Kombinatorial dan Peluang Diskret Matematika Diskret (TKE072107) Program Studi Teknik Elektro, Unsoed

Transkripsi

1 Kombinatorial dan Peluang Diskret Matematika Diskret (TKE072107) Program Studi Teknik Elektro, Unsoed Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Tahun Ajaran 2012/2013

2 Kombinatorial: cabang matematika yang mempelajari pengaturan kumpulan objek.

3 Jumlah cara pengaturan sekumpulan objek dalam himpunannya.

4 Contoh Masalah Berapa banyak nomor plat mobil yang dapat dibuat dengan digit pertama huruf, diikuti 5 angka, dan angka pertama tidak boleh 0? Berapa banyak kata sandi yang dapat dibuat dengan panjang 6-8 karakter, berupa huruf atau angka?

5 Contoh Masalah Berapa banyak nomor plat mobil yang dapat dibuat dengan digit pertama 1 huruf, diikuti 5 angka, dan angka pertama tidak boleh 0? Berapa banyak kata sandi yang dapat dibuat dengan panjang 6-8 karakter, berupa huruf atau angka?

6 abcdef bcdefg vwku20... akucakep m4kank0l... z14pgr4k...

7 Melakukan enumerasi kemungkinan.

8 Cocok untuk masalah yang kecil, musibah untuk masalah yang besar.

9 Kaidah menghitung.

10 Kombinatorial didasarkan pada hasil yang diperoleh dari sebuah percobaan.

11 Percobaan mempunyai hasil yang dapat diamati.

12 Melempar koin, memilih ketua, menyusun jumlah kata dengan panjang 8 huruf,...

13 Kaidah Dasar Menghitung

14 Kita harus menghitung semua kemungkinan pengaturan obyek.

15 Kaidah Dasar Menghitung 1) Kaidah perkalian, rule of product Bila percobaan 1 mempunyai p kemungkinan hasil, percobaan 2 mempunyai q kemungkinan hasil. Bila percobaan 1 dan 2 dilakukan, maka akan terdapat p x q kemungkinan hasil percobaan. 2) Kaidah penjumlahan, rule of sum Bila percobaan 1 mempunyai p kemungkinan hasil, percobaan 2 mempunyai q kemungkinan hasil. Bila hanya 1 percobaan saja yang dilakukan, percobaan 1 atau percobaan 2, maka akan terdapat p + q kemungkinan hasil percobaan.

16 Berapa banyak cara memilih satu orang ketua, laki-laki atau perempuan, jika terdapat 60 orang laki-laki dan 25 orang perempuan?

17 = 85 cara

18 Berapa banyak cara memilih perwakilan 1 mahasiswa dan 1 mahasiswi dari 45 orang mahasiswa dan 12 orang mahasiswi?

19 45 x 12 = 540 cara

20 Kursi-kursi dalam ruang seminar akan diberi nomor dengan sebuah huruf diikuti dengan bilangan bulat positif yang tidak lebih dari 25. Berapa jumlah maksimum kursi yang dapat diberi nomor?

21 Perluasan Kaidah Menghitung Kita ingin menggunakan kaidah menghitung untuk lebih dari 2 percobaan, p i Jika n buah percobaan masing-masing memiliki p 1, p 2, p 3,, p n hasil, maka jumlah kemungkinan hasil adalah: p 1 x p 2 x p 3 x x p n untuk kaidah perkalian p 1 + p 2 + p p n untuk kaidah penjumlahan

22 Berapa banyak string biner yang dapat dibentuk jika panjang string: a) 5 bit b) 1 byte Jawaban: a) 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 32 buah b) 2 8 = 256 buah

23 Berapa banyak string biner yang dapat dibentuk jika panjang string: a) 5 bit b) 1 byte Jawaban: a) 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 32 buah b) 2 8 = 256 buah

24 Prinsip Inklusi-Eksklusi

25 Setiap byte disusun oleh 8-bit. Berapa banyak jumlah byte yang dimulai dengan 11 atau berakhir dengan 11? Penyelesaian: Misalkan A = himpunan byte yang dimulai dengan 11, B = himpunan byte yang diakhiri dengan 11 A B = himpunan byte yang berawal dan berakhir dengan 11 maka A B = himpunan byte yang berawal dengan 11 atau berakhir dengan 11 A = 2 6 = 64, B = 2 6 = 64, A B = 2 4 = 16. maka A B = A + B A B = = = 112.

