KUIS 1 KOMBINATORIKA (TAKE HOME) Disusun oleh: Hasna Muti Andini Betria Ayu Fermadona 140110160087 140110160109 PROGRAM STUDI MATEMATIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN 2019 1. PERMUTASI & KOMBINASI 1.1. Permutasi Permutasi adalah susunan yang mungkin dibuat dari semua atau sebagian anggota suatu himpunan dengan memperhatikan urutan. Jika dalam suatu himpunan terdapat π unsur yang berbeda dari π unsur tersebut dituliskan sebagai π(π, π) = π! Banyaknya permutasi π unsur yang berbeda (π ≤ π) didefinisikan sebagai π! π(π, π) = = π(π − 1)(π − 2) … (π − π + 1) (π − π)! Contoh 1. Suatu kelas akan memilih ketua kelas, sekretaris dan bendahara dari 6 calon pengurus. Jika setiap calon bersedia menjadi pengurus dan tidak boleh ada jabatan rangkap, maka banyaknya jumlah susunan pengurus yang dapat dibentuk adalah… Jawab: 6! 6.5.4.3! π(6,3) = (6−3)! = 3! = 120 cara 2. Berapa banyak permutasi cara duduk jika terdapat 8 orang dan 4 kursi yang disediakan? Jawab: 8! 8! 8.7.6.5.4! π(8,4) = (8−4)! = = = 1680 cara 4! 4! 3. Berapa banyak permutasi cara duduk jika terdapat 8 orang dan 4 kursi yang disediakan sedangkan salah seorang selalu duduk pada kursi tertentu? Jawab: 7! 7! 7.6.5.4! π(7,3) = (7−3)! = 4! = 4! = 210 cara 1.2. Permutasi Siklis Permutasi siklis adalah menentukan susunan unsur yang disusun secara siklis (melingkar). Untuk memahami pengertian permutasi siklis perhatikan masalah berikut ini. “Dalam berapa cara 3 orang dapat duduk pada bangku secara berjajar?” Dengan cara yang telah kita ketahui dapat ditentukan dengan cepat yaitu π33 = 3! = 6. Sekarang jika masalah tersebut kita ubah menjadi: “Dalam berapa cara 3 orang duduk mengeliilingi meja bundar?” Jawaban masalah ini berbeda bengan masalah sebelumnya. Ketika tiga orang duduk berjajar, maka setiap susunan berikut ini adalah berbeda. ABC BCA CAB Tetapi pada kasus melingkar, ketiga susunan berikut adalah sama. A C B AA BA C C AC BC CA Dalam putaran searah jarum jam A berada di sebelah kiri B dan C berada di kanan B sehingga susunan di atas dihitung satu dalam susunan duduk melingkar, maka ada (3 − 1)! = 2 susunan duduk mereka. C B AA C C ABC, BCA, CAB AA C B ACB, CBA, BAC Dari uraian di atas kita tuliskan permutasi siklis sebagai berikut. “Banyaknya permutasi siklis dari n unsur yang berbeda adalah (π − 1)!” Contoh 1. Dalam sebuah rak terdapat 7 buah buku berbeda. Berapa banyak cara agar bukubuku tersebut dapat ditata jika ada 2 buah buku tertentu yang tidak boleh diletakkan berdampingan… Jawab: Banyak cara menata 7 buku = π77 = 7! = 7.6.5.4.3.2.1 = 5040 cara Banyak cara jika 2 buku selalu berdambingan = 2. π66 = 2.6! = 2. (1440) = 2880 Jadi, banyak cara agar 2 buku tidak pernah berdampingan adalah = π77 − 2. π66 = 5040 − 2880 = 2160 cara 2. Dalam sebuah permainan, setiap orang harus melingkar dan bergandengan tangan. Jika terdapat 6 orang pemain dan terdapat 2 orang pemain selalu berdekatan. Maka banyak cara yang dapat dilakukan adalah… Jawab: Karena terdapat 2 orang pemain selalu berdekata maka π = 5 (dianggap satu) Banyak cara = (5 − 1)! = 4! = 4.3.2.1 = 24 cara 3. Tiga orang pria dan tiga orang wanita duduk mengelilingi meja bundar. Jika mereka duduk berselang-seling maka banyak cara yang dapat dilakukan adalah… Jawab: Banyak cara = πΆπππ ππππ π₯ πΆπππ πππππ‘π Banyak cara = (3 − 1)! π₯(3 − 1)! = 2 π₯ 2 = 4 cara 1.3. Permutasi & Kombinasi dengan Elemen Berulang Permutasi dengan Elemen Berulang Jika terdapat π obyek dengan π1 unsur yang sama, π2 unsur yang sama, …, ππ unsur yang sama dengan π1 + π2 + β― + ππ = π. Maka banyaknya permutasi dari π unsur dinyatakan sebagai π! π= π1 ! π2 ! … ππ ! Contoh 1. Berapa banyak cara untuk menyusun 7 huruf yang dapat dibentuk dari kata “ANGKASA”? Jawab: 7! 7.6.5.4.3! π = 3!1!1!1!1! = 3! = 840 cara 2. Suatu sinyal dibuat dari 6 bendera, yaitu 3 bendera kuning, 2 bendera merah, dan 1 bendera biru. Ada berapa macam sinyal yang dapat dibuat dari bendera tersebut? Jawab: 6! 6.5.4.3! π = 3!2!1! = 3!.2.1 = 60 cara 3. Dalam berapa cara kata “INDONESIA” dapat dipermutasikan? Jawab: 9! 7.6.5.4.3.2.1 π = 2!2!1!1!1!1!1! = = 1260 cara 4 Kombinasi dengan Elemen Berulang Kombinasi dengan pengulangan berukuran π dan π objek adalah pengambilan seleksi berukuran π dari kumpulan π objek dengan urutan tidak diperhatikan dan pengulangan/pengembalian dibolehkan. Banyaknya kombinasi dengan pengulangan berukuran r dari n objek adalah (π + π − 1)! πΆ(π + π − 1, π) = π! (π − 1)! Contoh 1. Ani mempunyai 9 buah coklat yang akan dibagikan kepada 3 orang anak. Tentukan banyaknya kemungkinan jika tidak ada batasan apapun! Jawab: Dik : π = 9 dan π = 3 Dit : πΆ(11,9) = ? Dij : (11)! 9! (2)! 11.10.9! πΆ(11,9) = = 55 9! .2.1 Jadi, banyaknya kemungkinan pembagian 9 buah coklat kepada 3 orang anak adalah 55. πΆ(11,9) = 2. Diketahui π₯1 + π₯2 + π₯3 = 13. Berapa banyak solusi jika π₯1 , π₯2 , π₯3 adalah bilangan bulat non negative? Jawab: Dik : banyaknya cara memilih 13 bintang dari himpunan 15 elemen (13 bintang + 2 pemisah) Dit : πΆ(15,13) = ? Dij : (15)! πΆ(15,13) = 13! (2)! 15.14.13! πΆ(15,13) = = 105 13! .2.1 Jadi, banyaknya kemungkinan bilangan bulat non negative adalah 105. 3. Diketahui π₯1 + π₯2 + π₯3 ≤ 13. Berapa banyak solusi jika π₯1 , π₯2 , π₯3 adalah bilangan bulat non negative? Jawab: Dik : Tambahkan variable y sehingga, π₯1 + π₯2 + π₯3 + π¦ = 13 Banyaknya cara memilih 13 bintang dari himpunan 16 elemen (13 bintang + 3 pemisah) Dit : πΆ(16,13) = ? Dij : (16)! πΆ(16,13) = 13! (3)! 