Permutation and combination in python

Комбинаторика в Python

Стандартная библиотека python, начиная с версии 2.2, предоставляет множество средств для генерирования комбинаторных объектов, но в интернете мне не удалось найти ни одной статьи, которая подробно рассказывала бы о работе с ними. Поэтому я решил исправить это упущение.

Начну с того, что расскажу о комбинаторике и ее основных формулах. Если же вы уже знакомы с этим разделом математики — можете пропустить эти абзацы.

Допустим, у нас есть строка, состоящая из n разных букв и мы хотим вычислить все способы переставить эти буквы местами так, чтобы получить новую строку. На первую позицию в строке мы можем выбрать одну из n букв, имеющихся у нас, на вторую позицию одну из n-1-ой буквы и так далее. В итоге получаем произведение n (n-1)… *1 = n! количество перестановок из n элементов без повторений.

Теперь представим, что количество букв в строке ограничено. У нас есть n доступных букв и мы хотим вычислить количество способов составить из них строку длины k, где k < n, каждую букву мы можем использовать лишь единожды. Тогда на первую позицию в строке мы можем поставить одну из n букв, на вторую позицию одну из n-1 буквы и на k-ую позицию одну из n-k+1 буквы. Общее количество строк будет равно n (n — 1) (n — 2) … (n — k + 2) (n — k + 1) = n!/(n-k)! количество размещений из n по k. Если же уникальность букв не требуется, то мы получим формулу n. nn = n^k количество размещений из n по k с повторениями.

Рассмотрим случай посложнее, у нас есть n коробок каждая из которых содержит множество конфет одного вкуса, но в разных коробках вкусы разные. Сколько существует способов составить подарок другу из k конфет, при чем один и тот же вкус может встречаться любое количество раз? Так как порядок для нас значения не имеет, давайте разложим подарочные сладости следующим образом: в начале будут лежать последовательно конфеты первого вкуса, затем второго и так далее, а между конфетами разных вкусов положим спички, если конфеты какого-то вкуса отсутствуют в нашем подарке — спички, которые должны были окаймлять этот вкус слева и справа будут стоять рядом. Того у нас получится последовательность, состоящая из k конфет и n-1 спички, ибо вкусов всего n, а спички разделяют их. Теперь заметим, что по расположению спичек, мы можем восстановить исходное множество. Тогда ответом будет количество способов разместить n-1 спичку в n+k-1 ячейку без учета порядка, что равно количеству сочетаний из n+k-1 по n-1, формула: количество сочетаний из n по k с повторениями.

Теперь рассмотрим несколько задач на комбинаторику, чтобы закрепить материал.

Задача 1

Есть 20 человек, сколько существует способов разбить их на пары
Решение: возьмем первого человека, сколько существует способов выбрать ему пару: , возьмем второго человека, сколько существует способов выбрать ему пару: . Ответ: 19. = 654729075

Задача 2

Есть 10 мужчин и 10 девушек, сколько существует способов разбить их на компании, состоящие из одинакового количества и мужчин и девушек, пустая компания не считается
Решение:
Cпособ 1: количество способов собрать компанию из одного мужчины и одной девушки равно произведению количества способов выбрать одну девушку и количества способов выбрать одного мужчину. Количество способов выбрать одну девушку из 10 равно сочетанию из 10 по 1 без повторений, с мужчинами аналогично, поэтому возведем в квадрат. Далее аналогично вычислим сочетания из 10 по 2, из 10 по 3 и так далее до сочетания из 10 по 10. Итоговая формула: .
Способ 2: рассмотрим множество мужчин, входящих в компанию и множество девушек, не входящих в нее. По этому множеству можно однозначно восстановить компанию, а количество людей в нем всегда равно 10, так как , k — количество мужчин в компании, — количество девушек, не вошедших в нее. Количество таких множеств равно количеству сочетаний из 20 по 10, в конечном ответе мы также вычтем единицу, чтобы не учитывать пустую компанию, когда в нашем множестве 10 девушек. Итоговая формула: .

Итак, мы разобрались с теорией, теперь научимся генерировать комбинаторные объекты с помощью стандартной библиотеки python.
Работать мы будем с библиотекой itertools

С помощью функции permutations можно сгенерировать все перестановки для итерируемого объекта.

Пример 1

for i in permutations('abc'): print(i, end=' ') # abc acb bac bca cab cba print() for i in permutations('abb'): print(i, end=' ') # abb abb bab bba bab bba 

Исходя из второго вызова заметим, что одинаковые элементы, стоящие на разных позициях, считаются разными.

