Odrediti generatrisu za niz (124816 )

Resenje Krecemo od (1 1 1 1 )larrrarr 1

1minus xZa α = 2 dobijamo odgovarajucu generatrisu

1

1minus 2 middot x a njoj odgovarajuci niz

je (124816)

Zamena x sa xk u funkciji generatrisi

A(x) = a0+a1middotx+a2middotx2+ rarr a0+a1middotxk+a2middotx2k+ larrrarr (a0 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a1 0 0︸ ︷︷ ︸kminus1

a2 )

Ako zamenimo x sa x2 dobicemo (a0 0 a1 0 a2 0 )

Zadatak 5 Odrediti generatrisu za niz (11224488)

Resenje Krenemo od funkcije iz prethodnog zadatka1

1minus 2 middot xlarrrarr (1 2 4 8 )

1 Zamenimo x sa x21

1minus 2 middot x2larrrarr (1 0 2 0 4 0 8 0 )

2 Pomerimo niz za 1 mesto udesno (pomnozimo sa x)x

1minus 2 middot x2larrrarr (0 1 0 2 0 4 0 8 0 )

Kad saberemo 1 i 2 dobijemox+ 1

1minus 2 middot x2larrrarr (1 1 2 2 4 4 8 8 )

Diferenciranje i integracija funkcije generatrise

A(x) = a0 + a1 middot x+ a2 middot x2 + Aprime(x) = a1 + 2 middot a2 middot x+ 3 middot a3 middot x2 + larrrarr (a1 2 middot a2 3 middot a3 k middot ak )intA(x) middot dx = a0 middot x+

a1 middot x2

2+a2 middot x3

3+ larrrarr (0 a0

a12a23

akk + 1

)

27

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 28: Diskretna matematika 2 predavanja matf

7 REKURENTNE JEDNACINE

Nikola Ajzenhamer

U rekurentnoj jednacini se clanovi niza odredjuju pomocu prethodnih clanovaResiti rekurentnu jednacinu znaci naci njen opsti clan Rekurentne jednacine sedrugacije nazivaju diferencne jednacine

Faktorijel

an+1 = (n+ 1) middot ana0 = 1 minus obicno nazivamo pocetni uslovrdquoan+1 = (n+1)middotnmiddotanminus1 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middota0 = (n+1)middotnmiddot(nminus1)middot middot1 = (n+1)an = n je opsti clan ovog niza

Aritmeticki niz

an+1 = an + d d = constbull Ukoliko su nam zadati pocetni uslov npr a0 = 5 i razlika d = 7 lako mozemoda odredimo clanove niza bez potrebe za odredivanjem opsteg clanabull Ako je zadat an = a0 + n middot d (opsti clan) onda mozemo da odredimo bilo kojiclan niza bez potrebe za racunanjem prethodnih clanova

Geometrijski niz

an+1 = an middot qOpsti clan an = a0 middot qn

Definicija 71 Rekurentna jednacina k-tog reda oblika je an+k = F (n an+kminus1 an)Resenje ove jednacine je bilo koji niz koji zadovoljava tu jednacinu nekada uoznaci (an)

Definicija 72 Opste resenje jednacine iz (71) je resenje koje sadrzi svaresenja

Ova jednacina moze biti zadata uz k pocetnih uslova Tada se svako resenjejedinstveno odreduje na osnovu tih k uslova

Definicija 73 Jedno izdvojeno resenje jednacine 71 naziva se i partiku-larno resenje

Definicija 74 Resenja (a(i)n ) (a

(j)n ) rekurentne jednacine 71 su nezavisna

ukoliko vazia(i)n

a(j)n

6= cminus const

za bilo koji izbor konstante c

Pojam zavisnih resenja mozemo prosiriti i na vise od dva resenja minus ukoliko jednoresenje mozemo predstaviti kao linearnu kombinaciju ostalih tada kazemo da

28

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 29: Diskretna matematika 2 predavanja matf

su ta resenja zavisna U protivnom imamo nezavisna resenja

Teorema 75 Resenja (a(i)n ) (a

(s)n ) rekurentne jednacine 71 su neza-

visna akko vazi

det(A) =

∣∣∣∣∣∣∣∣(a

(1)1 ) (a

(2)1 ) (a

(s)1 )

(a(1)s ) (a

(2)s ) (a

(s)s )

∣∣∣∣∣∣∣∣ 6= 0

Dokaz

(=rArr) Ukoliko su nizovi (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(s)n ) koji su resenja rekurentne jednacine

71 nezavisni onda su i kolona-vektori matrice A linearno nezavisni pa je rangmatrice A jednak rank(A) = s sto povlaci da je det(A) 6= 0

(lArr=) Ako je det(A) 6= 0 onda je i rank(A) = s pa su i kolona-vektori ma-trice A linearno nezavisni sto povlaci i da su resenja rekurentne jednacine 71nezavisna

71 Linearna rekurentna jednacina

Definicija 76 Jednacina oblika

fk(n)an+k + fkminus1(n)an+kminus1 + + f0(n)an = f(n)

naziva se linearna rekurentna jednacina

Razlikujemo dve vrste linearnih rekurentnih jednacina(1) sa funkcionalnim koeficijentima minus to je jednacina oblika bas 76 u kojoj sukoeficijenti fi(n) gde su fi neke funkcije(2) sa konstantnim koeficijentima minus ako su funkcije fi neke konstante

Definicija 77 Za linearnu rekurentnu jednacinu kazemo da je homogena uko-liko je f(n) equiv 0 U suprotnom ona je nehomogena

Definicija 78 Normalizovani oblik (normirani oblik) linearne rekurentnejednacine je oblik kada je fk(n) equiv 1 Ovaj oblik dobijamo kada jednacinu 76podelimo fk(n)

Teorema 79 Ukoliko su (a(1)n ) (a

(2)n ) (a

(k)n ) nezavisna resenja homogene

linearne rekurentne jednacine zadate sa 76 tada je opste resenje zadato sa

an = c1a(1)n + c2a

(2)n + + cka

(k)n

bull Resenje je linearna kombinacija k nezavisnih resenjabull konstante c1 c2 ck odreduju se na osnovu pocetnih uslovabull Jednacina 79 je jednacina k-tog redabull Broj k u 79 se mora podudarati sa redom linearne rekurentne jednacine 76

29

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 30: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Definicija 710 Opste resenje nehomogene linearne rekurentne jednacine oblikaje

an = hn + pn

gde je hn opste resenje odgovarajuce homogene jednacine a pn jedno partiku-larno resenje date nehomogene jednacine

72 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefi-cijentima

Definicija 711 Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaje jednacina oblika

fkan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = f(n)

721 Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim ko-eficijentima

Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) equiv 0

Resenje homogene linearne rekurentne jednacine sa konstantnim koeficijentimabitno zavisi od njene karakteristicne jednacine

Definicija 712 Karakteristicna jednacina ima sledeci oblik

fkxk + fkminus1x

kminus1 + + f0 = 0

Razlikujemo dva slucaja(1) ako su sve nule (x1 x2 xn) karakteristicne jednacine medusobno razlicitetada je opste resenje dato sa

an = c1xn1 + c2x

n2 + + ckx

nk

(2) ako postoji m istih nula karakteristicne jednacine tada one daju

cmxn + cm+1 middot n middot xn + + cm+kminus1 middot nkminus1 middot xn

clan u opstem resenju homogene jednacine

(Ako su na primer tri korena ista a ostali razliciti resenje bi bilo oblikaan = c1x

n1 + c2x

n1 middot n+ c3x

n1 middot n2 + c4x

n4 + + ckx

nk )

722 Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnimkoeficijentima

Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentimaf(n) 6= 0

Postoje razlicite metode razvijanja i u zavisnosti od f(n) razlikujemo tri slucaja

30

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 31: Diskretna matematika 2 predavanja matf