16.15.14.13! πΆ(16,13) = = 560 13! .3.2.1 Jadi, banyaknya kemungkinan bilangan bulat non negative adalah 560. 2. KOEFISIEN BINOMIAL 2.1. Teorema Binomial Dalam aljabar, penjumlahan dua suku x+y disebut binomial. Teorema binomial adalah rumus penjabaran (π₯ + π¦)π , dimana n bilangan bulat tak negatif. “Teorema : Misal x dan y adalah bilangan-bilangan real dan n adalah bilangan bulat tak negatif, maka : (π₯ + π¦)π = ∑ππ=0(ππ) π₯ π−π π¦ π ” Contoh 1. (3π₯ + 6π¦)3 3 3 (3π₯ + 6π¦) = ∑ ( ) 3π₯ 3−π 6π¦ π π 3 π=0 3 3 3 3 = ( ) 3π₯ 3 + ( ) 3π₯ 2 6π¦ + ( ) 3π₯6π¦ 2 + ( ) 6π¦ 3 0 1 2 3 = 3π₯ 3 + 9π₯ 2 6π¦ + 9π₯6π¦ 2 + 6π¦ 3 = 3π₯ 3 + 36π₯ 2 π¦ + 36π₯π¦ 2 + 6π¦ 3 2. (5π₯ + 4π¦)2 2 (5π₯ + 4π¦)2 = ∑ 5π₯ π−π 4π¦ π π=0 2 2 2 = ( ) 5π₯ 2 + ( ) 5π₯4π¦ + ( ) 4π¦ 2 0 1 2 2 2 = 5π₯ + 10π₯4π¦ + 4π¦ = 5π₯ 2 + 40π₯π¦ + 4π¦ 2 2.2. Teorema Multinomial Multinomial adalah jumlah t buah suku berbeda yaitu π₯1 + π₯2 + π₯3 + β― + π₯π‘ . Binomial adalah kasus khusus dari multinomial yaitu t = 2. Teorema : Misalkan π₯1 , π₯2 , π₯3 , … , π₯π‘ adalah bilangan-bilangan real dan n adalah bilangan bulat positif, dengan demikian : π! π π π (π₯1 + π₯2 + π₯3 + β― + π₯π‘ )π = ∑ π₯1 1 π₯2 2 … π₯π‘ π‘ π1 ! π2 ! … ππ‘ ! Penjumlahan dilakukan terhadap semua π1 , π2 , … ππ‘ dengan π1 + π2 + π3 + β― + ππ‘ = π. Banyaknya suku pada (π₯1 + π₯2 + π₯3 + β― + π₯π‘ )π adalah (π+π‘−1 ) π Contoh 1. Koefisien ππ 3 ππ2 ππππ (π − 5π + π − 2π)7 πππππβ … Jawab : 7! Koef = 1!3!1!2! (1)1 (−5)3 (1)1 (−2)2 = −210000 Dengan banyak suku (7+4−1 ) = (10 ) = 720 7 7 2. Koefisien π3 ππ ππππ (π + π + π + π)5 πππππβ … Jawab : 5! (1)3 (1)1 (1)0 (1)1 = 10 πΎπππ = 3! 1! 1! Dengan banyak suku (5−4−1 ) 5 3. PRINSIP INKLUSI-EKSKLUSI 3.1. Prinsip Inklusi-Eksklusi pada Dua Himpunan Misalkan A,B himpunan. |π΄|, |π΅| adalah banyaknya elemen himpunan A,B. Lemma : Misalkan A,B adalah himpunan berhingga yang saling lepas (disjoint), maka : |π΄ ∪ π΅| = |π΄| ∪ |π΅| Teorema : Misalkan A,B adalah himpunan berhingga, maka : |π΄ ∪ π΅| = |π΄| + |π΅| − |π΄ ∩ π΅| Contoh 1. Berapa banyaknya bilangan bulat positif yang tidak melampaui 1000 yang habis dibagi 7 atau 11 ? - Misalkan A banyak bilangan bulat positif yang tidak melampaui 1000 yang habis dibagi 7 - Misalkan A banyak bilangan bulat positif yang tidak melampaui 1000 yang habisdibagi 11 itanya : |π΄ ∪ π΅| = ? awab : |π΄ ∪ π΅| = |π΄| + |π΅| − |π΄ ∩ π΅| 1000 |π΄| = [ ] = 142 7 1000 |π΅| = [ ] = 90 11 1000 |π΄ ∩ π΅| = [ ] = 12 7 ∗ 11 |π΄ ∪ π΅| = 142 + 90 − 12 = 220 2. Berapa banyak bilangan bulat antara 1 dan 1000 yang habis dibagi 5 dan 6 ? Ditanya : |π΄ ∪ π΅| = ? Jawab : |π΄ ∪ π΅| = |π΄| + |π΅| − |π΄ ∩ π΅| 1000 |π΄| = [ ] = 199 5 1000 |π΅| = [ ] = 166 6 1000 |π΄ ∩ π΅| = [ ] = 33 5∗6 |π΄ ∪ π΅| = 199 + 166 − 33 = 332 3.2. Prinsip Inklusi-Eksklusi pada Lebih Dari Dua Himpunan Teorema :Misalkan A,B, dan C adalah himpunan berhingga, maka |π΄ ∪ π΅ ∪ πΆ| berhingga dan |π΄ ∪ π΅ ∪ πΆ| = |π΄| + |π΅| + |πΆ| − |π΄ ∩ π΅| − |π΄ ∩ πΆ| − |π΅ ∩ πΆ| + |π΄ ∩ π΅ ∩ πΆ| Untuk V buah himpunan berlaku teorema berikut : Teorema : Misalkan π΄1 , π΄2 , π΄3 , … π΄π adalah himpunan berhingga maka berlaku : |π΄1 , π΄2 , π΄3 , … π΄π | = ∑ π΄π − ∑ |π΄π ∩ π΄π | + ∑ |π΄π ∩ π΄π ∩ π΄π | + β― + (−1)π−1 |π΄1 ∩ π΄2 ∩ … ∩ π΄π | π π≤π≤π π≤π≤π≤π Contoh 1. Berapa banyak bilangan bulat antara 1 dan 1000 yang habis dibagi 5, 6 dan 8 ? Ditanya : |π΄ ∪ π΅ ∪ πΆ| = ? Jawab : |π΄ ∪ π΅ ∪ πΆ| = |π΄| + |π΅| + |πΆ| − |π΄ ∩ π΅| − |π΄ ∩ πΆ| − |π΅ ∩ πΆ| + |π΄ ∩ π΅ ∩ πΆ| 1000 |π΄| = [ ] = 199 5 1000 |π΅| = [ ] = 166 6 1000 |πΆ| = [ ] = 124 8 1000 |π΄ ∩ π΅| = [ ] = 33 5∗6 1000 |π΄ ∩ πΆ| = [ ] = 24 5∗8 1000 |π΅ ∩ πΆ| = [ ] = 20 6∗8 1000 |π΄ ∩ π΅ ∩ πΆ| = [ ]=4 5∗6∗8 Jadi, |π΄ ∪ π΅ ∪ πΆ| = 199 + 166 + 124 − 33 − 24 − 20 + 4 = 416 2. Sebanyak 1232 orang mahasiswa mengambil kuliah Bahasa Inggris, 879 orang mahasiswa mengambil kuliah Bahasa Prancis, dan 114 mahasiswa mengambil kuliah Bahasa Jerman. Sebanyak 103 orang mahasiswa mengambil kuliah Bahasa Inggris dan Prancis, 23 orang mahasiswa mengambil kuliah Bahasa Inggris dan Jerman, dan 14 orang mahasiswa mengambil mata kuliah Bahasa Prancis dan Bahasa Jerman. Jika 2092 orang mahasiswa mengambil paling sedikit satu buah kuliah Bahasa Inggris, Bahasa Prancis, dan Bahasa Jerman, Berapa banyak mahasiswa yang mengambil ketiga mata kuliah bahasa tersebut ? Jawab: Misalkan : I = Himpunan mahasiswa yang mengambil kuliah Bahasa Inggris P = Himpunan mahasiswa yang mengambil kuliah Bahasa Prancis J = Himpunan mahasiswa yang mengambil kuliah Bahasa Jerman Diketahui : |πΌ| = 1232 |πΌ ∩ π| = 103 |π| = 879 |πΌ ∩ π½| = 23 |πΌ ∪ π ∪ π½| = 2092 |π½| = 114 |π ∩ π½| = 14 Ditanya : |πΌ ∩ π ∩ π½| = ? Jawab : |πΌ ∪ π ∪ π½| = |πΌ| + |π| + |π½| − |πΌ ∩ π| − |πΌ ∩ π½| − |π ∩ π½| + |πΌ ∩ π ∩ π½| |πΌ ∩ π ∩ π½| = |πΌ ∪ π ∪ π½| − |πΌ| − |π| − |π½| + |πΌ ∩ π| + |πΌ ∩ π½| + |π ∩ π½| |πΌ ∪ π ∪ π½| = 2092 − 1232 − 879 − 113 + 103 + 23 + 14 = 7 4. MARRIAGE THEOREM Misalkan πΊ adalah graf bipartite yang berisi himpunan π dan π sedemikian sehingga |π| ≤ |π|. πΊ memenuhi Hall’s condition jika |π(π₯)| ≥ |π₯| Untuk setiap himpunan tak kosong π₯ ≤ π’. Teorema Suatu graf bipartite πΊ yang berisi himpunan π dan π dimana |π| ≤ |π| memiliki kecocokan bentukan |π| jika dan hanya jika πΊ memenuhi Hall’s condition. Catatan Notasi π(π₯) adalah himpunan simpul-simpul yang merupakan tetangga dari simpulsimpul di π₯. Untuk selanjutnya, bila kita membahas graf bagian πΊ1 atau πΊ2 , maka