Реферат по математике по теме: "Комбинаторика"

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДА

МОСКВЫ

«КОЛЛЕДЖ ПОЛИЦИИ»

Реферат по дисциплине Математика

На тему: «История развития комбинаторики и её роль в различных сферах человеческой деятельности».

Выполнила

Курсант 15 взвода

Алехнович В.А.

Преподаватель

Зайцева О.Н.

Москва

2015

Содержание:

·        Введение………………………………………………… 3

·        История возникновения

и развития комбинаторики и теории вероятностей…... 3

·        Области применения комбинаторики…………………. 11

·        Вывод……………………………………………………. 15

·        Ссылки…………………………………………………... 16

·     Введение.

Комбинаторика – раздел математики, в котором изучаются вопросы о том, сколько различных комбинаций, подчиненных тем или иным условиям, можно составить из заданных объектов. Комбинаторика связана со многими другими областями математики — алгеброй, геометрией, теорией вероятностей и имеет широкий спектр применения в различных областях знаний (например, в генетике, информатике, статистической физике).

·       История возникновения и развития комбинаторики и теории вероятностей.

До того, как та или иная область знания формируется в особую науку, она сначала проходит длительный период накопления эмпирического материала, потом развивается в недрах другой, более общей науки и лишь затем выделяется в самостоятельную ветвь. С задачами, в которых приходится выбирать те или иные предметы, располагать их в определенном порядке и отыскивать среди разных расположений наилучшие, люди столкнулись еще в доисторическую эпоху, выбирая наилучшие расположения охотников во время охоты, воинов во время битвы, инструментов во время работы. Определенным образом располагались украшения на одежде, узоры на керамике, перья в оперении стрелы. Ещё в древности было замечено, что имеются явления, обладающие следующей особенностью: при малом числе наблюдений над ними не замечается никакой зависимости, но по мере увеличения числа наблюдений всё яснее проявляется определенная закономерность. Наши предки понимали, что у десятка охотников вероятность поразить животное на охоте больше, чем у одного; вероятность благополучно переправиться на противоположный берег реки через брод выше, чем в глубоководном ее месте и т.д. Позднее, на основе наблюдения и опыта, человек стал оценивать случайные события, классифицировать их исходы как невозможные, возможные и достоверные. Он заметил, что случайностями не так уж редко управляют объективные закономерности.

По мере усложнения производственных и общественных отношений все чаще приходилось пользоваться понятиями о порядке, иерархии, группировании.

В пирамиде, где был похоронен египетский фараон Тутанхамон, нашли разграфленную доску с тремя горизонталями и 10 вертикалями и фигурки для древней игры ''сенет'', правило которой мы, вероятно, никогда не узнаем. Позже появились нарды, шашки и шахматы, а также их различные варианты (китайские и японские шахматы, японские облавные шашки ''го'' и т. д.). В каждой из этих игр приходилось рассматривать различные сочетания передвигаемых фигур, и выигрывал тот, кто их лучше заучил.

В китайских рукописях, относящихся к XII-XIII вв. до н.э. встречаются упоминания о вопросах, близких к комбинаторным (точно датировать эти рукописи невозможно, поскольку в 213 г. до н.э. император Цинн Ши-Хуан приказал сжечь все книги, так что до нас дошли сделанные позднее копии). В этих книгах писалось, что все в мире является сочетанием двух начал – мужского и женского, которое авторы обозначали символами -- и ----. В рукописи ''Же Ким'' (''Книга перестановок'') показаны различные соединения этих знаков по два и по три.

Восемь рисунков из трех рядов символов изображали землю, горы, воду, ветер, грозу, огонь, облака и небо (некоторые рисунки имели и иные значения). Неудивительно поэтому, что сумма первых 8 натуральных чисел (т. е. число 36) воплощала в представлениях древних китайцев весь мир.

Понадобилось выразить по мере углубления знаний и другие элементы мироздания с помощью тех же знаков -- и -- --. Были составлены 64 фигуры, содержавшие уже пять рядов черточек. Надо полагать, что автор рукописи ''Же Ким'' заметил удвоенные числа рисунков при добавлении одного ряда символов. Это можно рассматривать как первый общий результат комбинаторики.

