.Sala de Estudos: Princípio da Reflexão

Princípio da Reflexão


Durante o estudo da Análise Combinatória, são apresentadas diversas técnicas de contagem aplicadas a diferentes tipos de problemas. Naturalmente, algumas delas, especialmente as mais elementares, aparecem com maior frequência nas resoluções. O objetivo desta sala de estudos é apresentar uma nova técnica de contagem, o Princípio da Reflexão, utilizada na resolução de problemas de olimpíadas e, em alguns casos, também em vestibulares que exigem uma abordagem matemática mais avançada.

Iniciaremos os nossos estudos aprendendo (ou relembrando) o que são anagramas.

Anagrama é toda palavra formada com as mesmas letras de uma dada palavra, podendo ou não ter sentido na linguagem usual.
Assim, os anagramas de uma dada palavra são as palavras obtidas pelo "embaralhamento" das letras da palavra original (manter as letras mudando ou não a ordem).

  • A palavra [tex]PORTA[/tex], por exemplo, possui vários anagramas que fazem sentido na linguagem usual, veja alguns:

  • [tex]PARTO[/tex]
  • [tex]TRAPO[/tex]
  • [tex]RAPTO[/tex]
  • [tex]TOPAR[/tex]
  • [tex]OPTAR[/tex]
  • [tex]PRATO[/tex]
  • [tex]TROPA[/tex]

Há também anagramas que não fazem sentido na linguagem usual, por exemplo:

  • [tex]PTORA[/tex]
  • [tex]OARPT[/tex]
  • [tex]TORAP[/tex]

► Exibimos acima alguns anagramas da palavra [tex]PORTA \, [/tex]. E se quiséssemos saber quantos anagramas essa palavra possui?

A ideia de “embaralhar” as letras é a mesma que a de permutá-las; portanto, a palavra [tex]PORTA[/tex] possui:
[tex]\qquad \qquad 5!=5\times 4\times 3\times 2\times 1=120[/tex] anagramas.
Vamos visualizar essa conta?

  • Observe, inicialmente, o número de escolhas para cada posição das letras, lembrando que as letras não se repetem.

[tex]\begin{array}{c c c c c}
\textcolor{#993366}{5}\text{ escolhas}&\textcolor{#993366}{4}\text{ escolhas}&\textcolor{#993366}{3}\text{ escolhas}&\textcolor{#993366}{2}\text{ escolhas}&\textcolor{#993366}{1}\text{ escolha}\\
\overline{\text{primeira letra}}&\overline{\text{segunda letra}}&\overline{\text{terceira letra}}& \overline{\text{quarta letra}}& \overline{\text{quinta letra}}
\end{array}[/tex]

  • Assim, pelo Princípio Fundamental da Contagem, o número de modos distintos de embaralharmos as letras da palavra [tex]PORTA \, [/tex] é dado por [tex] \, \fcolorbox{#993366}{#ddebe8}{$\textcolor{#993366}{5}\times \textcolor{#993366}{4}\times \textcolor{#993366}{3}\times \textcolor{#993366}{2}\times \textcolor{#993366}{1}=120$} \, .[/tex]

E se houver letras repetidas? Por exemplo: Quantos anagramas a palavra “ARARAS” possui?

Querem treinar mais sua criatividade na resolução de problemas onde a divisão é utilizada para eliminar casos indevidamente contados em uma permutação? Deem uma passadinha na Sala de Estudos Mais um papel da divisão na Análise Combinatória.

Naturalmente, um dos maiores desafios em problemas de contagem é reconhecer quando a estratégia utilizada em um problema já estudado pode ser aplicada a uma nova situação. Por exemplo, no problema adaptado da OBMEP abaixo:

Problema 1: Uma formiguinha está no ponto A de um quadriculado e deseja chegar ao ponto B, deslocando-se apenas pelos lados dos quadradinhos e realizando movimentos exclusivamente para a direita ou para baixo. De quantas maneiras diferentes ela pode realizar esse trajeto?

Variações do problema acima são comuns em diversos vestibulares.

Problema 2: (ENEM – 2020) Três amigos, André, Bernardo e Carlos, moram em um condomínio fechado de uma cidade. O quadriculado representa a localização das ruas paralelas e perpendiculares, delimitando quadras de mesmo tamanho nesse condomínio, em que nos pontos A, B e C estão localizadas as casas de André, Bernardo e Carlos, respectivamente.

André deseja deslocar-se da sua casa até a casa de Bernardo, sem passar pela casa de Carlos, seguindo ao longo das ruas do condomínio, fazendo sempre deslocamentos para a direita ([tex]\rightarrow[/tex]) ou para cima ([tex]\uparrow[/tex]), segundo o esquema da figura.

Calcule o número de diferentes caminhos que André poderá utilizar para realizar o deslocamento nas condições propostas.

Imaginemos agora o seguinte problema.

Problema 3: Quantos caminhos distintos existem na malha quadriculada representada abaixo para ir do ponto [tex]A(1,2)[/tex] ao ponto [tex]B(8,5)[/tex], realizando deslocamentos exclusivamente na diagonal para cima ([tex] \nearrow [/tex]) ou na diagonal para baixo ([tex]\searrow[/tex])?

Da mesma forma que nos exemplos anteriores, vamos empregar essa estratégia para resolver um problema apresentado em uma nova situação.

Problema 4: Em uma eleição para líder de um clube de Matemática, participam [tex]10[/tex] membros e concorrem dois candidatos, [tex]A[/tex] e [tex]B[/tex]. Cada um dos [tex]10[/tex] membros vota, de forma sigilosa, em exatamente um dos candidatos. Ao final da votação, o candidato [tex]A[/tex] vence com uma diferença de [tex]4[/tex] votos.