26 Setiap byte disusun oleh 8-bit. Berapa banyak jumlah byte yang dimulai dengan 11 atau berakhir dengan 11? Penyelesaian: Misalkan A = himpunan byte yang dimulai dengan 11, B = himpunan byte yang diakhiri dengan 11 A B = himpunan byte yang berawal dan berakhir dengan 11 maka A B = himpunan byte yang berawal dengan 11 atau berakhir dengan 11 A = 2 6 = 64, B = 2 6 = 64, A B = 2 4 = 16. maka A B = A + B A B = = = 112.

27 Permutasi

28 Permutasi: jumlah urutan berbeda dari pengaturan objek-objek.

29 Bola: Kotak: m b p Berapa jumlah urutan berbeda yang mungkin dibuat? dari penempatan bola ke dalam kotak-kotak tersebut?

30 Bola: Kotak: m b p Berapa jumlah urutan berbeda yang mungkin dibuat dari penempatan bola ke dalam kotak-kotak tersebut?

31 Kotak 1 Kotak 2 Kotak 3 Urutan b p mbp m p b mpb m p bmp b p m bpm m b pmb p b m pbm Jumlah kemungkinan urutan berbeda dari penempatan bola ke dalam kotak adalah (3)(2)(1) = 3! = 6.

32 Permutasi adalah bentuk khusus dari perkalian.

33 Jika jumlah objek n buah, maka.. Urutan pertama dipilih dari n objek Urutan kedua dipilih dari n-1 objek Urutan ketiga dipilih dari n-2 objek... Dan urutan terakhir dipilih dari 1 objek tersisa Menurut kaidah perkalian, permutasi dari n objek adalah n(n-1)(n-2) (2)(1) = n!

34 Berapa banyak kata yang dapat dibentuk dari kata HAPUS?

35 (5)(4)(3)(2)(1) = 120 buah kata

36 Permutasi 5 dari 5 objek P(5,5) = 5! = 120 buah kata

37 Berapa banyak cara mengurutkan nama 14 orang mahasiswi?

38 P(14,14) = 14! =...

39 Permutasi r dari n Objek Terdapat 6 buah bola yang berbeda warna dan 3 kotak. Masing-masing kotak hanya boleh diisi 1 buah bola. Berapa jumlah urutan berbeda yang mungkin dibuat? Bola: m b p h k j Kotak: Ada n buah bola dan r kotak, dimana r n. n(n-1)(n-2) (n-(r-1)) (6)(5)(4) = 120 buah

40 Definisi 2. Permutasi r dari n elemen adalah jumlah kemungkinan urutan r buah elemen yang dipilih dari n buah elemen, dengan r n, yang dalam hal ini, pada setiap kemungkinan urutan tidak ada elemen yang sama. P ( n, r) = n( n 1)( n 2)...( n ( r 1)) = n! ( n r)!

41 Kombinasi

42 Bentuk khusus dari permutasi.

43 Pada kombinasi, urutan kemunculan diabaikan.

44 Jika ada 2 buah bola yang berwarna sama diminta untuk dimasukkan ke 3 kotak dan setiap kotak hanya dapat dimasuki 1 bola.

45 a a b b sama b b a a a a b hanya 3 cara sama b b a b a a a b b sama b b a 1 2 3

46 Jika ada 2 buah bola yang berwarna sama diminta untuk dimasukkan ke 3 kotak dan setiap kotak hanya dapat dimasuki 1 bola. Jumlah cara memasukkan bola ke dalam kotak = 3! P (3,2) (3,2) 1! (3)(2) = P = = 2 2! 2! 2 = 3.

47 Bila sekarang jumlah bola 3 dan jumlah kotak 10, maka jumlah cara memasukkan bola ke dalam kotak adalah 10! P(10,3) 7! (10)(9)(8) = = 3! 3! 3! karena ada 3! cara memasukkan bola yang warnanya sama. Secara umum, jumlah cara memasukkan r buah bola yang berwarna sama ke dalam n buah kotak adalah n( n 1)( n 2)...( n r! ( r 1)) = n! r!( n r)! n = C(n, r) atau r n diambil r

48 Bila sekarang jumlah bola 3 dan jumlah kotak 10, maka jumlah cara memasukkan bola ke dalam kotak adalah 10! P(10,3) 7! (10)(9)(8) = = 3! 3! 3! karena ada 3! cara memasukkan bola yang warnanya sama. Secara umum, jumlah cara memasukkan r buah bola yang berwarna sama ke dalam n buah kotak adalah n( n 1)( n 2)...( n r! ( r 1)) = n! r!( n r)! n = C(n, r) atau r n diambil r

