[BASE Cinque - Appunti di Matematica ricreativa]

Il problema della collana di perline colorate

Ovvero permutazioni con ripetizioni, lineari e cicliche

Che differenza c'è fra collana e braccialetto (in combinatoria)?

Beh, se ci pensiamo un po', potremmo concordare che un braccialetto si può vedere da entrambi i lati anche quando è indossato. Quindi si riconosce che è lo stesso visto davanti/dietro, orario/antiorario oppure originale/ribaltato.

Una collana indossata invece si vede da un solo lato perché l'altro è attaccato alla pelle. Se si ribalta, diventa un'altra collana. 

Nel calcolo combinatorio di definiscono:

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Collana (necklace). Una collana k-aria (o k-adica) di lunghezza n è una sequenza circolare di n oggetti scelti da un insieme di k elementi.

Tutte le rotazioni di tale sequenza in un dato senso (orario o antiorario) sono considerate uguali.

Per esempio:

ABCD = BCDA = CDAB = etc.

Invece due collane di cui una sia il ribaltamento dell'altra NON sono considerate uguali.

Per esempio:

ABCD non è uguale a DCBA

Esistono 6 collane di 4 elementi distinti (4-arie di lunghezza 4).

Sotto le prime tre collane ci sono le rispettive simmetriche, ottenute per ribaltamento.

Collana di 4 elementi

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Braccialetto (bracelet). Un braccialetto (o collana libera) è una collana in cui due sequenze sono uguali anche per ribaltamento ovvero quando una è disposta in senso opposto (orario/antiorario) rispetto all'altra. Per esempio:

ABCD = DCBA = etc.

Braccialetti di 4 elementi

Ci sono solo 3 braccialetti di 4 elementi distinti (collane libere 4-arie di lunghezza 4).

Esercizi

1. Con 4 perline di 4 colori diversi

Supponiamo di avere  4 perline di 4 colori diversi: rosso, giallo, verde, celeste (R,G,V,C).

a) In quanti modi distinti le possiamo disporre in fila?

In pratica si chiede il numero di permutazioni semplici di 4 oggetti distinti.

b) In quanti modi distinti le possiamo disporre lungo una circonferenza per costruire una collana?

In pratica si chiede il numero delle permutazioni cicliche o circolari di 4 oggetti distinti, senza ripetizione.

c) Quanti braccialetti distinti possiamo costruire?

 

2. Con 6 perline di 2 colori diversi

Supponiamo di avere  6 perline di 2 colori diversi: 3 blu e 3 gialle.

a) In quanti modi distinti le possiamo disporre in fila?

b) In quanti modi distinti le possiamo disporre lungo una circonferenza?

In pratica si chiede il numero delle permutazioni semplici e cicliche di 6 oggetti divisi in due gruppi di 3 oggetti ciascuno, indistinguibili fra loro.

Oppure, le disposizioni di 2 oggetti a gruppi di 6 in cui ogni oggetto è ripetuto esattamente 3 volte.

c) Quanti braccialetti distinti possiamo costruire?

 

3. Sequenze periodiche di perline colorate

Immaginate una sequenza di perline bianche (B) e nere (N) illimitata in entrambi i versi.

Esistono solo due sequenze distinte di questo tipo nelle quali ogni tratto di 4 perline consecutive contiene esattamente 2 perline bianche e 2 nere.

a) Dimostra che le due sequenze sono del tipo:
...N,B,N,B,N,B,N,B... e

...N,N,B,B,N,N,B,B...

collana

b) Quante sequenze distinte esistono nelle quali ogni tratto di 6 perline consecutive contiene esattamente tre 3 perline bianche e 3 nere?

Ecco due soluzioni abbastanza semplici, ma quante e quali altre se ne possono trovare?

collana 6

 

4. Generalizziamo

Come nel caso precedente abbiamo una sequenza illimitata di perline di 2 colori.

a) Quante sequenze distinte esistono nelle quali ogni tratto di 8 perline consecutive ne contenga esattamente tre 4 bianche e 4 nere?

b) Sapreste costruire una formula generale per calcolare il numero delle sequenze in cui 2n perline consecutive ne contengano sempre n bianche ed n nere?

Tratto da un'idea di James Tanton su Twitter.


Risposte & riflessioni

Nota: le seguenti soluzioni sono appunti da verificare. Non garantite!

 

1. Con 4 perline di 4 colori diversi

a) Le permutazioni semplici di n oggetti sono n!

24

b) Le permutazioni cicliche sono n!/n ovvero (n-1)!

6

c) ...

2. Con 6 perline di 2 colori diversi

a) Le disposizioni di 6 oggetti di cui 3 di un tipo e 3 di un altro tipo sono:

6! / (3! * 3!) = 20

b) 6 vedi soluzione successiva

c) 3  vedi soluzione successiva

 

3. Sequenze periodiche di perline colorate

Le sequenze sono tante quante le collane (da verificare ed eventualmente dimostrare).

a)...

b) Ci sono 5 collane e 3 braccialetti distinti. La figura è un esempio.

Collane

Le soluzioni sono:

Collane 1, 2. Braccialetto 1

aaabbb, bbbaaa
aabbba, bbaaab
abbbaa, baaabb
---

Collane 3, 4. Braccialetto 2

aababb, bbabaa
ababba, babaab
babbaa, abaabb
abbaab, baabba
bbaaba, aabbab
baabab, abbaba
---

Collana 5. Braccialetto 3
ababab, bababa

4. Generalizziamo

a) ...

b) ...

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Pace e bene a tutti.

GfBo


Data creazione: giugno 2021

Ultimo aggiornamento: giugno 2021

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