Una persona puede pertenecer a dos grupos: si sumamos sus tamaños, la contamos dos veces. Otras veces no conocemos el reparto, pero sabemos que no caben todos los objetos sin compartir categoría. Vamos a separar estas dos preguntas: contar exactamente una unión y demostrar una coincidencia que nadie puede evitar.
1. En una unión, quien está en ambos grupos debe contar una sola vez
A∪B significa pertenecer a A o a B, permitiendo pertenecer a los dos. A∩B significa pertenecer a ambos. Al sumar |A|+|B|, un elemento de la intersección aparece dos veces; restar |A∩B| deja una sola copia.
“Al menos uno” pide la unión. “Exactamente uno” excluye a quienes pertenecen a ambos: su cantidad es |A|+|B|−2|A∩B|. El dibujo permite seguir a una persona de cada región y comprobar cuántas veces la cuenta cada fórmula.
Corregir las nueve personas duplicadas
De cuarenta personas, 22 pertenecen a A, 17 a B y 9 a ambos.
Suma inicial
22+17=39 cuenta dos veces a las nueve de la intersección.
Quitar una copia
39−9=30 personas pertenecen al menos a uno.Exactamente uno
Se quitan además las nueve que están en ambos: 30−9=21.
La unión tiene 30 y exactamente uno tiene 21.
Los diez restantes de las cuarenta personas están fuera de ambos conjuntos.
Comprobar con una lista pequeña
A={1,2,3,4} y B={3,4,5}.
Intersección
A∩B={3,4}, de tamaño dos.Unión
A∪B={1,2,3,4,5}; 4+3−2=5.Exactamente uno
{1,2,5}; 4+3−2·2=3.
El 3 y el 4 cuentan una vez en la unión y ninguna en exactamente uno.
Escribir las regiones pequeñas permite detectar si se ha restado una o dos veces la intersección.
2. Partir en regiones disjuntas también comprueba si los datos son posibles
Las cuatro regiones son solo A, ambos, solo B y ninguno.
Deben ser enteros no negativos y sumar |U|. No hace falta suponer un reparto aleatorio.
La cota superior impide que “ambos” supere un grupo entero; la inferior impide que la unión desborde el universo. Un dibujo ayuda, pero las áreas dibujadas no sustituyen estas cantidades.
Reconstruir las cuatro regiones del dibujo
U tiene 40 personas, |A|=22, |B|=17 y c=9.
Solo A y solo B
22−9=13;17−9=8.Ambos y ninguno
Ambos:9.
Ninguno:40−22−17+9=10.Total
13+9+8+10=40.
Las regiones 13,9,8,10 forman una partición coherente.
Son las cantidades que se suman sin duplicar personas.
Unos datos incompatibles no se arreglan con una fórmula
U tiene 30 elementos; A tiene 20, B tiene 18 y se afirma que ambos solo tienen 5.
Unión propuesta
20+18−5=33, mayor que 30.Región imposible
Ninguno sería 30−33=−3.Cota correcta
La intersección debe ser al menos 20+18−30=8.
Esos tamaños no pueden corresponder a conjuntos dentro de ese universo.
También debe cumplirse c≤18; la intersección admisible estaría entre 8 y 18, no en 5.
3. Con tres conjuntos, la intersección triple se añade al final
Para A, B, C sumamos sus tamaños, restamos |A∩B|, |A∩C| y |B∩C| y añadimos |A∩B∩C|. Un elemento que está en los tres se sumó tres veces y se restó tres: quedó cero y necesita volver a contarse una vez.
Las intersecciones dobles incluyen a quienes están también en el tercero. No significan “exactamente esos dos”. Si la triple tiene tamaño t, exactamente A y B sin C tiene tamaño |A∩B|−t. Dibujar regiones o comprobar pertenencias evita confundir esos dos datos.
Calcular una unión de tres grupos
|A|=20,|B|=18,|C|=16; |A∩B|=9,|A∩C|=7,|B∩C|=6; la triple tiene 3.
Individuales
20+18+16=54.Dobles
9+7+6=22; al restarlas queda 32.Triple
32+3=35.
