Prinzip der Inklusion-Exklusion

Seien A1,…,An endliche Mengen. Dann gilt

|⋃i=1nAi|=∑r=1n((−1)r−1∑1≤i1<i2<⋯<ir≤n|⋂j=1rAij|).

Anschaulich:

Spezialfall für zwei Mengen

Für endliche Mengen A,B gilt

|A∪B|=|A|+|B|−|A∩B|.

Spezialfall für drei Mengen

Für endliche Mengen A,B,C gilt

|A∪B∪C|=|A|+|B|+|C|−|A∩B|−|A∩C|−|B∩C|+|A∩B∩C|.

Beweis

Beweisidee: Wir zeigen, dass jedes Element genau dann auf der rechten Seite genau einmal gezählt wird, wenn es in ⋃i=1nAi liegt.

Sei dazu a ein beliebiges Element.

Dann wird a in den Summanden der Ordnung r genau (mr)-mal gezählt, denn man muss genau r der m Mengen auswählen, in denen a liegt. Insgesamt wird a also$$
\sum_{r=1}^{n} (-1)^{r-1} \binom{m}

malgezählt.Für$r>m$gilt$(mr)=0$,alsoistdiesgleich$$∑r=1m(−1)r−1(mr).

Mit dem binomischen Lehrsatz gilt$$\sum_{r=0}^{m} \binom{m}{r} (-1)^r = (1-1)^m = 0.$$Daraus folgt

∑r=1m(−1)r−1(mr)=1.

Also wird jedes Element a∈⋃i=1nAi auf der rechten Seite genau einmal gezählt.
Damit zählen linke und rechte Seite genau dieselben Elemente, also gilt

|⋃i=1nAi|=∑r=1n((−1)r−1∑1≤i1<i2<⋯<ir≤n|⋂j=1rAij|).

◻