В 391 г. н. э. толпа монахов разрушила центр языческой науки александрийский Музеум – и сожгла большую часть хранившейся в нем библиотеки, насчитывавшей многие тысячи томов. Остатки библиотеки разрушались в течение еще трех веков, а в 638 г. н.э. она окончательно погибла при взятии Александрии войсками арабского халифа Омара, и поэтому большинство научных книг безвозвратно погибло, и мы можем лишь догадываться об их содержании по кратким пересказам и намекам в сохранившихся рукописях. По этим намекам можно все же судить, что определенные представления о комбинаторике у греческих ученых были. Философ Ксенократ, живший в IV в. до н.э., подсчитывал число слогов. В III в. до н.э. историк Хрисии полагал, что число утверждений, получаемых из 10 аксиом, превышает миллион. По мнению же Гиппарха, из утверждающих аксиом можно составить 103 049 сочетаний, а добавив к ним отрицающие, 310 952. Мы не знаем, какой именно смысл придавали эти философы своим утверждениям и как они получали свои результаты – приводимые Гиппархом результаты слишком точны, чтобы считать их результатом грубой оценки, и в то же время не поддаются разумному истолкованию. По-видимому, у греческих ученых были какие-то, не дошедшие до нас правила комбинаторных расчетов – скорее всего ложные.

Конкретные комбинаторные задачи, касавшиеся перечисления небольших групп предметов, греки решали без ошибок. Аристотель описал без пропусков все виды правильных трехчленных силлогизмов, а его ученик Арисксен из Тарента перечислил различные комбинации длинных и коротких слогов в стихотворных размерах. Живший в IV в. н.э. математик Папп рассматривал число пар и троек, которые можно получить из трех элементов, допуская их повторения.

Греческие ученые уделяли большое внимание вопросам, пограничным между комбинаторикой и теорией чисел. Еще в VI в. до н.э. в школе философа-идеалиста математика Пифагора возникло убеждение, что миром правят числа, а вещи только отражение чисел. Пифагорейцы начали изучать свойства натуральных чисел. Их исследования о четных и нечетных числах, делимости чисел, простых и составных числах положили основу теории чисел. Как и китайцы, пифагорейцы придавали особое внимание числу 36 – оно было для них не только суммой первых 4 четных и первых 4 нечетных чисел, но и суммой первых трех кубов: 36 = . Символом совершенства пифагорейцы считали совершенные числа, равные сумме своих делителей, например, 6 = 1 + 2 + 3, 28 = 1 + 2 + 4 + 7 + 14, а символом дружбы – дружественные числа, каждое из которых равно сумме делителей другого (например, 220 и 284). Отыскание таких чисел требовало комбинаторного искусства.

Доказательство известной теоремы о сторонах прямоугольного треугольника вызвало интерес к представлению чисел в виде суммы двух квадратов, к квадратным числам 1, 4, 0, 10 и т. д. Квадраты натуральных чисел изображались при этом геометрически. Пифагорейцы рассматривали и иные конфигурации точек, такие, как изображены на рисунке (рисунок). Каждый треугольник на рисунке получается из предыдущего увеличением длины его стороны на 1. Подсчитывая число точек в каждом треугольнике, получаем последовательность треугольных чисел: 1, 3, 6, 10 …. Эти числа можно получить, последовательно складывая натуральные числа. Точно так же шестиугольники приводят к последовательности шестиугольных чисел 1, 0, 15… получаемой при последовательном суммировании арифметической прогрессии 1+ 5+ 9+ … В дальнейшем такие суммы удалось выразить с помощью биноминальных коэффициентов, играющих важную роль в комбинаторике.