La unión tiene 35 elementos.
Quienes pertenecen a los tres aportan 3−3+1=1 copia cada uno.
Separar exactamente dos de al menos dos
Usamos los tamaños anteriores, con triple t=3.
Exactamente cada pareja
A y B solos:9−3=6; A y C solos:7−3=4; B y C solos:6−3=3.Exactamente dos
6+4+3=13.Al menos dos
Se añade la triple una vez:13+3=16.
Exactamente dos da 13; al menos dos da 16.
Sumar directamente 9+7+6 contaría tres veces a cada miembro de la triple.
4. Los signos alternos funcionan porque cada elemento termina contado una vez
Para r conjuntos finitos se suman las intersecciones simples, se restan las dobles, se añaden las triples y se continúa. Cada selección de índices se cuenta una vez, sin distinguir órdenes. Para un elemento que pertenece a s≥1 conjuntos, la contribución es C(s,1)−C(s,2)+⋯+(−1)ˢ⁺¹C(s, s).
El binomio 0=(1−1)ˢ=1−C(s,1)+C(s,2)−⋯ demuestra que esa contribución es uno. Un elemento fuera de la unión contribuye cero. Esta cuenta elemento a elemento prueba la regla general. Omitir intersecciones de orden alto sin saber que son vacías puede cambiar el resultado.
Comprobar un elemento presente en cuatro conjuntos
Nos centramos en una sola persona que pertenece a cuatro categorías.
Apariciones
Aporta 4 a la suma individual y −C(4,2)=−6 a la doble.Completar
Aporta +C(4,3)=+4 a la triple y −1 a la cuádruple.Total
4−6+4−1=1.
Los signos alternos dejan una copia de esa persona.
Detenerse en las dobles daría −2 copias: no sería un conteo válido.
Permutaciones sin ningún punto fijo
Cuatro objetos distintos van a cuatro posiciones. Prohibimos que algún objeto ocupe su posición inicial.
Universo
Hay 4!=24 permutaciones.Propiedades prohibidas
Fijar un objeto deja 3!=6; fijar una pareja deja 2!=2; fijar tres o cuatro deja una.
Complemento
24−C(4,1)6+C(4,2)2−C(4,3)1+C(4,4)1=24−24+12−4+1=9.
Hay nueve desarreglos de cuatro objetos.
Las selecciones de objetos fijados son intersecciones; no se exige que los demás dejen de estar fijos al contarlas.
5. Contar lo permitido puede ser más fácil restando lo prohibido
Si U es el universo y Aᵢ describe una propiedad prohibida, los objetos válidos son U menos la unión de los Aᵢ. Las intersecciones cuentan varias infracciones simultáneas. El universo y las propiedades deben fijarse antes de aplicar la regla.
Entre 1 y M, los múltiplos de d son ⌊M/d⌋. Ser múltiplo de a y de b equivale a ser múltiplo del mínimo común múltiplo, no siempre de ab.
Los extremos forman parte del problema.
Excluir múltiplos sin contar dos veces los comunes
Enteros del 1 al 60 que no sean múltiplos de 4 ni de 6.
Cada prohibición
Hay 15 múltiplos de 4 y 10 de 6.
Ambas
Los comunes son múltiplos de mcm(4,6)=12: hay 5.
Restar unión
Prohibidos:15+10−5=20.Permitidos:60−20=40.
Hay 40 enteros permitidos.
Usar 24 en vez de 12 para la intersección perdería múltiplos comunes como el 12 y el 36.
Exigir que aparezcan los tres símbolos
Cadenas de longitud cuatro con símbolos A, B, C; cada uno debe aparecer al menos una vez.
Universo
Hay 3⁴=81 cadenas.Falta un símbolo
Cada prohibición deja 2⁴=16; hay tres.Faltar dos deja 1⁴=1; hay tres parejas.
Corregir
81−3·16+3·1=36; faltar los tres no produce ninguna cadena de longitud cuatro.
Hay 36 cadenas con los tres símbolos.
Cada una tiene un símbolo repetido dos veces: elegirlo y colocarlo da también 3·C(4,2)·2=36.