Пример 2

for i in permutations('abc', 2): print(i, end=' ') # ab ac ba bc ca cb 

Размещение отличается от перестановки ограничением на количество доступных ячеек

Пример 3

for i in product('abc', repeat=2): print(i, end=' ') # aa ab ac ba bb bc ca cb cc

C помощью размещений с повторениями можно легко перебрать все строки фиксированной длины, состоящие из заданных символов

Пример 4

for i in combinations('abcd', 2): print(i, end=' ') # ab ac ad bc bd cd 

С помощью сочетаний без повторений можно перебрать все наборы не повторяющихся букв из заданной строки, массива или другого итерируемого объекта без учета порядка

Пример 5

for i in combinations_with_replacement('abcd', 2): print(i, end=' ') # aa ab ac ad bb bc bd cc cd dd 

Результат аналогичен вызову combinations, но в результат также добавлены множества с одинаковыми элементами.

Материалы:
Н.В. Горбачев «Сборник олимпиадных задач по математике»
Документация по python на русском

Источник

Permutations and Combinations in Python

While we believe that this content benefits our community, we have not yet thoroughly reviewed it. If you have any suggestions for improvements, please let us know by clicking the “report an issue“ button at the bottom of the tutorial.

• Combination is a collection of the elements where the order doesn’t matter
• Permutation is an arrangement of a set where the order does matter.

The permutations of the above set are as follows :

('A', 'B', 'C') ('A', 'C', 'B') ('B', 'A', 'C') ('B', 'C', 'A') ('C', 'A', 'B') ('C', 'B', 'A') 

The combinations of the above set when two elements are taken together are :

In this tutorial, we will learn how to get the permutations and combinations of a group of elements in Python. We will look at sets of characters and numbers.

We will be using the combinations() and permutations() methods under the itertools module of Python.

Permutations of Numeric data

To use the permutations() method under itertools module we will first need to import the module.

Now let’s define a set of numbers.

Now too get the list of permutations let’s use the permutations() method.

perm_set = itertools.permutations(val) 

The line of code above gives an itertools object. To print the different permutations we will iterate over this object.

1 2 3 4 1 2 4 3 1 3 2 4 1 3 4 2 1 4 2 3 1 4 3 2 2 1 3 4 2 1 4 3 2 3 1 4 2 3 4 1 2 4 1 3 2 4 3 1 3 1 2 4 3 1 4 2 3 2 1 4 3 2 4 1 3 4 1 2 3 4 2 1 4 1 2 3 4 1 3 2 4 2 1 3 4 2 3 1 4 3 1 2 4 3 2 1 

The complete code for this section is given below :

import itertools val = [1, 2, 3, 4] perm_set = itertools.permutations(val) for i in perm_set: print(i) 

Permutations of a String

Next we will learn how to get the permutations of characters in a string.

We will be using the permutations() method, but this time we will pass a string as an argument.

import itertools s = "ABC" perm_set = itertools.permutations(s) for val in perm_set: print(val) 

('A', 'B', 'C') ('A', 'C', 'B') ('B', 'A', 'C') ('B', 'C', 'A') ('C', 'A', 'B') ('C', 'B', 'A') 

Permutations of fixed length

We can find permutations of a set where we only take a specified number of elements in each permutation. This is similar to nPr in the field of mathematics.

The code for finding permutations of fixed length is given below:

import itertools val = [1, 2, 3, 4] perm_set = itertools.permutations(val,2) for i in perm_set: print(i) 

(1, 2) (1, 3) (1, 4) (2, 1) (2, 3) (2, 4) (3, 1) (3, 2) (3, 4) (4, 1) (4, 2) (4, 3) 

Combinations of Numeric data

Just like the method permutations(), we can use combinations(), also under itertools to get the combinations of a set.

While calling combinations() we need to pass two arguments, the set for finding combinations of and a number that signifies the length of each combination.

import itertools val = [1, 2, 3, 4] com_set = itertools.combinations(val, 2) for i in com_set: print(i) 

Combinations of a String

We can also get combinations of a string. To get the combinations of a string, use the following piece of code :

import itertools s = "ABC" com_set = itertools.combinations(s, 2) for i in com_set: print(i) 

Combinations with replacements

There is another method under the itertools module called combinations_with_replacement(). This method takes under consideration the combination of a number with itself as well.

For numeric set

import itertools val = [1, 2, 3, 4] com_set = itertools.combinations_with_replacement(val, 2) for i in com_set: print(i) 

(1, 1) (1, 2) (1, 3) (1, 4) (2, 2) (2, 3) (2, 4) (3, 3) (3, 4) (4, 4) 

You can see the difference in the output above and the output for the operation of a normal combination. Here we have combinations like (1,1) and (2,2) which are not there in regular combinations operation.

For a string

import itertools val = "ABCD" com_set = itertools.combinations_with_replacement(val, 2) for i in com_set: print(i) 

('A', 'A') ('A', 'B') ('A', 'C') ('A', 'D') ('B', 'B') ('B', 'C') ('B', 'D') ('C', 'C') ('C', 'D') ('D', 'D') 

Conclusion

This tutorial was about finding permutations and combinations of a set in python. We used itertools module available in python to find the permutations and combinations.

Thanks for learning with the DigitalOcean Community. Check out our offerings for compute, storage, networking, and managed databases.

Источник