(1) Ako je f(n) polinom stepena ne veceg od d tada se partikularno resenjenehomogene jednacine trazi na sledeci nacini) ako x = 1 nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A0 +A1n+ +Adnd

ii) ako x = 1 jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd)

(2) Ako je f(n) = k middot bn k minus const tada se partikularno resenje nehomogenejednacine trazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = A middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middotA middot bn

(3) Ako je f(n) = Pd(n) middotbn tada se partikularno resenje nehomogene jednacinetrazi na sledeci nacini) ako x = b nije nula karakteristicne jednacine tada je

pn = (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

ii) ako x = b jeste nula visestrukosti m tada je

pn = nm middot (A0 +A1n+ +Adnd) middot bn

Napomena Slucaj (1) dobija se iz (3) kada je b = 1

Partikularno resenje bice odredeno kada se odrede nepoznati koeficijenti kojisu oznaceni sa A koje trazimo tako sto izraz pn zamenimo u 711

Ako nisu zadati pocetni uslovi krajnje resenje ce zavisiti od konstanti c1 ck

Zadatak 1 Resiti sledecu rekurentnu jednacinu an = 6anminus1 minus 8anminus2 + 3n

Resenje U pitanju je nehomogena linearna rekurentna jednacinaKratak opis postupka1) resi se odgovarajuca homogena jednacinaodrede se nule karakteristicne jednacine2) odredi se jedno partikularno resenje nehomogene jednacine3) opste resenje je zbir resenja homogene jednacine i prethodno odredenog par-tikularnog resenja

31

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 32: Diskretna matematika 2 predavanja matf

1) an = 6anminus1 minus 8anminus2 mdash homogena jednacinaan minus 6anminus1 + 8anminus2 = 0x2 minus 6x+ 8 = 0 mdash karakteristicna jednacina

x12 =6plusmnradic

36minus 32

2x1 = 2 x2 = 4 mdash nule karakteristicne jednacinean = c1 middot 2n + c2 middot 4n mdash opste resenje homogene jednacine

2) pn = a middot 3n mdash partikularno resenjeVracanjem pn u pocetnu jednacinu odredicemo koeficijent Apn = 6pnminus1 minus 8pnminus2 + 3n

A middot 3n = 6 middotA middot 3nminus1 minus 8 middotA middot 3nminus2 + 3n

A middot 3n minus 6 middotA middot 3nminus1 + 8 middotA middot 3nminus2 minus 3n = 03nminus2 middot (A middot 32 minus 6 middotA middot 3 + 8 middotAminus 32) = 0A = minus32

=rArr pn = minus3n+2

3) an + pn = c1 middot 2n + c2 middot 4n minus 3n+2

Zadatak 2 Resiti rekurentnu jednacinu an minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 2n

uz pocetne uslove a0 = 0 a1 = 2 a2 = 16

Resenjean minus 6anminus1 + 12anminus2 minus 8anminus3 = 0x3 minus 6x2 + 12xminus 8 = 0x1 = x2 = x3 = 2an = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n2 middot 2n mdash opste resenjepn = A middot 2n middot n3 mdash partikularno resenje

Vracanjem pn u pocetnu jednacinu dobijamo A =1

6

=rArr pn =1

6middot 2n middot n3

an + pn = c1 middot 2n + c2 middot n middot 2n + c3 middot n middot 2n +1

6middot 2n middot n3 mdash krajnje resenje

Odredivanje c1 c2 c3n = 0 =rArr c1 + 0 = 0 (za a0 = 0)

n = 1 =rArr 2c1 + 2c2 + 2c3 +1

3= 2 (za a1 = 2)

n = 2 =rArr 4c1 + 8c2 + 16c3 +18

3= 16 (za a2 = 16)

c1 = 0 c2 =1

3 c3 =

1

2

Konacno resenje dobijamo tako sto uvrstimo prethodno dobijene koeficijenteu krajnje resenje1

3middot n middot 2n +

1

2middot n middot 2n +

1

6middot 2n middot n3

32

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 33: Diskretna matematika 2 predavanja matf

73 Nelinearne rekurentne jednacine

Za nelinearne rekurentne jednacine ne postoji opsti postupak za njihovoresavanje Stavise veliki broj ovih jednacina je neresivo Neki metod je nalazenjeprvih nekoliko clanova dolazenje do njihove povezanosti dokazivanje povezano-sti (najcesce matematickom indukcijom) i njeno koriscenje za odredivanje opstegclana

Primer neke nelinearne rekurentne jednacine bio bi an =3a3n minus 1

(anminus2 + anminus3)2

74 Funkcije generatrise i resavanje rekurentnih jednacina

(a0 a2 )larrrarr a0 + a1x+

Ako je normalizovana linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koefici-jentima uz pocetne uslove zadata na sledeci nacinan+k + fkminus1an+kminus1 + + f0an = 0a0 = u0 a1 = u1 akminus1 = ukminus1

(713)

tada vazi sledeca teorema

Teorema 714 Funkcija generatrisa niza odredenog (713) je

A(x) =R(x)

1 + fkminus1x+ + f0xn

gde je R(x) polinom stepena strogo manjeg od k

Dokaz

R(x) = A(x) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

R(x) = (a0 + a1x+ ) middot (1 + fkminus1x+ + f0xn)

Koeficijent koji se nalazi uz xn+k na desnoj strani gornje jednakosti za n ge 0jednak jean+k + fkminus1an+kminus1 + + f0anBuduci da niz an zadovoljava rekuretnu jednacinu (713) izraz an+k+fkminus1an+kminus1+ + f0an jednak je nuli za sve elemente niza vece ili jednake kDakle koeficijent uz xn+k jednak je nuli za sve clanove xk xk+1 tj sa desnestrane jednakosti ostaje jedan polinom stepena strogo manjeg od k

4

Resenje rekurentne jednacine 713 cemo dobiti trazenjem njene funkcije gene-ratrise iz koje cemo dobiti niz

Teorema 715 Ako su dati polinomi P(x) Q(x) i vazi deg(R(x)) lt deg(Q(x))i slobodan clan kod polinoma Q(x) je razlicit od nule odnosno q0 6= 0 tadaako se polinom Q(x) moze napisati u obliku Q(x) = Q1(x) middotQ2(x) middot middotQm(x)

onda seP (x)

Q(x)moze napisati u sledecem obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

Q1(x)+P2(x)

Q2(x)+ +

Pm(x)

Qm(x) deg(Pi(x)) lt deg(Qi(X))

33

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 34: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 1 Ako jeP (x)

Q(x)=

2 + 4xminus 3x2

2minus 5x+ 4x2 minus x3 napisati

P (x)

Q(x)u obliku 715

Resenje Faktorisanjem Q(x) dobijamo Q(x) = (1minus x)2 middot (2minus x)P (x)

Q(x)=

P prime1(x)

(1minus x)2+P prime2(x)

2minus x ali posto postoji jedna nula u visestrukosti m (u

ovom slucaju m = 2) onda seP (x)

Q(x)trazi u obliku

P (x)

Q(x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x

=rArr 2 + 4xminus 3x2

(1minus x)2(2minus x)=P1(x)

1minus x+

P2(x)

(1minus x)2+P3(x)

2minus x=P1(x)(1minus x)(2minus x) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus x)2

(1minus x)2(2minus x)=

P1(x)(2minus 3x+ x2) + P2(x)(2minus x) + P3(x)(1minus 2x+ x2)

(1minus x)2(2minus x)=

dalje je potrebno grupisati po xi pa izjednacini koeficijente u brojiocima pa cese dobiti odgovarajuci P1(x) P2(x) P3(x)

Zadatak 3 Za datu rekurentnu jednacinu an+1 = 3an + 2 odrediti funkcijugeneratrisu za pocetni uslov a0 = 0 a potom odrediti opsti clan niza

