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bei folgender Aufgabe komme ich leider nicht voran und würde mich über eure Unterstützung freuen :)

Aufgabe:
Es sollen Ketten aus \(0\)en und \(1\)en gebildet werden. Dabei gilt:

\(1\)en dürfen nur in gerader Anzahl direkt hintereinander in einer Kette vorkommen, \(0\)en nur in ungerader Anzahl.

Beispiele für legale Ketten: \(0, 10, 11, 011, 11000, 11011, 11110\) usw.

Illegal sind dagegen: \(00, 1, 001, 0011, 1001, 101\) usw.

Sei \(k \in \mathbb{N}\) mit \(k > 0\).

\(e_k\) bzw. \(n_k\) bezeichnen die Anzahl der möglichen unterschiedlichen Ketten, die mit einer \(1\) bzw. \(0\) enden und die Länge von genau \(k\) haben.


a) Wie lauten die Rekursionsgleichungen von \(e_k\) und \(n_k\)?

b) Wie viele verschiedene \(1-0\) Ketten können mit den Längen \(1, 2, 3, 4, 5\) entstehen, wenn die obigen Regeln beachtet werden?
Hinweis: Auch Ketten mit lauter \(0\)en bzw. \(1\)en sind zu berücksichtigen.

Meine Lösungen:

zu a)
Ich habe \(6\) Wahrheitstabellen für \(1, 2, 3, 4, 5, 6\) Variablen erstellt (\(6.\) Tabelle extra erstellt, weitere Infos über die Folgen zu erhalten) und die obigen Regeln angewendet und habe folgende Folgen erhalten:

Aus den Tabellen kann ich dann folgende Folgen ablesen:   
\(e_k\)    \((0, 1, 2, 1, 5, 3, ...) \)
\(n_k\)    \((1, 0, 3, 1, 5, 5, ...) \)

Ich erkenne aber keine Regelmäßigkeiten in den Folgen, damit ich die Rekursionsgleichungen aufstellen kann.

Was mach ich falsch bzw. ist die Folge richtig? Was wäre dann das Muster?

zu b)
Länge  \(\Rightarrow \) Anzahl
\(1 \Rightarrow 1\)
\(2 \Rightarrow 1\)
\(3 \Rightarrow 3\)
\(4 \Rightarrow 2\)
\(5 \Rightarrow 6\)
\(6 \Rightarrow 6\)

Danke vorab


Asg

Avatar von

Du schriebst: "Beispiele für legale Ketten: \(0, \colorbox{#F0F000}{10}, 11, 011\)  ... "

Ich unterstelle, das ist ein Tippfehler. \(10\) ist keine legale Kette - oder?

Hallo Werner,

danke für den Hinweis.

Ja es ist ein Tippfehler.

Weitere  gültige Ketten sind z. B. \(110, 1111, 11111111, 000, 00000\)

VG

Wie kommst Du auf \(a_4=3\)? Und \(e_3=1\ne2\) sowie \(n_3=1 \ne 3\) und die Werte für höhere \(k\) passen auch nicht alle - oder?

Ich überprüfe meine Tabellen und melde mich gleich ...

Ich konnte keinen Fehler finden.

Unten ist ein Bild mit den genannten Wahrheitstabellen (gefiltert) angehängt. Das sind die ganzen gültigen Ketten, die man bilden kann - jeweils für Länge 1 bis 6.

Siehst du, wo mein Fehler ist?

Bild Mathematik

Du schreibst: Wie kommst Du auf \(a_4=3\)?[...]

Ist es ein Tippfehler? Ich sehe kein \(a_4=3\).

Zum Anhang: Mit "Jede Zeile ..." meine ich die jeweilige Zeile in der jeweilige Tabelle von Spalte 1 bis 6 bzw. 1 bis 5, 1 bis 4, usw.
Die Spalten e und n sind nicht Teil der Kette selbst! Das sind nur Hilfsspalten.

Hallo Asg,

Du fragtest: "Ich sehe kein \(a_4=3\)". Stimmt - sollte \(a_3 = 3\) heißen.Darauf komme ich, weil in Deiner Frage \(3 \Rightarrow 3\) steht. Und die Antwort auf meine Frage liefert DeineTabelle - ich hatte die Kette \(000\) schlicht nicht gesehen.

Du schreibst: "Aus den Tabellen kann ich dann folgende Folgen ablesen:"

$$e_k \space(0, 1, 2, 1, 5, 3, ...) $$

$$n_k \space (1, 0, 3, 1, 5, 5, ...)$$

Wie kommst Du hier auf \(e_3=2\) und \(n_2=3\)? Es heißt in Deiner Frage: "\(e_k\) und \(n_k\) bezeichnen die Anzahl der möglichen unterschiedlichen Ketten, die mit einer 1 bzw. 0 enden"

Eine Kette wie \(011\) kann doch nicht gleichzeitig mit einer 0 und einer 1 enden!? Bei dieser Kette hast Du jeweils eine 1 in den Spalten e und n notiert.

Später schreibst Du im Kommentar: "... Ketten, in denen 1 bzw. 0 vorkommen" - Ja was denn nun?

Es ist für mich kein Muster ersichtlich, was \(e_k\) und \(n_k\) ist. Warum steht in der Tabelle bei \(011\) ein \(n=1\) wohingegen bei \(11011\) ein \(n=0\) auftaucht? In beide Ketten kommt genau eine 0 vor und beide haben keine 0 am Ende?

