容斥原理

1. 集合的划分

定义 将有限集合 XX 表示为一组集合 A1,A2,,AnA_1,\,A_2,\,\cdots,\,A_n 的并集。且满足

i=1nAi= \bigcap_{i=1}^n A_i = \emptyset

那么集族 φ={A1,A2,,An}\varphi = \left\{A_1,\,A_2,\,\cdots,\,A_n\right\} 为集合 XX 的一个 完全划分

那么,显然有

X=i=1nAi(1) \left|X\right| = \sum_{i=1}^n \left|A_i\right| \tag{1}

对于不完全的划分,有

X<i=1nAi(2) \left|X\right| < \sum_{i=1}^n \left|A_i\right| \tag{2}

2. 容斥公式

定理 1AiA_i 为有限集,则

i=1nAi=i=1nAi1i<jnAiAj++(1)n1i=1nAi(3) \begin{aligned} \left|\bigcup_{i=1}^n A_i \right| &= \sum_{i=1}^n\left|A_i\right| - \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n}\left|A_i \cap A_j\right| + \cdots + \left(-1\right)^{n-1}\left|\bigcap_{i=1}^n A_i\right| \end{aligned} \tag{3}

3. 筛法公式

推论 1AA 关于全集 UU 的补集为 A\overline{A},则 A+A=U\left|A\right| + \left|\overline{A}\right| = \left|U\right|

推论 2 德·摩根定律

i=1nAi=i=1nAii=1nAi=i=1nAi \begin{aligned} \overline{\bigcap_{i=1}^n A_i} &= \bigcup_{i=1}^n \overline{A_i} \\ \overline{\bigcup_{i=1}^n A_i} &= \bigcap_{i=1}^n \overline{A_i} \\ \end{aligned}

定理 2

i=1nAi=i=1nAi=Ui=1nAi=Ui=1nAi+1i<jnAiAj++(1)ni=1nAi \begin{aligned} \left|\bigcap_{i=1}^n\overline{A_i}\right| &= \left|\overline{\bigcup_{i=1}^n A_i}\right| \\ &= \left|U\right|-\left|\bigcup_{i=1}^n A_i\right| \\ &= \left|U\right|-\sum_{i=1}^n\left|A_i\right| + \sum_{1 \leqslant i < j \leqslant n}\left|A_i \cap A_j\right| + \cdots + \left(-1\right)^{n}\left|\bigcap_{i=1}^n A_i\right| \end{aligned}