6. Si no cabe uno por caja, alguna caja comparte objetos
El principio del palomar dice: N objetos asignados a m cajas, con m≥1 y N>m, fuerzan una caja con al menos dos. Si todas tuviesen como máximo uno, cabrían a lo sumo m objetos, contradiciendo N>m. No requiere azar ni tamaños de cajas iguales.
Una caja es una categoría definida para cada objeto: un mes, un resto, una zona o un valor de una función. Debe haber una regla que asigne cada objeto a exactamente una caja. Una conclusión de coincidencia no identifica de antemano qué objetos ni qué caja compartirán.
Restos como cajas
Tomamos seis enteros cualesquiera y los clasificamos por su resto al dividir por cinco.
Cajas
Los restos posibles son 0,1,2,3,4: cinco cajas.
Objetos
Hay seis enteros y cada uno tiene un resto único.
Consecuencia
Dos comparten resto; su diferencia es múltiplo de cinco.
Existe una pareja congruente módulo cinco.
La conclusión es segura para cualquier lista, incluso si no sabemos cuál será la pareja.
La desigualdad tiene que ser estricta
Hay cuatro cajas y cuatro objetos.
Reparto posible
Se coloca uno en cada caja.
Resultado
No hay ninguna pareja en una misma caja.
Umbral
Un quinto objeto sí fuerza una caja con dos.
N=m no basta para garantizar repetición.
El reparto sin coincidencias es un contraejemplo que demuestra por qué se exige N>m.
7. El techo del promedio da la carga mínima que no puede evitarse
Si las cargas enteras son n₁,…, nₘ y suman N, alguna es al menos ⌈N/m⌉. Si todas fuesen como máximo ⌈N/m⌉−1, el total sería menor que N. El techo es el entero más pequeño mayor o igual al cociente; no se redondea al entero más cercano.
Para forzar una carga de al menos k, la condición equivalente es N>m(k−1). Con m(k−1) objetos aún podrían colocarse k−1 en cada caja. La garantía no impide que alguna reciba mucho más: “al menos” debe mantenerse al interpretar el resultado.
La decimotercera unidad no cabe en cuatro cajas de tres
Trece objetos en cuatro cajas.
Promedio
13/4=3,25.Techo
⌈3,25⌉=4.Contradicción
Cuatro cajas con tres o menos solo admiten 12.
Alguna caja tiene al menos cuatro objetos.
Puede contener cinco, diez o trece; no se asegura que su carga sea exactamente cuatro.
Calcular cuántos hacen falta para forzar cinco
Seis cajas y queremos asegurar una con al menos cinco objetos.
Capacidad sin llegar a cinco
Cada una tendría como máximo cuatro:6·4=24.
Primer exceso
Con 25 objetos se supera esa capacidad.
Mínimo
Con 24 se puede colocar cuatro en cada caja, así no bastaría.
Se necesitan al menos 25 objetos para esa garantía general.
La fórmula es m(k−1)+1=6·4+1, no m·k.
8. Demostrar que una garantía es óptima requiere construir un reparto
El argumento del techo prueba que una carga es inevitable. Para saber si puede forzarse una carga mayor con la misma información, buscamos un reparto que no la alcance.
El máximo es ⌈N/m⌉.
Así la cota es óptima sin restricciones adicionales. “Alguna caja” tampoco significa “una sola caja”: puede haber varias con la misma carga alta. El método produce una existencia y una cota, no una distribución exacta ni una probabilidad sobre repartos.
El dibujo alcanza justo la garantía
Trece objetos y cuatro cajas.
División
13=3·4+1.Construcción
Repartimos 4,3,3,3.
Imposibilidad de mejorar
No hay ninguna caja con cinco; por tanto no se puede garantizar cinco en todos los repartos.
Cuatro es la mejor garantía general posible.
Otro reparto, como 13,0,0,0, también respeta la garantía y muestra que el máximo real puede ser mucho mayor.
Puede haber varias cajas que alcancen el máximo
Veinte objetos y seis cajas.
División
20=3·6+2.Reparto equilibrado
4,4,3,3,3,3 suma 20.
Garantía
El techo es cuatro y hay dos cajas que lo alcanzan en este reparto.