Ich glaube ich habe eine Muster.

\(n=1\) bedeutet dass am Anfang und/oder am Ende eine 0 steht und \(e=1\)  heißt, dass am Anfang und/oder am Ende der Kette eine 1 steht. Diese Regel trifft für jede Zeile Deiner Tabelle(n) zu.

Und im übrigen macht es für die Berechnung der Anzahl der Möglichkeiten keinen Sinn Anfang und Ende einer Kette zu unterscheiden! Eine Kette \(01111\) muss genau so viele 'Nachfolger' haben wie eine \(11110\)!

Ist das so?

Hallo Werner-Salomon,

Dankeschön, dass du dich so intensiv mit meinem Problem befasst hast.

1. [...] Wie kommst Du hier auf \(e_3 = 2\) und \(n_2 = 3\)? [...]
\(e_3 = 2\) kommt aus der 3. Tabelle von rechts (s. Bild). Dort sind zwei 1er Zeilen.
\(n_2 = 3\) das schreibe ich nicht! \(n_2 = 0\) s. 2. Tabelle von rechts.

2. [...]Eine Kette wie \(011\) kann doch nicht gleichzeitig mit einer \(0\) und einer \(1\) enden!?[...]
Da in der Aufgabenstellung "ende" nicht explizit definiert ist, gehe ich davon aus, das sowohl ganz links als auch ganz rechts als Ende betrachtet werden können.
Deshalb endet \(011\) links mit einer \(0\) und rechts mit einer \(1\).

3. [...]"... Ketten, in denen \(1\) bzw. \(0\) vorkommen" - Ja was denn nun?[...]
Da ich mir ja nicht sicher bin/war, wie die Aufgabenstellung zu interpretieren ist, habe ich diese als Alternative hingeschrieben.

4. [...]Warum steht in der Tabelle bei \(011\) ein \(n=1\) wohingegen bei \(11011\) ein \(n=0\) auftaucht?[...]
Im 1. Fall hat die Folge ganz links eine \(0\) - also endet mit einer \(0\).
Im 2. Fall hat die Folge steht die \(0\) nicht außen, sondern umschlossen von \(1\)en - also endet nicht mit einer \(0\).

5. [...]Und im übrigen macht es für die Berechnung der Anzahl der Möglichkeiten keinen Sinn Anfang und Ende einer Kette zu unterscheiden! [...]
Da wie gesagt, ich die Aufgabenstellung nicht ganz verstehe, kann ich nicht sagen, ob eine Unterscheidung sinnvoll ist oder nicht.

Allgemein bei Permutationen ist diese Unterscheidung aber schon wichtig, soweit ich weiß.
Denn z.B. bei der Fakultät zählt ja jede Kombination: \(abc\) und \(cba\) sind dort ja zwei verschiedene Permutationen.

Viele Grüß

Asg

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Hallo Asg,

ich habe inzwischen mehr heraus bekommen. Zunächst habe ich das erste gute Dutzend Werte berechnet. Die Folge für die \(a_k\) ist:

$$a_k = \{ 1, 1, 3, 2, 6, 6, 11, 16, 22, 37, 49, 80, 113, 172, 257, 377, ... \}$$

Wenn man nun davon ausgeht, dass ein beliebiges \(a_k\) eine Linearkombination seiner Vorgänger ist, so kann man folgendes Lineares Gleichungssystem mit 4 unbekannten Koeffizienten \(\vec{b} = (b_{-4}; b_{-3}; b_{-2}; b_{-1})^T\) aufstellen. Mit 2 und 3 klappt es nicht, das führe ich hier nicht weiter aus. Dann wäre:

$$\begin{pmatrix}  1 & 1 & 3 & 2\\ 1 & 3 & 2 & 6\\ 3 & 2&6&6 \\ 2&6&6&11\end{pmatrix} \cdot \vec{b} = \begin{pmatrix} 6\\ 6\\ 11 \\ 16\end{pmatrix}$$

Die Gleichung führt zur Lösung:

$$\vec{b} = \begin{pmatrix} -1\\ 1\\ 2\\ 0\end{pmatrix}$$

Daraus folgt, dass sicher für die Glieder \(a_4\) bis \(a_7\) gilt, dass

$$a_k = 2a_{k-2} + a_{k-3} - a_{k-4}$$

und dies stimmt auch für alle weiteren Folgeglieder, die ich berechnet habe. Wobei das natürlich kein Beweis ist, dass es für alle weiteren \(a_k\) mit \(k \in \mathbb{N}\) richtig ist!

Die Folgen von \(e_k\) und \(n_k\) verhalten sich nach dem gleichen Schema; haben aber andere Startwerte - die Folgen sind daher nicht gleich.

Dann habe ich die Folge noch in der Online-Enzyklopädie der Zahlenfolgen gefunden. Sie ist in dem Buch "Combinatorial Enumeration" von Ian P. Goulden und David M. Jackson beschrieben.

Gruß Werner

Avatar von 48 k

Hallo Werner-Salomon,

danke nochmals für die Hilfe :)

Ich denke, die Lösung mit dem LGS ist nicht gefordert, da es nicht unser Thema ist.

Wenn ich mehr über die Lösung bzw. Aufgabenstellung erfahren habe, schreibe nochmals.
Die Aufgabe ist deshalb bis dahin nicht mehr aktuell für mich.

Ein großes Dankeschön nochmals für deine tolle Unterstützung.

Viele Grüß

Asg

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