49 Bila sekarang jumlah bola 3 dan jumlah kotak 10, maka jumlah cara memasukkan bola ke dalam kotak adalah 10! P(10,3) 7! (10)(9)(8) = = 3! 3! 3! karena ada 3! cara memasukkan bola yang warnanya sama. Secara umum, jumlah cara memasukkan r buah bola yang berwarna sama ke dalam n buah kotak adalah n( n 1)( n 2)...( n r! ( r 1)) = n! r!( n r)! n = C(n, r) atau r n diambil r

50 Kombinasi r elemen dari n elemen adalah jumlah pemilihan yang tidak terurut r elemen yang diambil dari n buah elemen.

51 Interpretasi Kombinasi 1. C(n, r) = banyaknya himpunan bagian yang terdiri dari r elemen yang dapat dibentuk dari himpunan dengan n elemen. Misalkan A = {1, 2, 3} Jumlah Himpunan bagian dengan 2 elemen: {1, 2} = {2, 1} {1, 3} = {3, 1} 3 buah {2, 3} = {3, 2} 3 3! 3! atau = = = 3 2 (3 2)!2! 1!2! buah

52 2. C(n, r) = cara memilih r buah elemen dari n buah elemen yang ada, tetapi urutan elemen di dalam susunan hasil pemilihan tidak penting. Contoh: Berapa banyak cara membentuk panitia (komite, komisi, dsb) yang beranggotakan 5 orang orang dari sebuah fraksi di DPR yang beranggotakan 25 orang? Penyelesaian: Panitia atau komite adalah kelompok yang tidak terurut, artinya setiap anggota di dalam panitia kedudukannya sama. Misal lima orang yang dipilih, A, B, C, D, dan E, maka urutan penempatan masing-masingnya di dalam panitia tidak penting (ABCDE sama saja dengan BACED, ADCEB, dan seterusnya). Banyaknya cara memilih anggota panitia yang terdiri dari 5 orang anggota adalah C(25,5) = cara.

53 2. C(n, r) = cara memilih r buah elemen dari n buah elemen yang ada, tetapi urutan elemen di dalam susunan hasil pemilihan tidak penting. Contoh: Berapa banyak cara membentuk panitia (komite, komisi, dsb) yang beranggotakan 5 orang orang dari sebuah fraksi di DPR yang beranggotakan 25 orang? Penyelesaian: Panitia atau komite adalah kelompok yang tidak terurut, artinya setiap anggota di dalam panitia kedudukannya sama. Misal lima orang yang dipilih, A, B, C, D, dan E, maka urutan penempatan masing-masingnya di dalam panitia tidak penting (ABCDE sama saja dengan BACED, ADCEB, dan seterusnya). Banyaknya cara memilih anggota panitia yang terdiri dari 5 orang anggota adalah C(25,5) = cara.

54 2. C(n, r) = cara memilih r buah elemen dari n buah elemen yang ada, tetapi urutan elemen di dalam susunan hasil pemilihan tidak penting. Contoh: Berapa banyak cara membentuk panitia (komite, komisi, dsb) yang beranggotakan 5 orang orang dari sebuah fraksi di DPR yang beranggotakan 25 orang? Penyelesaian: Panitia atau komite adalah kelompok yang tidak terurut, artinya setiap anggota di dalam panitia kedudukannya sama. Misal lima orang yang dipilih, A, B, C, D, dan E, maka urutan penempatan masing-masingnya di dalam panitia tidak penting (ABCDE sama saja dengan BACED, ADCEB, dan seterusnya). Banyaknya cara memilih anggota panitia yang terdiri dari 5 orang anggota adalah C(25,5) = cara.

55 Permutasi dan Kombinasi Bentuk Umum

56 Misalkan: ada n buah bola yang tidak seluruhnya berbeda warna (jadi, ada beberapa bola yang warnanya sama - indistinguishable). n 1 bola diantaranya berwarna 1, n 2 bola diantaranya berwarna 2, n k bola diantaranya berwarna k, dan n 1 + n n k = n. Berapa jumlah cara pengaturan n buah bola ke dalam kotak-kotak tersebut (tiap kotak maks. 1 buah bola)?

57 Jika n buah bola itu kita anggap berbeda semuanya, maka jumlah cara pengaturan n buah bola ke dalam n buah kotak adalah: P(n, n) = n!. Dari pengaturan n buah bola itu, ada n 1! cara memasukkan bola berwarna 1 ada n 2! cara memasukkan bola berwarna 2 ada n k! cara memasukkan bola berwarna k Permutasi n buah bola yang mana n 1 diantaranya berwarna 1, n 2 bola berwarna 2,, n k bola berwarna k adalah: P( n, n) P ( n; n, n,..., n ) = = 1 2 k n! n!... n! n 1 2 k 1 n!! n!... n 2 k!