Магические тайны учения и обряды возникли среди фанатичных иудаистов - сторонников колдовства и магии, проповедовавших культ единого бога. Библия была провозглашена собранием божественных откровений, где каждому слову и числу придавалось особое мистическое значение. В каббалистических вычислениях евреев распространено изучение священных текстов и отдельных слов заменой букв числами. Для латинской азбуки: a = 1, b = 2 c = 3, d = 4… В имени богослова Johanes Huss (Иоганн Гусс)после такой замены букв числами получалась общая сумма «очков», равная 145. На эту сумму надо было подобрать другие слова, отражающие внутреннюю духовную сущность человека. Это магическое действие в каббалистике называется гематрией. Задача не из простых, на поиск таких бесплодных решений нередко тратились годы, а то и жизнь. В нашем примере имени Иоганн Гусс соответствуют слова: sermo domini dei и суммы цифр: 18+ 5+ 17+ 12+ 14 = 66; 4+ 14+ 12+ 9+ 13+ 9 = 61; 4+ 5+ 9 = 18, что в целом равно 145 и в точности соответствует исходной сумме очков. В переводе три латинских слова означают: ''Слово Господа Бога''. Итак, получилось: ''Иоганн Гусс = слово Господа Бога'' – смысл найден.

Упадок науки в эллинистических странах, отражавший общий кризис рабовладельческого общества, начинается со II в. до н.э. Многие работы того времени были посвящены мистическим толкованиям чисел в духе пифагорейцев (например, ''Арифметическая теология'' неопифагорейца Никомаха, жившего в I-II вв. н.э.). Большое развитие получили различные числовые суеверия и толкования, связанные с заменой букв соответствующими числами (греки обозначали числа с помощью букв – первые 9 букв алфавита обозначали числа от 1 до 9, следующие за ними – от 10 до 90, а последние 9 букв – от 100 до 900). Были ''ученые'', называвшиеся каббалистами, которые подвергали такому ''анализу'' слова Библии и других священных книг и делали на основе своих изысканий пророчества о будущем мира.

Не чуждался каббалистических вычислений и известный немецкий математик, монах ордена св. Августина Михаэль Штифель (1468 – 1567). Он применил каббалистику к имени тогдашнего папы римского Льва X, спекулировавшего индульгенциями, и сделал поразительное открытие: католический папа и есть апокалипсический зверь, ведь его имени соответствует число 666. Поисками смысла, заключенного в числе 666, занимался и Исаак Ньютон (1643 – 1727), в конце своей жизни написавший сочинение о пророке Данииле. Мания числа 666 веками использовалась не только для идеологической борьбы с неугодными людьми, но и в борьбе целых религиозных течений.

В Россию числовая мистика проникла из Византии. Православное духовенство неоднократно запрещало сочинения по астрономии и геометрии, не делая строгого различия между действительными и ложными знаниями. Тем не менее тайные науки продолжали существовать, о чем можно судить по широко распространенному в народе взгляду на Петра I как на Антихриста – его число тоже 666.

Астрологи также занимались комбинаторикой. Их интересовал вопрос о движении планет и их влиянии на судьбы людей. Особое значение придавали они сочетаниям планет – встречам различных планет в одном знаке зодиака. Астролог Бен Эзра в 1140 г. рассчитал количество сочетаний семи планет по две, по три и т. д. Он знал, что число сочетаний планет по три равно числу сочетаний по четыре. В окончательном виде формулу для числа сочетаний получил живший в XIV веке Л. Гершон, доказавший, что

 

Эту формулу в начале XVII в. вывел французский математик П. Эригон.

Комбинаторные проблемы лишь затрагивались в общих трудах по астрологии, логике и математике, а большей частью относились к области математических развлечений, то уже в 1666 г. Г. В. Лейбниц публикует ''Диссертацию о комбинаторном искусстве'', в которой впервые появляется сам термин ''комбинаторный''. Титульный лист книги двадцатилетнего автора, имевшего уже ученую степень бакалавра… юриспруденции, обещал приложения ко всем областям науки и новый подход к логике изобретения, а тематика введения могла соперничать по своей широте с программой, которую, как свидетельствует Льюис Кэрролл, наметил Плотник для бесед с устрицами. Там провозглашалось приложение теории к замкам, органам, силлогизмам, смешению цветов и стихосложению, к логике, геометрии, военному искусству, грамматике, юриспруденции, медицине и теологии.