Resenje Jednacini an+1 = 3an + 2 odgovara jednacina

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xsa funkcijama generatrise jer

an+1 odgovara funkcija Aprime(x) za niz pomeren za jedno mesto ulevorarr A(x)minus a0x

an odgovara funkcija generatrise A(x)2 je n-ti clan niza koji ima sve 2 u sebi odnosno odgovara joj funkcija genera-

trise2

1minus x

A(x)minus a0x

= 3A(x) +2

1minus xA(x)

x= 3A(x) +

2

1minus xA(x)

(1

xminus 3

)=

2

1minus x

A(x)

(1minus 3x

x

)=

2

1minus x

A(x) =

2

1minus x1minus 3x

x

A(x) =2x

(1minus x)(1minus 3x)

A(x) treba da se potrazi u obliku

A(x) =A

1minus x+

B

1minus 3x i dobije se A = minus1 B = 1 odnosno A(x) =

34

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 35: Diskretna matematika 2 predavanja matf

minus 1

1minus x+

1

1minus 3x= minus

sumnge0

xn +sumnge0

(3x)n =sumnge0

(3n minus 1)xn pa je odatle opsti

clan nizaan = 3n minus 1

odnosno ono sto stoji uz xn

Zadatak 4 Za datu rekurentnu jednacinuan+2 = 2an+1 minus ana0 = 1 a1 = 2

odrediti funkciju generatrisu uz date pocetne uslove a potom odrediti opsti clanniza

Resenje

an+2 minusrarrA(x)minus a1xminus a0

x2

an+1 minusrarrA(x)minus a0

xan minusrarr A(x)

Odgovarajuca jednacina funkcija generatrisa datoj rekurentnoj jednacini je

A(x)minus a1xminus a0x2

= 2A(x)minus a0

xminusA(x)

Nakon sredivanja dobija se

A(x) =x

(1minus x)2=minus1

1minus x+

1

(1minus x)2= minus

sumnge0

xn+sumnge0

(n+ 1n

)xn =

sumnge0

(minus1+

n+ 1)xn =sumnge0

nxn =rArr an = n

35

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 36: Diskretna matematika 2 predavanja matf

8 BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA

81 Fibonacijevi brojevi

Fibonacijevi brojevi predstavljaju svakako jedan od najpoznatijih nizovaToliku slavurdquo stekli su jer su se javili i u mnogim drugim (nematematickim)oblastima kao i u samoj prirodi (na primer broj listova ili cvetova kod velikogbroja biljki je jednak bas nekom Fibonacijevom broju) U antickoj Grckoj kaoi kasnije u renesansi za idealnu proporciju je uziman takozvani zlatni presekrdquokoji se takodje javlja kod Fibonacijevih brojeva

Italijanski matematicar Leonardo od Pize sa nadimkom Fibonaci (Fibonaccije skraceno od filius Bonaccirdquo to jest Bonacijev sin) ziveo je 1180ndash1240 (ponekim drugim podacima 1175 ndash 1250) U svojoj Knjizi o Abakusurdquo postavioje Problem zecevardquo

Svaki par zecndashzecica (starih barem 2 meseca) dobiju tokom svakog sledeceg me-seca par mladih zeca i zecicu Ako je na pocetku godine bio jedan novorodenpar koliko ce biti ukupno parova zeceva pocetkom sledece godine (Pretposta-vimo da zecevi ne umiru)

Neka je Fn broj parova zecndashzecica posle n meseci to jest tokom (n + 1)ndashvogmeseca od pocetka godine Prema pretpostavci je F0 = 1 i F1 = 1 (jer taj parjos nije zreo za razmnozavanje) a Fn (za n gt 2) dobija se kada broju parovaFnminus1 koji su ziveli proslog meseca doda broj novorodenih parova zeceva kojise dobijaju od Fnminus2 parova zivih pre dva meseca Drugacije napisano vazirekurentna formula

Fn+2 = Fn+1 + FnF0 = 0 F1 = 1 ili F1 = 1 F2 = 1

(81)

Definicija 82 Fibonacijev niz nazivamo rekuretnu formulu 81

Dakle Fibonacijevi brojevi su elementi Fibonacijevog niza0 1 1 2 3 5 8 13 21

811 Zlatna podela

Pojam zlatne podele usko je povezan sa Fibonacijevim nizom i njegovimelementima Posmatrajmo duz zadatu slikom 81

Slika 81

Vazi sledeca jednakostv +m

v=

v

m

koju nazivamo zlatnom podelom

36

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 37: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Ako je m = 1v + 1

v= v

v2 minus v minus 1 = 0

v12 =1plusmnradic

5

2minusrarr v =

1 +radic

5

2asymp 1 618

812 Neke teoreme Fibonacijevih brojeva

Teorema 83 Opsti clan Fibonacijevog niza je

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

Dokaz

Resavanjem rekurentne jednacine 81 dobijamo karakteristicnu jednacinu x2minus

xminus 1 = 0 ciji su koreni x12 =1plusmnradic

5

2 pa je opste resenje oblika

Fn = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)nF0 = 0 = c1 + c2

F1 = 1 = c1 middot1 +radic

5

2+ c2 middot

1minusradic

5

2

c1 =1radic5 c2 = minus 1radic

5

Fn =1radic5middot

(1 +radic

5

2

)nminus 1radic

5middot

(1minusradic

5

2

)n

Fn =

(1 +radic

5

2

)nminus

(1minusradic

5

2

)nradic

5

4

Teorema 84 nndashti clan Fibonacijevog niza jednak je

Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

gde je [x] oznaka za zaokruzivanje na najblizi ceo broj

37

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 38: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Dokaz

Treba videti kolika je udaljenost Fn iz ove i prethodne teoreme∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣Fn minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5minus

(1minusradic

5

2

)nradic

5minus

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣=

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣

(1 +radic

5

2

)nradic

5

∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣︸ ︷︷ ︸le minus1

pa kad sejos stepenuje n

onda budesve manje

le

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣1minusradic

5

2radic

5

∣∣∣∣∣ lt 1

2=rArr Fn =

(

1 +radic

5

2

)nradic

5

4Teorema 85 Funkcija generatrisa Fibonacijevog niza je

F (x) =x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Fibonacijevog niza odgovara sledeca jednacina funkcijageneratrisa

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

jer je

Fn+2 minusrarrF (x)minus F1xminus F0

x2

Fn+1 minusrarrF (x)minus F0

xFn =minusrarr F (x)

Dakle

F (x)minus F1xminus F0

x2=F (x)minus F0

x+ F (x)

F (x)minus xx2

=F (x)

x+ F (x)

F (x) middot(

1

x2minus 1

xminus 1

)=

1

x

F (x) middot 1minus xminus x2

x2=

1

xF (x) =

x

1minus xminus x24

38

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 39: Diskretna matematika 2 predavanja matf

813 Osobine Fibonacijevih brojeva

1) Svaka dva uzastopna Fibonacijeva broja su uzajamno prosta2) Fn|Fmmiddotn3) Ako je p prost broj veci od 5 onda

p | Fp+1 Y p | Fpminus1

Teorema 86

1)Fn+1

Fn= 1 +

1

1 +1

1 +1

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n sabiranja

i 2) limnrarrinfin

Fn+1

Fn=

1 +radic

5

2

Dokaz za 1) (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJE

n = 1F2

F1= 1lArrrArr 1

1= 1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (INDUK-TIVNA HIPOTEZA) Treba dokazati da vazi za n+ 1

Fn+2

Fn+1=Fn+1 + FnFn+1

= 1 +Fnfn+1

= 1 +1

fn+1

fn

IH︷︸︸︷= 1 +

1

1 +1

1 +

1 + 11︸ ︷︷ ︸

n+1 sabiranja

4

Dokaz za 2)