notasi π(π₯) di πΊ1 atau πΊ2 akan disesuaikan menjadi, masing masing, π1 (π₯) untuk graf πΊ1 dan π2 (π₯) untuk graf πΊ2 . Pembuktian terdiri dari dua bagian, yang pertama adalah syarat perlu, dan yang kedua adalah syarat cukup. Bukti (→) Diketahui terdapat kecocokan bentukan dari π ke π, akan dibuktikan ∀ π₯ ⊆ π maka |π(π₯)| ≥ |π₯|. Hal ini jelas, karena terdapat keocokan bentukan dari π ke π. Maka, bila kita ambil sembarang π₯ ⊆ π, ∀ π₯ ∈ π akan mempunyai π¦ ∈ π(π₯) ⊆ π yang berbeda. Maka |π(π₯)| ≥ |π₯|. (←) Diketahui |π(π₯)| ≥ |π₯| ∀ π₯ ⊆ π, akan dibuktikan terdapat kecocokan bentukan dari π ke π. Secara umum, akan dibuktikan menggunakan induksi matematik terhadap jumlah simpul. Misalkan |π| = π maka: ο· Untuk π = 1 hal ini jelas. ο· Misalkan benar untuk |π| < π. Akan dibuktikan benar untuk |π| = π. Dalam pembuktian ini terdapat dua kasus yang perlu diperhatikan. i. |π(π₯)| > |π₯| untuk setiap π₯ ⊂ πdan π₯ ≠ ∅. ii. |π(π’1 )| > |π’1 | untuk suatu π’1 ⊂ π dan π’1 ≠ ∅. Contoh 1. Apakah graf di bawah ini memiliki kecocokan bentukan berukuran 5? A B C D E 1 2 3 4 5 Jawab: Karena graf tersebut merupakan graf bipartite, maka dapat dibentuk dua himpunan π’ = {π΄, π΅, πΆ, π·, πΈ} dan π€ = {1, 2, 3, 4, 5} Dengan |π’| = |π€| = 5 Pilih π₯ = {π΄, π·, πΈ} ⊆ π’ dengan |π₯| = 3 Maka π(π₯) = {3,4} dengan |π(π₯)| = 2 Karena |π(π₯)| = 2 < 3 = |π₯| Jadi, Graf G tidak memiliki kecocokan bentukan berukuran 5. 2. Apakah graf di bawah ini memiliki kecocokan bentukan berukuran 4? A 1 B 2 C 3 D 4 5 Jawab: Karena graf tersebut merupakan graf bipartite, maka dapat dibentuk dua himpunan π’ = {π΄, π΅, πΆ, π·} dan π€ = {1, 2, 3, 4, 5} Dengan |π’| = 4 dan |π€| = 5 Pilih π₯ = {π΄, πΆ} ⊆ π’ dengan |π₯| = 2 Maka π(π₯) = {2} dengan |π(π₯)| = 1 Karena |π(π₯)| = 1 < 2 = |π₯| Jadi, Graf G tidak memiliki kecocokan bentukan berukuran 4. 3. Apakah graf di bawah ini memiliki kecocokan bentukan berukuran 3? A B C 1 2 3 Jawab: Karena graf tersebut merupakan graf bipartite, maka dapat dibentuk dua himpunan π’ = {π΄, π΅, πΆ} dan π€ = {1, 2, 3} Dengan |π’| = |π€| = 3 Hall’s Condition akan terpenuhi apabila ∀π₯π ⊆ π’, |π(π₯)| ≥ |π₯| Jika π₯1 = {π΄, π΅, πΆ} maka π(π₯) = {1,2,3} dan |π(π₯)| = 3 ≥ 3 = |π₯| Jika π₯2 = {π΄} maka π(π₯) = {3} dan |π(π₯)| = 1 ≥ 1 = |π₯| Jika π₯3 = {π΅} maka π(π₯) = {1} dan |π(π₯)| = 1 ≥ 1 = |π₯| Jika π₯4 = {πΆ} maka π(π₯) = {2} dan |π(π₯)| = 1 ≥ 1 = |π₯| Jika π₯5 = {π΄, π΅} maka π(π₯) = {1,3} dan |π(π₯)| = 2 ≥ 2 = |π₯| Jika π₯6 = {π΅, πΆ} maka π(π₯) = {1,2} dan |π(π₯)| = 2 ≥ 2 = |π₯| Jika π₯7 = {π΄, πΆ} maka π(π₯) = {2,3} dan |π(π₯)| = 2 ≥ 2 = |π₯| Jika π₯8 = π maka π(π₯) = π dan |π(π₯)| = 0 ≥ 0 = |π₯| Karena ∀π₯π ⊆ π’, |π(π₯)| ≥ |π₯| Jadi, Graf G memiliki kecocokan bentukan berukuran 4.