Диссертация Г.В.Лейбница должна была стать лишь началом большой работы, о которой он часто упоминал в своих письмах и печатных трудах и для которой делал в своих записных книжках многочисленные заметки. Из них видно, что Лейбниц планировал для комбинаторики все новые и новые приложения: к кодированию и декодированию, играм, статистике, теории наблюдений. Он считал, что комбинаторика должна заниматься одинаковым и различным, похожим и непохожим, абсолютным и относительным расположением, в то время как обычная математика занимается большим и малым, единицей и многим, целым и частью. Иными словами, под комбинаторикой Лейбниц понимал примерно то, что мы теперь называем дискретной математикой. К области комбинаторики Г.В.Лейбниц относил и ''универсальную характеристику'' – математику суждений, т. е. прообраз нынешней математической логики.

Проекты Г.В.Лейбница казались несбыточными здравомыслящим математикам его времени, но сейчас, после создания быстродействующих вычислительных устройств, многие планы Г.В.Лейбница стали претворяться в жизнь, а дискретная математика выросла в своем значении настолько, что начала соперничать с классическим математическим анализом.

В 1713 г. была опубликована книга ''Искусство предположений'' Якоба Бернулли, в которой указывались формулы для числа размещений из n элементов по k, выводились выражения для степенных сумм и т. д.

Таким образом, как наука теория вероятностей зародилась в XVII в. «Математика случая» − так назвал теорию вероятностей один из ее основателей французский ученый Б.Паскаль. Возникновение понятия «вероятности» было связано как с потребностями страхования, получившего значительное распространение в ту эпоху, когда заметно росли торговые связи и морские путешествия, так и в связи с развитием азартных игр, популярных в ту пору среди знати, феодалов и дворян. Слово «азарт», под которым обычно понимается сильное увлечение, горячность, является транскрипцией французского слова «hazard», означающего «случай», «риск». Азартными называют те игры, в которых выигрыш зависит не только и не столько от умения игрока, но и от случайности. Особенно распространенной была игра в кости. Было замечено, что при многократном бросании однородного кубика (все шесть граней которого отмечены соответственно числами 1, 2, 3, 4, 5, 6) число очков от 1 до 6 выпадают в среднем одинаково часто, иными словами, выражаясь языком математики, выпадение определённого числа очков имеет вероятность, равную 1/6. Аналогично вероятность появления на верхней грани кости чётного числа очков равна 3/6, так как из шести равновозможных случаев чётное число появляется только в трёх.

Схема азартных игр была очень проста и могла быть подвергнута всестороннему логическому анализу. Первые попытки этого рода связаны с именами известных учёных - алгебраиста Д. Кардана (1501 − 1576) и Г. Галилея (1564 − 1642). Однако открытие этой теории, которая не только даёт возможность сравнивать случайные величины, но и производить определенные математические операции с ними, принадлежит двум выдающимися ученым − Блезу Паскалю (1623 − 1662) и Пьеру Ферма(1601 − 1665).

Один из представителей французской знати того времени, страстный игрок де Мере написал Б.Паскалю письмо, в котором просил ответить на ряд вопросов. Денежный выигрыш при игре в кости обычно зависит от комбинации выпавших чисел, на которую делаются ставки. Одна из таких комбинаций − выпадение хотя бы одной шестёрки при четырёх бросаниях игральной кости. Де Мере смог подсчитать число шансов этой комбинации. Более сложные комбинации возникали, если бросали сразу две кости. Де Мере пытался определить, сколько раз надо бросить пару костей, чтобы вероятность хотя бы одного появления двух шестёрок была больше 1/2. Он подсчитал, что достаточно 24 бросаний. Однако опыт игрока заставил де Мере сомневаться в правильности своих вычислений. Тогда он и обратился с этой задачей к математику Б.Паскалю, который предложил правильное решение. Эта задача кавалера де Мере заставила Б.Паскаля заняться изучением случайных событий. А в переписке Б.Паскаля и П.Ферма впервые стали упоминаться понятия теории вероятностей.