Vazi da jeFn+1

Fngt 1 i

Fn+1

Fnlt 2

=rArr niz

(Fn+1

Fn

)je ogranicen a uz to on monotono raste

=rArr taj niz konvergira nekom x

=rArr exist limnrarrinfin

Fn+1

Fnkoji je resenje jednacine

x = 1 +1

xx2 minus xminus 1 = 0

x12 =1plusmnradic

5

2=rArr x =

1 +radic

5

2 jer je on koren koji je veci od 1 dok je drugi

koren manji od 1

39

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 40: Diskretna matematika 2 predavanja matf

4

Teorema 87F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

Dokaz

F1 = F3 minus F2

F2 = F4 minus F3

Fnminus1 = Fn+1 minus FnFn = Fn+1 minus Fn+1

+

F1+F2+ +Fnminus1+Fn = (F3minusF2)+(F4minusF3)+ +(Fn+1minusFn)+(Fn+2minusFn+1)F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus F2

F1 + F2 + + Fn = Fn+2 minus 1

4

Teorema 88Fn+1 middot Fnminus1 = (minus1)n

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 F2 middot F0 minus F 2

1 = minus1lArrrArr 0minus 12 = minus1lArrrArr minus1 = minus1radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Fn+2 middot Fn minus F 2n+1 = (Fn+1 + Fn) middot Fn minus F 2

n+1 = Fn+1 middot (Fn minus Fn+1) + F 2n =

minusFn+1 middot Fn+1 + F 2n

IH︷︸︸︷= minus(minus1)n = (minus1)n+1

4

82 Tribonacijevi brojevi

Tribonacijevi brojevi su elementi Tribonacijevog niza Ime ovog niza dobi-jeno je ukrstanjem reci trirdquo i Fibonacirdquo

Definicija 89 Tribonacijev niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomTn+3 = Tn+2 + Tn+1 + TnL0 = 0 L1 = 0 L2 = 1

Tribonacijevi brojevi su 00112471324

40

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 41: Diskretna matematika 2 predavanja matf

83 Lukasovi brojevi

Engleski matematicar iz 19 veka Edvard Lukas (engl Eduard Lucas) ba-vio se teorijom brojeva i on je nazvao Fibonacijeve brojeve po Fibonaciju (zbognjegovog prethodno opisanog problema sa zecevima) Takode po njemu je imedobio i jedan niz koji je veoma slican sa Fibonacijevim nizom i po rekurentnojjednacini kao i po nekim osobinama koje ce biti opisane u ovom odeljku

Definicija 810 Lukasov niz je zadat sledecom rekurentnom jednacinomLn+2 = Ln+1 + Ln

L1 = 1 L2 = 3 ili L = 0 = 2 L1 = 1

Lukasovi brojevi su elementi Lukasovog niza To su brojevi 21347111829

Teorema 811 Opsti clan Lukasovog niza je

Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n

Dokaz

Lukasovi brojevi i Fibonacijevi brojevi zadovoljavaju istu rekurentnu jednacinu(uz drugacije pocetne uslove) pa je karakteristicna jednacina ista odakle sledida su i nule iste U tom slucaju se opste resenje potrazi u obliku

Ln = c1 middot

(1 +radic

5

2

)n+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)n

L0 = 2 = c1 + c2

L1 = 1 = c1 middot

(1 +radic

5

2

)+ c2 middot

(1minusradic

5

2

)c1 = c2 = 1

pa je opsti clan Ln =

(1 +radic

5

2

)n+

(1minusradic

5

2

)n4

Teorema 812 Funkcija generatrisa Lukasovog niza je

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

Dokaz

Rekurentnoj jednacini Lukasovog niza odgovara sledeca jednacina funkcija ge-neratrisa

L(x)minus L1xminus L0

x2=L(x)minus L0

x+ L(x)

41

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 42: Diskretna matematika 2 predavanja matf

L(x) =2minus x

1minus xminus x2

4

Teorema 813 Veza izmedu Lukasovih brojeva i Fibonacijevih brojevima je

Ln = Fn+1 + Fnminus1

Dokaz (indukcijom po n)

(1) BAZA INDUKCIJEn = 1 L1 = F2 + F0 lArrrArr 1 = 1 + 0lArrrArr 1 = 1

radic

(2) INDUKTIVNI KORAK Pretpostavimo da tvrdenje vazi za n (IH) Trebadokazati da vazi za n+ 1

Ln+1 = Ln + Lnminus1

IH︷︸︸︷= (Fn+1 + Fnminus1) + (Fn + Fnminus2) = Fn+2 + Fn

4

84 Katalanovi brojevi

Koliko ima korektnih nizova n parova zagrada

Neka je n = 3 Kada niz pocinje sa 3 otvorene zagrade minusrarr ((())) Kada niz pocinje sa 2 otvorene zagrade minusrarr (()()) (())() Kada niz pocinje sa 1 otvorene zagrade minusrarr ()(()) ()()()=rArr Ima ukupno 5 korektnih nizova zagrada

Definicija 814 Katalanov broj Cn predstavlja broj korektnik mogucnosti nparova zagrada

Rekurentna relacija

bull Ako je n parova zagrada je oblika (x1)x2 gde su x1 i x2 korektni nizovilevih i desnih zagrada manjih od n onda vazi sledeca rekurentna relacija

Cn =

nminus1sumi=0

Ci middot Cnminusiminus1

gde je Ci broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x1 a Cnminusiminus1broj mogucnosti rasporeda zagrada koji odgovara nizu x2 Zajedno sa

C0 = 1

ova rekurentna relacija dovoljna je da odredi sve Katalanove brojeve

42

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 43: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Data rekurentna relacija je nelinearna rekurentna jednacina i njen opsti clan jeoblika

Cn =1

n+ 1middot(

2nn

)

Primena Katalanovih brojeva

1) Posmatrajmo tablu sa slike 82 dimenzije nxn (slicnu sahovskoj tabli)

Slika 82 Tabla dimenzija nxn

Broj razlicitih nacina da se stigne iz A u B kretanjem po ivicama polja a bezpresecanja dijagonale (broj monotonih puteva) jednak je Katalanovom broju cngde je tabla formata nxn U primeru puta datog na slici otvorenu zagradu pred-stavljamo horizontalnim kretanjem a zatvorenu zagradu vertikalnim kretanjem

2) Korensko binarno stablo

Korensko stablo se slikovito predstavlja tako sto se svaki cvor pocevsi od korenastabla predstavlja kruzicem i zatim spaja linijom sa svakim od svojih direktnihnaslednika koji se svi postavljaju u istom nivou ispod njega Korensko binarnostablo moze biti jednake ili nejednake duzine Jedan primer ovakvih binarnihstabala dato je na slici 83

Slika 83 Primer korenskog binarnog stabla

43

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 44: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Broj razlicitih korenskih binarnih stabala sa n listova jednak je Katalanovombroju Cn

44

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 45: Diskretna matematika 2 predavanja matf

9 Particije

91 Kompozicije brojeva

Definicija 91 Kompozicija broja n na k sabiraka je uredena k-torka (a1 a2 ak)prirodnih brojeva takvih da je a1 + a2 + + ak = n

Primer 1 Naci sve kompozicije broja 5

Resenjek = 1 5 = 5k = 2 5 = 1 + 4 = 4 + 1 = 2 + 3 = 3 + 2k = 3 5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 3 + 1 = 3 + 1 + 1 =

= 1 + 2 + 2 = 2 + 1 + 2 = 2 + 2 + 1k = 4 5 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 2 + 1 =

= 1 + 2 + 1 + 1 = 2 + 1 + 1 + 1k = 5 5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1

Ukupan broj uredenih kompozicija je 16

Teorema 92 Broj kompozicija broja n na k sabiraka jednak je(nminus 1

kminus 1

)Dokaz

Broj n napisacemo kao sumu od n jedinica izmedu kojih cemo staviti crticen = 1 1 1 1 1 1Potrebno je da na crtice rasporedimo (k minus 1) znaka + a to mozemo ucinitina bas