58 Jika n buah bola itu kita anggap berbeda semuanya, maka jumlah cara pengaturan n buah bola ke dalam n buah kotak adalah: P(n, n) = n!. Dari pengaturan n buah bola itu, ada n 1! cara memasukkan bola berwarna 1 ada n 2! cara memasukkan bola berwarna 2 ada n k! cara memasukkan bola berwarna k Permutasi n buah bola yang mana n 1 diantaranya berwarna 1, n 2 bola berwarna 2,, n k bola berwarna k adalah: P( n, n) P ( n; n, n,..., n ) = = 1 2 k n! n!... n! n 1 2 k 1 n!! n!... n 2 k!

59 Jika n buah bola itu kita anggap berbeda semuanya, maka jumlah cara pengaturan n buah bola ke dalam n buah kotak adalah: P(n, n) = n!. Dari pengaturan n buah bola itu, ada n 1! cara memasukkan bola berwarna 1 ada n 2! cara memasukkan bola berwarna 2 ada n k! cara memasukkan bola berwarna k Permutasi n buah bola yang mana n 1 diantaranya berwarna 1, n 2 bola berwarna 2,, n k bola berwarna k adalah: P( n, n) P ( n; n, n,..., n ) = = 1 2 k n! n!... n! n 1 2 k 1 n!! n!... n 2 k!

60 Jumlah cara pengaturan seluruh bola kedalam kotak adalah: C(n; n 1, n 2,, n k ) = C(n, n 1 ) C(n n 1, n 2 ) C(n n 1 n 2, n 3 ) C(n n 1 n 2 n k-1, n k ) n! ( n n )! 1 = n!( n n )! 1 1 n!( n n n )! ( n n n )! 1 2 n!( n n n n )! k ( n n n... n )! 1 2 k 1 n!( n n n... n n k 1 2 k 1 k )! = n! n 1 2 n!! n!... 3 n k

61 Kesimpulan: P ( n; n, n,..., n ) = C( n; n, n,..., n ) = 1 2 k 1 2 k n! n! n!... n 1 2 k!

62 Contoh 10. Berapa banyak kata yang dapat dibentuk dengan menggunakan huruf-huruf dari kata MISSISSIPPI? Penyelesaian: S = {M, I, S, S, I, S, S, I, P, P, I} huruf M = 1 buah (n 1 ) huruf I = 4 buah (n 2 ) huruf S = 4 buah (n 3 ) huruf P = 2 buah (n 4 ) n = = 11 buah = S Cara 1: Jumlah string = P(11; 1, 4, 4, 2) 11! = = 34650buah. (1!)(4!)(4!)(2!) Cara 2: Jumlah string = C(11, 1)C(10, 4)C(6, 4)C(2, 2) 11! 10! 6! 2! =... (1!)(10!) (4!)(6!) (4!)(2!) (2!)(0!) 11! = (1!)(4!)(4!)(2!) = buah

63 Contoh 10. Berapa banyak kata yang dapat dibentuk dengan menggunakan huruf-huruf dari kata MISSISSIPPI? Penyelesaian: S = {M, I, S, S, I, S, S, I, P, P, I} huruf M = 1 buah (n 1 ) huruf I = 4 buah (n 2 ) huruf S = 4 buah (n 3 ) huruf P = 2 buah (n 4 ) n = = 11 buah = S Cara 1: Jumlah string = P(11; 1, 4, 4, 2) 11! = = 34650buah. (1!)(4!)(4!)(2!) Cara 2: Jumlah string = C(11, 1)C(10, 4)C(6, 4)C(2, 2) 11! 10! 6! 2! =... (1!)(10!) (4!)(6!) (4!)(2!) (2!)(0!) 11! = (1!)(4!)(4!)(2!) = buah

64 Contoh 10. Berapa banyak kata yang dapat dibentuk dengan menggunakan huruf-huruf dari kata MISSISSIPPI? Penyelesaian: S = {M, I, S, S, I, S, S, I, P, P, I} huruf M = 1 buah (n 1 ) huruf I = 4 buah (n 2 ) huruf S = 4 buah (n 3 ) huruf P = 2 buah (n 4 ) n = = 11 buah = S Cara 1: Jumlah string = P(11; 1, 4, 4, 2) 11! = = 34650buah. (1!)(4!)(4!)(2!) Cara 2: Jumlah string = C(11, 1)C(10, 4)C(6, 4)C(2, 2) 11! 10! 6! 2! =... (1!)(10!) (4!)(6!) (4!)(2!) (2!)(0!) 11! = (1!)(4!)(4!)(2!) = buah

65 Kombinasi dengan Pengulangan

66 Misalkan terdapat r buah bola yang semua warnanya sama dan n buah kotak. (i) Masing-masing kotak hanya boleh diisi paling banyak satu buah bola. Jumlah cara memasukkan bola: C(n, r). (ii) Masing-masing kotak boleh lebih dari satu buah bola (tidak ada pembatasan jumlah bola) Jumlah cara memasukkan bola: C(n + r 1, r). C(n + r 1, r) = C(n + r 1, n 1).