Подсчёт всех возможных и благоприятствующих данному событию случаев нередко представляет большие трудности. Вот почему для решения таких задач некоторые игроки обращались к крупным учёным. Х.Гюйгенсу был задан такой вопрос: «Если бросить одновременно три игральных кости, то какая сумма очков будет выпадать чаще − 11 или 12?» Подсчёт всех различных случаев здесь прост: N=63=216, но сумма 11 может получиться следующими шестью различными способами: 1+4+6, 1+5+5, 2+3+6, 2+4+5, 3+3+5, 3+4+4. Также шестью различными способами образуется сумма 12: 1+5+6, 2+4+6, 2+5+5, 3+3+6, 3+4+5, 4+4+4. Это обстоятельство наводит на мысль, что обе суммы должны появляться одинаково часто. Однако это не так. Было замечено, что сумма 11 появляется чаще суммы 12. Дело в том, что вышеуказанные суммы по три числа сами по себе неодинаково часто выпадают. Так, если каждую из трех костей окрасить по-разному, скажем, в белый, красный и зелёный цвет, то становится ясным, что сочетание, в котором имеются три различных слагаемых, например (1+4+6), может получаться шестью различными способами:

1) 1 бел. + 4 красн. + 6 зел.; 2) 1 бел. + 6 красн. + 4 зел.;

3) 4 бел. + 1 красн. + 6 зел.; 4) 4 бел. + 6 красн. + 1 зел.;

5) 6 бел. + 1 красн. + 4 зел.; 6) 6 бел. + 4 красн. + 1 зел.

Аналогично сочетание с двумя одинаковыми слагаемыми, например (2+5+5), может получиться тремя различными способами, в то время как сочетания с одинаковыми слагаемыми, вроде (4+4+4), получается единственным способом. И вот для 11 очков мы получим, таким образом, не шесть различных способов, а 1×6 + 1×3 + 1×6 + 1×6 + 1×3 + 1×3 = 27. Аналогично, для суммы же 12 число различных способов будет равно 25.

Решение порой довольно сложных задач, с которыми обращались заинтересованные лица к Б.Паскалю, П.Ферма, Х.Гюйгенсу, способствовало разработке основных понятий и общих принципов теории вероятностей. Азартные игры стали для ученых удобной моделью для решения задач и анализа понятий данной теории. Об этом говорил ещё Х.Гюйгенс в своей книге «De ratiociniis ludo alleae» («О расчётах в азартной игре», 1657), которая была первой книгой в мире по теории вероятностей. Он писал: «При внимательном изучении предмета читатель заметит, что он занимается не только игрой, а что здесь даются основы глубокой и весьма интересной науки». Х.Гюйгенс впервые ввёл важное для теории вероятностей понятие математического ожидания, которое получило дальнейшее развитие в трудах Д. Бернулли, Даламбера и др. На развитие теории вероятностей оказали серьёзное влияние потребности науки и запросы практики, в первую очередь страховое дело, начатое в некоторых странах ещё в XVI в.

Таким образом, в 60-е годы XVII в. были выработаны первые понятия и некоторые элементы теории вероятностей.

Следующий этап истории теории вероятностей (XVIII − начало XIX вв.) связан, главным образом, с именами французских математиков А.Муавром (1667 − 1754), П.Лапласом (1749 − 1827), С.Пуассоном (1781 − 1840) и А.Лежандром (1752 − 1833) и немецкого математика К.Гаусса (1777 − 1855). «Аналитическая теория вероятностей» П.Лапласа считается классическим трудом по данному разделу математики. В это время в теории вероятностей, кроме понятия случайного события, рассматривается и понятие случайной величины. Теория вероятностей начала применяться в теории ошибок измерений, теории стрельбы и т.п.

В конце XVIII в. немецкий ученый Гинденбург и его ученики сделали даже попытку построить общую теорию комбинаторного анализа. Однако она не увенчалась успехом – в то время еще не было накоплено достаточного количества важных и интересных задач, которые могли бы дать необходимый фундамент для такой теории.