(nminus1kminus1)

nacina Kada imamo m uzastopnih jedinica one ce predstavljatisabirak m Takode jedinice koje se nalaze do prvog znaka + predstavljace prvisabirak a1 jedinice koje se nalaze izmedu prvog i drugog znaka + predstavljacesabirak a2 jedinice koje se nalaze posle (k minus 1)-og znaka + predstavljaceposlednji sabirak ak Time smo pokazali da kompozicija ima

(nminus1kminus1)

4

Teorema 93 Ukupan broj kompozicija broja n je 2nminus1

Dokaz

nsumk=1

(nminus1kminus1)

= 2nminus1 na osnovu binomne teoreme (kada je x = y = 1)

4

92 Particije brojeva

Definicija 94 Particija broja n na k sabiraka je multiskup a1 a2 akprirodnih brojeva takav da vazi a1 + a2 + + ak = n

45

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 46: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 2 Naci sve particije broja 5

Resenjek = 1 5k = 2 1 4 2 3k = 3 1 1 3 1 2 2k = 4 1 1 1 2k = 5 1 1 1 1 1

Ukupan broj particija je 7

Broj particija broja n se oznacava p(n) a broj particija broja n na k sabi-raka se oznacava pk(n)Particije se uglavnom zapisuju na sledeci nacin

[1α1 2α2 nαi ]

gde α1 α2 αi oznacavaju broj pojavljivanja sabiraka u multiskupu

Ne postoji tacna formula za broj particija ali za neke manje brojeve moguceje prebrojiti sve particije Broj particija za prvih 7 prirodnih brojeva dat je usledecem primeru

Primer 3n 1 2 3 4 5 6 7p(n) 1 2 3 5 7 11 15

Ipak racunanje particija mozemo svoditi na nesto drugo a to nam obezbedeujesledeca teorema

Teorema 95

pk(n) = pk(nminus k) + pkminus1(nminus k) + pkminus2(nminus k) + + p1(nminus k)

Dokaz

Neka je a1 + a2 + + ak = n jedna particija broja n na k sabiraka Akood svakog sabirka oduzmemo 1 dobijamo(a1 minus 1) + (a2 minus 1) + + (ak minus 1) = (nminus k)Time smo od pocetne particije dobili particiju broja (nminus k) Uvidimo da nekiod sabiraka mogu biti jednaki 0 ukoliko su pre toga bili 1 U zavisnosti od togakoliko je njih 0 dobijamo sabirke koji se nalaze na desnoj strani jednakosti

4

921 Ferersovi dijagrami

Jedan nacin da se particije predstave je pomocu takozvanog Ferersovog dija-grama Ilustrujmo neki Ferersov dijagram sledecim primerom

Primer 4 Predstaviti Ferersovim dijagramom neku particiju broja 5 i broja18

Resenje

46

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 47: Diskretna matematika 2 predavanja matf

5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

18 = 1 + 1 + 2 + 2 + 3 + 4 + 5 minusrarr

Definicija 96 Dve particije broja n su (medusobno) konjugovane ukoliko seFerersov dijagram jedne dobija zamenom mesta vrsta i kolona Ferersovog dija-grama druge

Primer 5 Particije [21 31] i [11 22] broja 5 su konjugovane

Resenje5 = 3 + 2 5 = 2 + 2 + 1 minusrarr

Definicija 97 Particija broja n je samondashkonjugovana ukoliko je jednaka svo-joj konjugovanoj particiji

Primer 6 Samondashkonjugovana particija broja 5 je [12 31]

Resenje5 = 1 + 1 + 3 5 = 1 + 1 + 3 minusrarr

Ukoliko posmatramo glavnu dijagonalu kao osu simetrije samondashkonjugovane par-ticije ona je simetricna

bull bull bull

bull

bull

Teorema 98 Funkcija generatrisa niza p(n) je

P (x) =

infinprodi=1

(1minus xi)minus1

- Bez dokaza

47

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 48: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Moze da nam posluzi za pravljenje particije nekog broja u odnosu na unapredzadate sabirke Ilustracija se vidi u narednom primeru

Primer 8 Odrediti particije broja 12 takve da su sabirci jednaki 2 ili 5

ResenjeP (12) = (1minus x2)minus1 middot (1minus x5)minus1 = (1 + x2 + x4 + x6 + x8 + x10 + x12 + ) middot (1 +x5 + x10 + )Koeficijent uz x12 je x2 middot x10 + x12 middot 1 = 2x12 =rArr Ukupno ima 2 particije i onesu [21 52] i [25 50]

93 Neki identiteti sa particijama

1 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broju particija broja n+mna tacno m sabiraka

plem(n) = pm(n+m)

2 Broj particija broja n na do m sabiraka jednak je broja particija broja n nasabirke iz skupa Nm = 1 2 m

plem(n) = p (n | Nm)

3 Broj particija broja n na parne sabirke jednak je broju particija broja n gdese svaki sabirak javlja paran broj puta

p (n | parni) = p (n | svaki sabirak se javlja paran broj puta)

4 Broj samondashkonjugovanih particija broja n jednak je broju particija broja ngde su sabirci razliciti i neparni

p (n | sk) = p (n | 6= neparni)

Dokaz

1) Neka je data particija broja n + m na m sabiraka Njen Ferersov dijagramizgleda

m vrsta

Ako uklonimo prvu kolonu time smo uklonili m tackica pa smo dobili Ferersovdijagram neke particije broja n a uz to ona ima najvise m vrsta odnosno tadobijena particija broja n ima najvise m sabiraka Buduci da je preslikavanjeFerersovog dijagrama particija broja n+m u Ferersov dijagram particija brojan bijektivno to vazi jednakost koju je trebalo dokazati

4

48

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 49: Diskretna matematika 2 predavanja matf

2) Samo je potreno uociti da je svaka particija sa leve strane konjugovana par-ticiji sa desne strane

Najvise m tackica u prvoj vrstikod proizvoljne particije broja n na Nm︷ ︸︸ ︷

bull bull bull bull bull bull bull bull bull

94 Particije skupova

Svaki skup od n elemenata moze bijektivno da se preslika na skup Nn =1 2 n

Definicija 99 Particija skupa Nn na k podskupova je skup njegovih disjunkt-nih podskupova S1 S2 Sk takvih da je Nn = S1 cup S2 cup cup Sk

Primer 9 Odrediti particije skupa N2 = 1 2 3

Resenjek = 1 Nn = 1 2 3 k = 2 Nn = 1 2 cup 3 = 1 3 cup 2 = 2 3 cup 1k = 3 Nn = 1 cup 2 cup 3

Ukupno ih ima 5

Definicija 910 Stirlingov broj druge vrste u oznaci S(n k) oznacava brojparticija skupa Nn na k podskupova

Iz prethodnog primera S(3 2) = 3

Definicija 911 Belov broj u oznaci B(n) predstavlja broj svih particija skupa

Nn i jednak jensumk=0

S(n k)

Napomena k pocinje od 0 jer prazan skup (empty) moze da se partituje na sa-mog sebe

U sledecem primeru je data tabela Belovih brojeva prvih 7 prirodnih brojeva

Primer 10n 1 2 3 4 5 6 7

B(n) 1 2 5 15 52 203 877

95 Neki identiteti

1

S(n+ 1 k) = S(n k minus 1) + k middot S(n k)S(n 1) = S(n n) = 1

2

B(n+ 1) =nsumk=0

(nk

)B(k)

B(0) = 1

- Bez dokaza

49

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 50: Diskretna matematika 2 predavanja matf

10 Grafovi

Tekst Anja BukurovSlike Nikola Ajzenhamer

Graf se sastoji od cvorova i grana Graf ne zavisi od crteza to je relacionastruktura a ne geometrijska