Considerando que os votos são apurados um a um, de quantas maneiras distintas pode ocorrer a ordem de apuração dos votos?

Agora, suponha que o problema fosse o seguinte:

Problema 5: Em uma eleição para líder de um clube de Matemática, participam [tex]10[/tex] membros e concorrem dois candidatos, [tex]A[/tex] e [tex]B[/tex]. Cada membro vota, de forma sigilosa, em exatamente um dos candidatos. Ao final da votação, o candidato [tex]A[/tex] vence com uma diferença de [tex]4[/tex] votos.

Sabendo que os votos são apurados um a um, qual é o número de ordens de apuração nas quais o candidato perdedor esteve em vantagem em algum momento da contagem?

Observe agora um problema bem interessante que pode ser resolvido com esse Princípio.

Problema 6: (IME) Um pipoqueiro vende cada saco de pipoca pelo valor de [tex]R\$\;1,00[/tex] e inicia o atendimento sem qualquer dinheiro para troco. Em uma fila de oito pessoas, quatro possuem uma moeda de [tex]R\$\;1,00[/tex] e as outras quatro possuem uma nota de [tex]R\$\;2,00[/tex].

Supondo que a ordem da fila seja aleatória e que cada pessoa compre exatamente um saco de pipoca, determine a probabilidade de que o pipoqueiro consiga dar troco a todas as quatro pessoas que pagarão com a nota de [tex]R\$\;2,00[/tex].

Que tal vocês resolverem mais alguns problemas utilizando o Princípio da Reflexão?

Problema 7: Em uma eleição com dois candidatos, [tex]X[/tex] e [tex]Y[/tex], participam [tex]20[/tex] eleitores, sendo que cada eleitor vota em exatamente um dos candidatos. Ao final da votação, o candidato [tex]X[/tex] recebe [tex]15[/tex] votos e o candidato [tex]Y[/tex], [tex]5[/tex] votos.
Os votos são apurados um a um, em alguma ordem.
Responda:
a) De quantas maneiras distintas pode ocorrer a ordem de apuração dos votos?
b) Em quantas ordens de apuração o candidato [tex]X[/tex] permanece sempre em vantagem sobre o candidato [tex]Y[/tex], isto é, nunca ocorre empate nem desvantagem após o primeiro voto apurado?
c) Em quantas ordens de apuração o candidato [tex]X[/tex] permanece sempre em vantagem ou empatado com o candidato [tex]Y[/tex]?

Problema 8: (Extraído de A.C. Morgado) Numa fila para um teatro popular, [tex]m[/tex] pessoas têm notas de [tex]R\$\;5,00[/tex] e [tex]n[/tex] ([tex]n \lt m[/tex]) pessoas têm notas de [tex]R\$\;10,00[/tex]. A entrada custa [tex]R\$\;5,00[/tex].
a) Quantas são as filas possíveis?
b) Quantas são as filas que terão problemas de troco, se a bilheteria começar a trabalhar sem troco?
c) Quantas são as filas que terão problema de troco, se a bilheteria começar a trabalhar com duas notas de [tex]R\$\;5,00[/tex]?

Problema 9: Um programador está escrevendo um código utilizando parênteses de abertura “[tex]([/tex]” e parênteses de fechamento “[tex])[/tex]”. Para evitar erros de sintaxe, ele estabelece as seguintes regras:

  • Em qualquer trecho da sequência, o número de parênteses de fechamento nunca pode ser maior que o número de parênteses de abertura.
  • Ao final da sequência, o número total de parênteses de abertura deve ser igual ao número de parênteses de fechamento.

Veja alguns exemplos de sequências: [tex]( ) ( ) ( ) ( )[/tex], [tex]( ( ( ( ) ) ) )[/tex], [tex]( ( ) ) ( ) ( )[/tex] e [tex]( ) ) ( ) ( ( )[/tex].

Observe que apenas as três primeiras sequências são válidas, pois, na última, em determinado momento aparece um parêntese de fechamento sem que exista um parêntese de abertura correspondente ainda não fechado.
Sabendo que a sequência contém exatamente [tex]4[/tex] parênteses de abertura e [tex]4[/tex] parênteses de fechamento, responda:
De quantas maneiras distintas é possível formar uma sequência válida de parênteses?

Um comentário importante sobre esse último problema é que, ao generalizá-lo para [tex]n[/tex] pares de parênteses, o número de sequências válidas obtidas é dado por [tex]C_{n}=\dfrac {1}{n+1}\begin{pmatrix}
2n \\
n
\end{pmatrix}[/tex].
Esse valor define a sequência conhecida, na Análise Combinatória, como números de Catalan.
Esses números surgem em diversos problemas clássicos de contagem com estrutura recursiva, como, por exemplo, o número de maneiras distintas de triangular um polígono convexo. A sequência dos primeiros números de Catalan é [tex](1, 1, 2, 5, 14, 42, 132, 429, …)[/tex].


Um vídeo para fixar ideias


Vídeoaula O Princípio da Reflexão – POTI
Professor Victor Bitarães


Equipe COM – OBMEP

Maio de 2026.

Referências:
[1] MORGADO, Augusto César; CARVALHO, Paulo Cezar Pinto. Matemática discreta. Rio de Janeiro: SBM, 2022.
[2] MORGADO, Augusto César; CARVALHO, João Bosco Pitombeira de; CARVALHO, Paulo Cezar Pinto; FERNANDEZ, Pedro. Análise combinatória e probabilidade. 9. ed. Rio de Janeiro: SBM, 2006.

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