67 Contoh 13. Pada persamaan x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 12, x i adalah bilangan bulat 0. Berapa jumlah kemungkinan solusinya? Penyelesaian: Analogi: 12 buah bola akan dimasukkan ke dalam 4 buah kotak (dalam hal ini, n = 4 dan r = 12). Bagilah keduabelas bola itu ke dalam tiap kotak. Misalnya, Kotak 1 diisi 3 buah bola (x 1 = 3) Kotak 2 diisi 5 buah bola (x 2 = 5) Kotak 3 diisi 2 buah bola (x 3 = 2) Kotak 4 diisi 2 buah bola (x 4 = 2) x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = = 12 Ada C( , 12) = C(15, 12) = 455 buah solusi.

68 Contoh 13. Pada persamaan x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 12, x i adalah bilangan bulat 0. Berapa jumlah kemungkinan solusinya? Penyelesaian: Analogi: 12 buah bola akan dimasukkan ke dalam 4 buah kotak (dalam hal ini, n = 4 dan r = 12). Bagilah keduabelas bola itu ke dalam tiap kotak. Misalnya, Kotak 1 diisi 3 buah bola (x 1 = 3) Kotak 2 diisi 5 buah bola (x 2 = 5) Kotak 3 diisi 2 buah bola (x 3 = 2) Kotak 4 diisi 2 buah bola (x 4 = 2) x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = = 12 Ada C( , 12) = C(15, 12) = 455 buah solusi.

69 Contoh 13. Pada persamaan x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = 12, x i adalah bilangan bulat 0. Berapa jumlah kemungkinan solusinya? Penyelesaian: Analogi: 12 buah bola akan dimasukkan ke dalam 4 buah kotak (dalam hal ini, n = 4 dan r = 12). Bagilah keduabelas bola itu ke dalam tiap kotak. Misalnya, Kotak 1 diisi 3 buah bola (x 1 = 3) Kotak 2 diisi 5 buah bola (x 2 = 5) Kotak 3 diisi 2 buah bola (x 3 = 2) Kotak 4 diisi 2 buah bola (x 4 = 2) x 1 + x 2 + x 3 + x 4 = = 12 Ada C( , 12) = C(15, 12) = 455 buah solusi.

70 Koefisien Binomial

71 (x + y) 0 = 1 1 (x + y) 1 = x + y 1 1 (x + y) 2 = x 2 + 2xy + y (x + y) 3 = x 3 + 3x 2 y + 3xy 2 + y (x + y) 4 = x 4 + 4x 3 y + 6x 2 y 2 + 4xy 3 + y (x + y) 5 = x 5 + 5x 4 y + 10x 3 y x 2 y 3 + 5xy 4 + y (x + y) n = C(n, 0) x n + C(n, 1) x n-1 y C(n, k) x n-k y k + + n C(n, n) y n = C ( n, k) x n-k y k k= 0 Koefisien untuk x n-k y k adalah C(n, k). Bilangan C(n, k) disebut koefisien binomial.

72 Contoh 15. Jabarkan (3x - 2) 3. Penyelesaian: Misalkan a = 3x dan b = -2, (a + b) 3 = C(3, 0) a 3 + C(3, 1) a 2 b 1 + C(3, 2) a 1 b 2 + C(3, 3) b 3 = 1 (3x) (3x) 2 (-2) + 3 (3x) (-2) (-2) 3 = 27 x 3 54x x 8

73 Contoh 15. Jabarkan (3x - 2) 3. Penyelesaian: Misalkan a = 3x dan b = -2, (a + b) 3 = C(3, 0) a 3 + C(3, 1) a 2 b 1 + C(3, 2) a 1 b 2 + C(3, 3) b 3 = 1 (3x) (3x) 2 (-2) + 3 (3x) (-2) (-2) 3 = 27 x 3 54x x 8

74 Referensi Munir, R Kombinatorial, Presentasi Munir, R Matematika Diskret, Edisi Ketiga, Penerbit Informatika