Definicija 101 Graf G = (VE) se sastoji od uredenih cvorova V i skupa Ekog cine dvoclani podkupovi cvorova i nazivamo ga grane

Cvorove cemo obelezavati sa u1 u2 u3 v1 v2 v3 ili samo 123 Grane cemo obelezavati sa e1 e2 e3 ili samo 123 Sa n se obelezava ukupan broj cvorova a sa m ukupan broj grana

Susedni cvorovi su oni cvorovi koji su spojeni istom granom u suprotnomnisu susedni Ako je cvor kraj grane taj cvor se naziva incidentni cvor Zadve grane sa istom incidentnim cvorom kazemo da su susedne Stepen cvorau (obelezava se sa deg(u) d(u) ili du) jednak je broju grana incidentnih sa timcvorom Skup svih cvorova susednih sa u (N(u)) zovemo okolina cvora u Saδ oznacava se najmanji stepen cvora a sa ∆ najveci stepen cvora

101 Tipovi grafova

bull graf (prost graf)

bull graf sa petljom - jedan i drugi kraj grane je isti cvor

50

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 51: Diskretna matematika 2 predavanja matf

bull multigraf - dozvaljava vise grana izmedu dva cvora

bull usmereni (orijentisani) graf digraf - svaka grana moze i ne mora da pose-duje usmerenju ka jednom ili ka dva cvora Ako nema usmerenje podra-zumeva se da je obosmerna

bull tezinski graf - svakoj grani se pridruzuje jedna numericka vresnost kojapredstavlja njenu tezinu

51

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 52: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Teorema 102 Suma svih cvorova jednaka je dvostrukom broju grana

nsumi=1

deg(u)i = 2 middotm

Dokaz Prilikom sumiranja svaku granu brojimo dva puta

nsumi=1

deg(u)i = 2 + 3 + 4 + 2 + 1 = 12 = 2 middot 6 = 2 middotm

Teorema 103 Broj cvorova neparnog stepena je paran

Dokaz Po prethodnoj teoremi suma stepena jednaka je parnom broju Sumaparnih i neparnih stepena jednak je parnom broju Posto je suma parnih ste-pena paran broj mora i suma nepranih stepena da bude paran da bi se dobioparan broj

102 Neki grafovi

bull Regularan graf - svaki cvor ima isti stepen

52

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 53: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Petersenov graf je regularan graf sa 10 cvorova stepena 3

bull Kompletan (potpun) graf - svaka dva cvora su spojena granomObelezava se sa Kn - za svako n postoji tacno jedan graf

K5

bull Bipartitan graf - skup cvorova se moze podeliti u 2 disjunkta podskupatako da svaka grana spaja jedan cvor iz jednog podskupa sa drugimcvorom iz drugog skupa

bull Kompletan bipartitan graf - bipartitan graf kod kog je svaki cvor iz jednogpodskupa susedan sa svim cvorovima iz drugog podskupaStepen svakog cvora iz jednog jednak je broju cvorova drugog skupa

53

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 54: Diskretna matematika 2 predavanja matf

oznacava se sa Kn1n2 ni je broj cvorova u podskupu i i = 1 2 Kada je

n1 = n2 onda postoji tacno jedan kompletan bipartitan graf

K33

bull Zvezda - kompletan bipartitan graf gde je n1 = 1

K15

bull Ciklus - povezan graf kod kojeg svaki cvor ima stepen 2Obelezava se sa Cn

C6

bull Put - Pn

54

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 55: Diskretna matematika 2 predavanja matf

P6

bull Prazan graf - graf koji nema grane

103 Izomorfizam grafa i invarijante

Definicija 104 Za dva grafa kazemo da su izomorfni ukoliko postoji bijektivnopreslikavanje izmedu skupova i njihovih cvorova pri kojem se cuva inci-dentnost sa granama cvorova Za dva grafa kazemo da su izomorfni kadaje to jedan isti graf

Definicija 105 Invarijanta grafa je svaka funkcija na skupu grafova sa istimbrojem cvorova koji se ne menja pri izomorfizu grafa Primeri su brojcvorova i broj grana grafa

Primer Broj razlicitih povezanih grafova sa 4 cvora ima 6

55

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 56: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Slika a) P4 b) C4K22 c) K13d) K4 e) proizvoljan graf f) sklonjena bilo koja grana iz K4

Definicija 106 - Podgraf grafa G = (VE) je proizvoljan graf Gprime = (V prime Eprime)ciji je skup cvorova podskup skupa cvorova grafa G a skup grana je pod-skup skupa grana grafa G[V prime sube VEprime sube E]

Definicija 107 - Indukovan podgraf grafa G = (VE) se dobija uklanjanjemproizvoljnog skupa cvorova grafa G Svaki indukovani podgraf je podgrafobrnuto ne vazi

56

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 57: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Definicija 108 - Komplement grafa G = (VE) je graf G = (VE) ima istiskup V i kod kojeg su dva cvora susedna akko nisu susedni kod grafa G

104 Setnja staze i putevi

Setnja u grafu G je proizvoljan niz cvorova v1 v2 vk tog grafa tako da susvaka dva niza susedna tj spojena jednom granom Setnja je zatvorenaako je v1 = vk inace je otvorena

Setnja v1v2v5v2v3

Staza u grafu je kad se kroz svaku granu prolazi najvise jednom a kroz cvormoze vise puta

Staza v1v2v5v3v2

57

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 58: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Put u grafu je setnja koja svakim cvorom i svakim grafom prolazi najvise jed-nom Duzina puta jednaka je broju grana pripadaju tom putu

Put v1v2v3v4

Za dva cvora grafa G kazemo da su povezani ukoliko postoji put koji ih spajaGraf je povezan ukoliko su svaka dva cvora povezana Povezanost je relacijaekvivalencije Komponente povezanosti grafa su su klase ekvivalencije tog grafa

NEPOVEZAN POVEZAN

Vezivni cvor povezanog grafa G je cvor koji cijim uklanjanjem graf postajenepovezanMost (vezivna grana) u povezanom grafu G je proizvoljna grana cijim uklanja-njem graf postaje nepovezanRazdvajajuci skup povezanog grafa G je podkup skupa cvorova tog grafacijim uklanjanjem graf postaje nepovezanRastojanje izmedu dva cvora [u] i [v] grafa G u oznaci dist(u v) jednak jeduzini najkraceg puta koji ih spaja Rastojanje izmedu dva cvora koji nisu po-vezani je beskonacno

Ekstrenticitet cvora [u] u oznaci ecc(u) jednak je max(dist(u v)) v isin V Radijus grafa G u oznaci r(G) jednak je najmanjem ekscentricetu cvora toggrafa min(ecc(u v)) u isin V Centar grafa G cine svi cvorove ciji je ekstenticintret jednak radijusu grafaDijametar grafa G u oznaci diam(G) jednak je navecem rastojanju tog cvoraunutar tog grafa max(ecc(u)) u isin V

Primeri invarijanti radijus dijametar povezanost grafa

105 Maticna reprezentacija grafova

Matrice susedstva su simetricne u odnosu na glavnu dijagonalu Ukolikosu cvorovi oznaceni sa v1 v2 vn tada je matrica susedstva matricaformata nxn kod koje je element na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko sucvorovi vi i vj susedni u suprotnom je 0 Kod izomorfnih grafova matricesusedstva su slicne Za graf G

58

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 59: Diskretna matematika 2 predavanja matf

matrica susedstva je

A =

0 1 0 1 11 0 1 0 10 1 0 0 01 0 0 0 01 1 0 0 0

v1v2v3v4v5

v1 v2 v3 v4 v5

Matrica incidencije - Svaka kolona ima dve jedinice Ako su grane oznacenesa e1 e2 en tada je matrica incidencije formata nxm kod koje je ele-ment na poziciji (i j) jednak 1 ukoliko vi cvor incidentan sa granom ej Ne mora da bude kvadratna pa se ne prica o simetriji Za graf G matricaincidencije je

