🧮 Computational Mathematics

Inicio · Parte 04 — Matemática discreta para computación

084 — Conjuntos y operaciones

intermedio clase 4 de 20 4 horas demostración sets

Inclusión-exclusión corrige el doble conteo al unir conjuntos que se solapan.

Fórmulas

|A ∪ B| = |A| + |B| − |A ∩ B|
|P(A)| = 2^|A|

Desarrollo

Un conjunto es una colección sin orden y sin repeticiones. Esa doble propiedad lo distingue de una lista y determina qué operaciones tienen sentido: unión, intersección, diferencia y diferencia simétrica, todas con implementación directa y eficiente en Python mediante set.

El principio de inclusión-exclusión responde a una pregunta que la suma ingenua contesta mal: al contar los elementos de una unión, los que están en ambos conjuntos se cuentan dos veces, y hay que restarlos una. Con tres conjuntos la fórmula alterna signos —se suman los individuales, se restan las intersecciones dos a dos y se suma la triple—, patrón que generaliza a n conjuntos.

El conjunto de partes de un conjunto de n elementos tiene 2ⁿ elementos, porque cada elemento está o no está: es la regla del producto aplicada n veces. Esa cifra explica por qué la búsqueda exhaustiva sobre subconjuntos es inviable salvo para n pequeño, y por qué la selección de características es un problema difícil.

En probabilidad (parte 09), inclusión-exclusión reaparece intacta como la regla de la suma: P(A∪B) = P(A) + P(B) − P(A∩B). Los conjuntos se convierten en eventos y los cardinales en probabilidades, pero la estructura es la misma.

Ejemplo trabajado

Operaciones e inclusión-exclusión con dos conjuntos.

A = {1,2,3,4,5}       |A| = 5
B = {4,5,6,7}         |B| = 4

A ∪ B = {1,2,3,4,5,6,7}    |A∪B| = 7
A ∩ B = {4,5}              |A∩B| = 2
A − B = {1,2,3}
A △ B = {1,2,3,6,7}        (diferencia simétrica)

Inclusión-exclusión: 5 + 4 − 2 = 7 = |A∪B|      ✓
Suma ingenua:        5 + 4     = 9              ✗ cuenta 4 y 5 dos veces

Partes de A: 2⁵ = 32 subconjuntos

Qué calcula el laboratorio

Operaciones de conjuntos e inclusión-exclusión.

python classes/part-04-matematica-discreta-para-computacion/084-conjuntos-y-operaciones/lab.py
compmath run 084

Salidas del laboratorio (10)

Muestra de la ejecución real

{
  "A": [
    1,
    2,
    3,
    4,
    5
  ],
  "B": [
    4,
    5,
    6,
    7
  ],
  "union": [
    1,
    2,
    3,
    4,
    5,
    6,
    7
  ],
  "interseccion": [
    4,
    5
  ],
  "diferencia_A-B": [
    1,
    2,
    3
  ],
  "diferencia_simetrica": [
    1,
    2,
    3,
    6,
    7
  ]
}

Errores comunes

Dónde se usa

Consultas con condiciones múltiples, deduplicación, conteo de casos favorables en probabilidad y análisis de solapamiento entre poblaciones.

Idea rectora de la parte

La aritmética modular es la base de hashing, criptografía y checksums.

Error a evitar

Contar dos veces al aplicar el principio de inclusión-exclusión.

Conexión con IA

Los grafos de cómputo, la búsqueda en árbol y las GNN son estructuras discretas; el conteo sostiene la probabilidad que después usa todo modelo generativo.

Bibliografía de la clase

Archivos de la clase