В середине XIX в. преподаватель Высшей реальной школы города Брюнн Г.И.Мендель производил опыты с горохом, в результате которых были открыты законы наследственности. Ученый скрестил два сорта гороха с жёлтыми и зелёными семенами, после чего растения дали только желтые семена (первое поколение гибридов). После самоопыления растений, выращенных из этих семян (второе поколение гибридов), появился горох и с жёлтыми, и с зелёными семенами. Мендель подсчитал, что отношение числа растений с жёлтыми семенами к числу растений с зелеными семенами равно 3,01. Механизм наследования так же случаен, как и исход бросания монеты или игральной кости.

В ХХ веке произошло строгое логическое обоснование теории вероятностей советским математиком А.Н.Колмогоровым.

Современный период истории теории вероятностей характеризуется возникновением и развитием многих новых областей и направлений. Наряду с понятием случайного события и случайной величины рассматриваются и играют наиболее существенную роль понятия случайной функции и случайного процесса. Круг применения теории вероятностей в различных областях науки и техники расширился настолько, что сейчас ее по праву можно считать одной из наиболее прикладных частей математики. Методы теории вероятностей широко применяются в различных отраслях техники и естествознания: в теории надёжности, теории массового обслуживания, в теоретической физике, геодезии, астрономии, теории стрельбы, теории ошибок наблюдений, теории автоматического управления, общей теории связи и во многих других теоретических и прикладных науках.

Теория вероятностей служит также для обоснования математической и прикладной статистики, которая используется при планировании и организации производства, при анализе технологических процессов, предупредительном и приёмочном контроле качества продукции и для многого другого.

·   Области применения комбинаторики.

Ø Производство (распределение нескольких видов работ между рабочими)

Ø Агротехника (размещение посевов на нескольких полях)

Ø Учебные заведения (составление расписаний)

Ø Химия (анализ возможных связей между химическими элементами)

Ø Лингвистика (рассмотрение вариантов комбинаций букв)

Ø Азартные игры (подсчёт частоты выигрышей)

Ø Экономика (анализ вариантов купли-продажи акций)

Ø Криптография (разработка методов шифрования)

Ø Сфера общественного питания (составление меню)

Ø Доставка почты (рассмотрение вариантов пересылки)

Ø Спортивные соревнования (расчёт количества игр между участниками)

Ø Биология (расшифровка кода ДНК)

Ø Военное дело (расположение подразделений)

Ø Астрология (анализ расположения планет и созвездий)

Ø География (раскраска карт)

·   Вывод.

Комбинаторика это большой и важный раздел математики, изучающий множества целых чисел и перестановки внутри этих множеств. Комбинаторика имеет огромное значение для многих сфер человеческой деятельности.

Многие специалисты в области математики и физики считают, что именно комбинаторная задача может стать толчком в развитии всех технических наук. Достаточно лишь нестандартно подойти к решению тех или иных проблем, и тогда можно будет ответить на вопросы, которые уже несколько веков не дают покоя ученым. Некоторые из них всерьез утверждают, что комбинаторика является подспорьем для всех современных наук, особенно космонавтики. Намного проще будет высчитывать траектории полета кораблей с помощью комбинаторных задач, также они позволят определить точное нахождение тех или иных небесных светил. Реализация нестандартного подхода уже давно началась в азиатских странах, там ученики даже элементарные задачи по умножению, вычитанию, сложению и делению решают, используя комбинаторные методы. На удивление многих европейских ученых, методика действительно работает. Школы Европы пока что только начали перенимать опыт своих коллег. Когда именно комбинаторика станет одним из основных разделов математики, предположить сложно. Сейчас наука изучается ведущими учеными планеты, которые стремятся популяризировать ее.

Ссылки:

http://www.edubrilliant.ru/brigens-345-1.html

http://e-science.ru/node/106887

http://yandex.ru/clck 

http://fb.ru/article/149409/kombinatornaya-zadacha-prosteyshie-kombinatornyie-zadachi-kombinatornyie-zadachi-primeryi