A =

1 0 1 0 11 1 0 1 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 1

v1v2v3v4v5

e1 e2 e3 e4 e5

Teorema 109 Ako je A matrica susedstva grafa G tada element koji se nalazina poziciji (i j) u matrici Ak predstavlja broj setnji duzine k koje pocinju ucvoru vi a zavrsavaju u cvoru vj - Bez dokaza

106 Stabla

Definicija 1010 Stablo je povezan graf koji ne sadrzi podgraf jednak ciklusu

59

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 60: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer Stabala od 5 cvorova ima 8

Teorema 1011 Sledeca tvrdenja su ekvivalentna

1 Graf G je stablo

2 m = nminus 1 (Broj grana u G je za 1 manji od broja cvorova)

3 G je maksimalan graf bez ciklusa (ili maksimalan aciklican graf) (doda-vanjem grane postaje ciklican)

4 G je minimalan povezan graf (uklanjanjem jedne grane postaje nepovezansvaka grana je most)

5 Za svaka dva cvora grafa G postoji tacno jedan put koji ih povezuje

- Bez dokaza

Suma - nepovezan graf kod kojeg je svaka komponenta stablo

107 Razapinjuci graf

Definicija 1012 Razapinjuci graf grafa G je graf koji ima isti skup cvorovakao G i ciji je skup grana podskup skupa grana grafa G Razapinjuce stablopovezanog grafa G je razapinjuci graf koji je jednak stablu

Svaki povezan graf koji nije stablo ima svoj razapinjuci graf koji je stablo

Definicija 1013 Korensko stablo je stablo kod kojeg je jedan cvor izdvojeni on se naziva koren Cvorove korenskog stabla razlikujemo prema udaljenostiod korena ndash svi oni na i-tom rastojanju od korena pripadaju i-tom sloju Svakicvor koji nema nijednog suseda u sledecem sloju je list

60

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 61: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Korenska m-arna stablaSvaki cvor koji nije list ima tacno m suseda u sledecem sloju (potomaka dece)

3-arnoternarno

korensko stablo (m = 3)

2-arnobinarno

korensko stablo (jos je i potpuno (svaki potomak koji nije list ima

m potomaka)) (m = 2)

61

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 62: Diskretna matematika 2 predavanja matf

108 Pretraga grafa

Pretraga grafa podrazumeva obilazenje svih cvorova po nekom praviluPretraga moze biti u dubinu ili u sirinu U oba slucaja krece se od proizvoljnogcvora

Kod pretrage u dubinu naredni cvor koji se obilazi je susedan prethodnomukoliko je to moguce Ako nije onda je susedan prethodom od prethodnog itako redom dok ne obidemo sve Pretraga nije jedinstvena

Kod pretrage u sirinu se prvo pretraze svi susedi prvog cvora pa svi susedidrugog cvora itd Pretraga staje kad pretrazimo sve susede

62

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 63: Diskretna matematika 2 predavanja matf

109 Algoritmi rada sa razapinjucim stablima

Nikola Ajzenhamer

1091 Odredivanje minimalnih razapinjucih stabala u tezinskom grafu

Minimalno razapinjuce stablo je razapinjuce stablo najmanje tezine

Kruskalov (Kraskalov) algoritam

K1 Sortirati grane u grafu u rastuci poredak tekuca komponenta (T ) je grafbez grana

K2 Izdvojiti granu najmanje tezine (e) od nerazmotrenih grana Ako takvagrana ne postoji preci na K4

K3 Ako dodavanjem grane e u tekucu komponentu T nastaje ciklus onda precina K2 Inace dodati tu granu u T i preci na K2

K4 Kraj

Primer 1 Kruskalovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablografa G sa slike

Algoritam

K1 [v1v2 v3v4 v1v8 v2v8 v4v6 v2v3 v4v5 v6v7 v1v7 v3v8 v5v6 v6v8]T je prazan grafK2 e = v1v2 K3 e rarr TK2 e = v3v4 K3 e rarr TK2 e = v1v8 K3 e rarr TK2 e = v2v8 K3 e rarr TK2 e = v4v6 K3 e rarr TK2 e = v2v3 K3 e rarr TK2 e = v4v5 K3 e rarr TK2 e = v6v7 K3 e rarr TK2 e = v1v7 K3 e rarr TK2 e = v3v8 K3 e rarr TK2 e = v5v6 K3 e rarr T

63

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 64: Diskretna matematika 2 predavanja matf

K2 e = v6v8 K3 e rarr TK4 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

Prajmov algoritam

K1 Proizvoljan cvor grafa smestiti u tekucu komponentu (T )

K2 Granu najmanje tezine od tekuce komponente do ostatka grafa smestiti utekucu komponentu Ako takva ne postoji ici na K1 Ponavljati K2 doklegod je moguce i potom ici na K3

K3 Kraj

64

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton0)ocgs[i]state=false

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 65: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 2 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v1v7 rarr TK2 v7v6 rarr TK2 v6v5 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v4 rarr TK1 v8 rarr TK2 v1v8 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

65

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 66: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 3 Prajmovim algoritmom odredi minimalno razapinjuce stablo grafaG sa slike

Algoritam

K1 v1 rarr TK2 v1v2 rarr TK2 v2v3 rarr TK2 v3v10 rarr TK2 v10v6 rarr TK2 v10v9 rarr TK2 v9v8 rarr TK2 v8v7 rarr T

66

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton1)ocgs[i]state=false

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 67: Diskretna matematika 2 predavanja matf

K2 v3v4 rarr TK2 v6v5 rarr TK3 Kraj

Na kraju smo dobili graf

1092 Razapinjuca stabla u oznacenim grafova

U oznacenim grafovima cvorovi su oznaceni 1 n Jedan primer oznacenoggrafa zadat je na sledecoj slici

Ovakav graf se zove jos i uniciklican graf jer sadrzi tacno jedan ciklus u sebi(12356)

Od ovog grafa mozemo da dobijemo tacno 5 razapinjucih stabala jer upravotoliko ima grana u ciklusu Neka od ovih stabala su izomorfna Na primerbrisanjem grane 12 dobija se razapinjuce stablo izomorfno onom koje se dobijabrisanjem grane 56 Oznacenost cvorova obezbeduje dobijanje svih resenja bezeliminisanja izomorfnih

Primer 4 Koliko razapinjucih stabala ima sa 3 oznacena cvora A sa 4

67

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 68: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Dakle ukupno ih ima 3 Sa 4 oznacena cvora bice ih 16

Definicija 10 Priferov niz je bilo koji niz od nminus 2 broja iz Nn (koji dozvo-ljava i ponavljanja tih brojeva)

Jedan Priferov niz duzine nminus2 jednoznacno odreduje jedno stablo sa n cvorovaVazi i obratno

1093 Odredivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla

Neka je s Priferov niz s = (s1 s2 snminus2) si isin Nn i = 1 nminus2 Algoritamglasi

s = ()

for i=1 to n-2

v - cvor stepena 1 najmanje tezine

s_i - sused od v

T = T - vs_i

end

Primer 5 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Algoritam

s = ()s = (8)s = (83)s = (837)s = (8374)s = (83747)s = (837475)Kraj

Postupni prikaz algoritma

68

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 69: Diskretna matematika 2 predavanja matf

1094 Odredivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza

Neka jel = (1 2 n)s = (s1 s2 snminus2) - Priferov nizT - prazan graf sa n cvorova