Se garantiza alguna caja con cuatro, sin asegurar que sea única.
El ejemplo también demuestra que no puede garantizarse cinco sin información adicional.
9. Elegir bien las cajas convierte una coincidencia en la propiedad buscada
Las cajas se diseñan para que dos objetos dentro de una impliquen lo que queremos demostrar. Para congruencias usamos restos; para cercanía usamos intervalos cortos; para sumas consecutivas usamos restos de sumas parciales. Después hay que traducir la coincidencia de vuelta a la pregunta.
Al partir un intervalo, fijamos qué ocurre con los extremos para que cada punto tenga una caja única. En [0,1] podemos usar intervalos semiabiertos y cerrar el último en 1. Si una caja mide 1/m, dos puntos en ella distan a lo sumo 1/m; no afirmamos una desigualdad estricta sin revisar la caja de los extremos.
Cinco puntos obligan a dos cercanos
Cinco puntos de [0,1].
Cajas
[0,1/4),[1/4,1/2),[1/2,3/4),[3/4,1].
Coincidencia
Hay cinco puntos y cuatro intervalos: dos caen en el mismo.
Traducir
La longitud de cada intervalo es 1/4, así su distancia es a lo sumo 1/4.
Existen dos puntos cuya distancia no supera 1/4.
Se incluyó el punto 1 en la última caja; la distancia puede ser exactamente 1/4 allí.
Una suma consecutiva divisible por cinco
Tomamos cinco enteros a₁,…, a₅ y definimos S₀=0, S₁=a₁,…, S₅=a₁+⋯+a₅.
Objetos nuevos
Las seis sumas parciales tienen cinco restos posibles módulo cinco.
Palomar
Existen i<j con Sᵢ y Sⱼ del mismo resto.Restar
Sⱼ−Sᵢ=aᵢ₊₁+⋯+aⱼ es múltiplo de cinco; como i<j, el bloque no es vacío.
Algún bloque consecutivo no vacío tiene suma divisible por cinco.
El cero inicial es indispensable: permite cubrir también bloques que empiezan en a₁.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Dos idiomas
De 30 alumnos, 18 estudian inglés, 15 francés y 8 ambos. ¿Cuántos al menos uno?
Categorías
A: inglés; B: francés. Son treinta alumnos en total y ocho pertenecen a ambos.
Suma inicial
18+15=33 cuenta dos veces a los ocho de la intersección.
Corregir
33−8=25 estudian al menos un idioma.Regiones exclusivas
Solo inglés:18−8=10.Solo francés:15−8=7.Fuera
Ninguno:30−25=5.Comprobar
10+7+8+5=30; la unión suma las primeras tres regiones:25.
25.
Las cuatro regiones disjuntas tienen tamaños 10,7,8,5 y suman los 30 alumnos.
EJEMPLO RESUELTO 2
Meses de nacimiento
En un grupo de 25 personas, ¿cuántas comparten necesariamente mes?
Cajas
Hay doce categorías, una por mes de nacimiento. Cada persona pertenece a una.
Objetos
El grupo tiene veinticinco personas.
Capacidad con dos
Si todos los meses tuviesen como máximo dos, solo habría 12·2=24 personas.
Exceso
Veinticinco supera esa capacidad; algún mes debe tener al menos tres.
Techo
⌈25/12⌉=3 expresa la misma garantía.Optimalidad
Un mes con tres y los otros once con dos suma 25 sin que ningún mes llegue a cuatro; no se garantiza más de tres.
Al menos tres.
Dos por mes solo permiten 24; el reparto 3,2,…,2 demuestra la optimalidad de la cota.
Los símbolos que hemos usado
- |A|
- Número de elementos de un conjunto finito A.
- A∪B
- Elementos que pertenecen a A o a B, incluyendo quienes pertenecen a ambos.
- A∩B
- Elementos que pertenecen simultáneamente a A y a B.
- U
- Universo finito de objetos que se están contando.
- ⌈x⌉
- Menor entero mayor o igual que el número real x.
- N,m
- Número de objetos y número positivo de cajas, respectivamente.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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