Algoritam glasi

for i=1 to n-2

v - najmanja oznaka koja se nalazi u l a ne nalazi u s

w - s_1

T = T + vw

ukloniti v iz l

s = s - s_1 (ukloniti prvo pojavljivanje w(odn s_1) u s)

end

spojiti granom preostala 2 elementa iz l

Primer 6 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (8 3 7 4 7 5)

Algoritam

l = (1 2 3 4 5 6 7 8)s = (8 3 7 4 7 5)v = 1 w = 8T = T + 18

69

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton2)ocgs[i]state=false

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 70: Diskretna matematika 2 predavanja matf

l = (2 3 4 5 6 7 8)s = (3 7 4 7 5)v = 2 w = 3T = T + 23l = (3 4 5 6 7 8)s = (7 4 7 5)v = 3 w = 7T = T + 37l = (4 5 6 7 8)s = (4 7 5)v = 6 w = 4T = T + 64l = (4 5 7 8)s = (7 5)v = 4 w = 7T = T + 47l = (5 7 8)s = (5)v = 7 w = 5T = T + 75T = T + 58

Na kraju smo dobili graf

Postupni prikaz algoritma

70

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 71: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Primer 7 Odrediti Priferov niz stabla G sa slike

Postupak je isti kao u primeru 5 Resenje s = (3 1 8 2 2 4)

Primer 8 Odrediti stablo na osnovu zadatog Priferovog niza s = (3 5 8 4 5 9 2)

Postupak je isti kao u primeru 6 Resenje je grafik na slici

71

var ocgs=hostgetOCGs(hostpageNum)for(var i=0iltocgslengthi++)if(ocgs[i]name==MediaPlayButton3)ocgs[i]state=false

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 72: Diskretna matematika 2 predavanja matf

1010 Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu

Teorema 10 (Kejlojeva teorema) Broj razapinjucih stabala grafa Kn

jennminus2

- Bez dokaza

Definicija 10 Neka je zadat proizvoljan graf G i neka je e grana tog grafaGraf koji se dobija KONTRAKCIJOM grane e u oznaci Ge je graf koji se do-bija od grafa G tako sto se obrise grana e a dva cvora koja je ona spajala spojeu jedan

Definicija 10 Broj razapinjucih stabala grafa G oznacavamo t(G)

Videli smo da je t(G) = n akko je graf G uniciklican i taj ciklus ima n granaPostavlja se pitanje kako odrediti t(G) nekog nasumicnog grafa G U tome nampomaze sledeca teorema

Teorema 10t(G) = t(Gminus e) + t(Ge)

- Bez dokaza

Pokazimo ovo na nekom primeru Neka je dat graf G na sledecoj slici

72

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 73: Diskretna matematika 2 predavanja matf

Potrebno je odrediti t(G) Da bismo iskoristili teoremu 10 neophodno je dapametno odaberemo granu e Ukoliko je e = 35 dobijamo

Hajde da odredimo graf Ge kao i t(Ge) Na sledecoj slici vidimo kako izgledakada kontrakujemo granu e

Da bismo dobili razapinjuce stablo ovog grafa moramo svaki put da uklonimo 1multi-granu i 1 granu ciklusa (1236 odnosno 1256) Prema principu proizvodaukupan broj nacina da se ovo uradi je 2 middot 4 = 8 odakle sledi da je t(Ge) = 8

Uklanjanjem grane e iz pocetnog grafa dobijamo jedan uniciklican graf kojiima 6 grana odakle sledi t(Gminus e) = 6

Primenom teoreme 10 dobijamot(G) = t(Gminus e) + t(Ge)t(G) = 6 + 8t(G) = 14

Definicija 10 Ako je T razapinjuce stablo povezanog grafa G tada sedodavanjem proizvoljne grane stablu T pri cemu ona pripada ostatku grafa Ga ne pripada T dobija tacno jedan ciklus u novonastalom grafu Taj ciklus zoveELEMENTARNI CIKLUS grafa G u osnosu na stablo T

73

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3
Page 74: Diskretna matematika 2 predavanja matf

U ovom primeru dodavanjem grane v3v5 dobili smo tacno jedan elementarniciklus (v2v3v5)

Definicija 10 Broj elementarnih ciklusa grafa G u odnosu na proizvoljnostablo T (ili proizvoljnu sumu T ukoliko je graf G nepovezan) naziva se CI-KLOMATICNI BROJ grafa G u oznaci ν To je jedna invarijanta grafa

Teorema 10 Ciklomaticni broj ν grafa G zadovoljava relaciju

ν = mminus n+ p

gde jem - broj granan - broj cvorovap - broj komponenti povezanostigrafa G

Primer 8 Odrediti ν i sve elementarne cikluse grafa G

ν = mminus n+ pν = 10minus 7 + 1 = 4

Elementarni ciklusi- Dodavanjem 12 dobijamo 12567- Dodavanjem 16 dobijamo 167- Dodavanjem 23 dobijamo 231765- Dodavanjem 34 dobijamo 3471

74

  • PREBROJAVANJE
    • Osnovni pojmovi
    • Principi prebrojavanja
      • Princip jednakosti
      • Princip zbira
      • Princip proizvoda
        • Dirihleov princip
          • Uopšteni Dirihleov princip
              • IZBORI ELEMENATA
                • Ured16eni izbori elemenata sa ponavljanjem
                • Ured16eni izbori elemenata
                  • Permutacije
                    • Neured16eni izbor elemenata
                    • Neured16eni izbor elemenata sa ponavljanjem
                      • Permutacije sa ponavljanjem
                          • GENERISANJE PERMUTACIJA I KOMBINACIJA
                            • Generisanje permutacija
                              • Generisanje k-te permutacije
                                • Generisanje kombinacija
                                  • BINOMNI KOEFICIJENTI
                                    • Osnovne osobine
                                    • Neki identiteti
                                      • FORMULA UKLJUCENJA ndash ISKLJUCENJA
                                      • FUNKCIJA GENERATRISE (GENERATORSKE FUNKCIJE)
                                        • Množenje polinoma
                                        • Odred16ivanje funkcija generatrise
                                          • REKURENTNE JEDNACINE
                                            • Linearna rekurentna jednacina
                                            • Linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Homogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                              • Nehomogena linearna rekurentna jednacina sa konstantnim koeficijentima
                                                • Nelinearne rekurentne jednacine
                                                • Funkcije generatrise i rešavanje rekurentnih jednacina
                                                  • BROJEVI REKURENTNIH JEDNACINA
                                                    • Fibonacijevi brojevi
                                                      • Zlatna podela
                                                      • Neke teoreme Fibonacijevih brojeva
                                                      • Osobine Fibonacijevih brojeva
                                                        • Tribonacijevi brojevi
                                                        • Lukasovi brojevi
                                                        • Katalanovi brojevi
                                                          • Particije
                                                            • Kompozicije brojeva
                                                            • Particije brojeva
                                                              • Ferersovi dijagrami
                                                                • Neki identiteti sa particijama
                                                                • Particije skupova
                                                                • Neki identiteti
                                                                  • Grafovi
                                                                    • Tipovi grafova
                                                                    • Neki grafovi
                                                                    • Izomorfizam grafa i invarijante
                                                                    • Šetnja staze i putevi
                                                                    • Maticna reprezentacija grafova
                                                                    • Stabla
                                                                    • Razapinjuci graf
                                                                    • Pretraga grafa
                                                                    • Algoritmi rada sa razapinjucim stablima
                                                                      • Odred16ivanje minimalnih razapinjucih stabala u težinskom grafu
                                                                      • Razapinjuca stabla u oznacenim grafova
                                                                      • Odred16ivanje Priferovog niza na osnovu zadatog stabla
                                                                      • Odred16ivanje stabla na osnovu datog Priferovog niza
                                                                        • Broj razapinjucih stabala u oznacenom grafu
                                                                              1. fdrm0
                                                                              2. fdrm1
                                                                              3. fdrm2
                                                                              4. fdrm3