Pigeonhole Principle

“The Pigeonhole principle” ~ Students who have never heard may think that it is a joke. The pigeonhole principle is one of the simplest but most useful ideas in mathematics. Let’s learn the Pigeonhole Principle with some applications.

Pigeonhole Principle Definition:

In Discrete Mathematics, the pigeonhole principle states that if we must put $N + 1$ or more pigeons into N Pigeon Holes, then some pigeonholes must contain two or more pigeons.

Example:

If $Kn+ 1$ (where k is a positive integer) pigeons are distributed among n holes than some hole contains at least $k + 1$ pigeons.

Applications of Pigeonhole Principle:

This principle is applicable in many fields like Number Theory, Probability, Algorithms, Geometry, etc.

Problems and Solutions:

Problem 1

A bag contains beads of two colours: black and white. What is the smallest number of beads which must be drawn from the bag, without looking so that among these beads, two are of the same colour?

Solution: We can draw three beads from bags. If there were no more than one bead of each colour among these, then there would be no more than two beads altogether. This is obvious and contradicts the fact that we have chosen their beads. On the other hand, it is clear that choosing two beads is not enough. Here the beads play the role of pigeons, and the colours (black and white) play the role of pigeonhole.

Problem 2

Find the minimum number of students in a class such that three of them are born in the same month?

Solution: Number of month $n =12$

According to the given condition,

$K+1 = 3$

$K = 2$

$M = kn +1 = 2×12 + 1 = 25$.

Problem 3

Show that from any three integers, one can always choose two so that $a^3$b – a$b^3$ is divisible by 10.

Solution: We can factories the term $a^3$b – a$b^3$ = $ab(a + b)(a - b)$, which is always even, irrespective of the pair of integers we choose.

If one of three integers from the above factors is in the form of 5k, which is a multiple of 5, then our result is proved.

If none of the integers is a multiple of 5 then the chosen integers should be in the form of $(5k)+-(1)$ and $(5k)+-(2)$ respectively.

Clearly, two of these three numbers in the above factors from the given expression should lie in one of the above two, which follows by the virtue of this principle.

These two integers are the ones such that their sum and difference is always divisible by 5. Hence, our result is proved.

Problem 4

If n is a positive integer not divisible by 2 or 5 then n has a multiple made up of 1's.

Problem 5

Let $X \subseteq{1,2, \ldots, 99}$ and $|X|=10$. Show that it is possible to select two disjoint nonempty proper subsets $Y, Z$ of $X$ such that $\sum(y \mid y \in Y)=\sum(z \mid z \in Z)$.

Problem 6

Let $A_{1} B_{1} C_{1} D_{1} E_{1}$ be a regular pentagon. For $2 \leq n \leq 11$,
let $A_{n} B_{n} C_{n} D_{n} E_{n}$ be the pentagon whose vertices are the midpoints of the sides of the pentagon $A_{n-1} B_{n-1} C_{n-1} D_{n-1} E_{n-1}$. All the 5 vertices of each of the 11 pentagons are arbitrarily coloured red or blue. Prove that four points among these 55 points have the same colour and form the vertices of a cyclic quadrilateral.

Some Useful links:

Pigeon Hole Principle Problem-11 from 2011 AMC 10B

What is The Pigeon Hole Principle?


The Pigeon Hole Principle (also known as the Dirichlet box principleDirichlet principle or box principle) states that if $ \textbf n+1 $ or more pigeons are placed in $ \textbf n $ holes, then one hole must contain two or more pigeons.

The extended version of this Principle states that if $ \textbf k$ objects are placed in $ \textbf n$  boxes then at least one box must hold at least $ \frac {k} {n} $ objects.

Try the problem


There are $52$ people in a room. what is the largest value of $ \textbf n $ such that the statement "At least $ \textbf n $ people in this room have birthdays falling in the same month" is always true?
$ \textbf {(A)} 2\quad \textbf {(B)} 3\quad \textbf {(C)} 4\quad \textbf {(D)} 5\quad \textbf {(E)} 12$

2011 AMC 10B Problem 11

The Pigeon Hole Principle

6 out of 10

Mathematics Circle

Knowledge Graph


Pigeon Hole-Knowledge Graph

Use some hints


You have $52$ people in a room. You have to place them in $12$ boxes.

can you say why did i take $12$ boxes?

Because there are $12$ months in year.

One box must have at least $ \frac {52} {12} $

Subscribe to Cheenta at Youtube


ইঁদূরের গর্ত থেকে ডিরিশলেটের বাক্স

ইঁদূরের গর্ত দিয়ে কেমন অঙ্ক হয়? দেখাই যাক।

ওই সামনের বটগাছটা দেখছ। ধর তার শেকড়ের আড়ালে ১০ টা গর্ত আছে। ইঁদূরের গর্ত। এদিকে তুমি আমি তো অঙ্ক কষার নামে গাছের চার পাশে লাট্টু ঘুরিয়ে চলেছি। ঠিক গুনেছি যে এ তল্লাটে ইঁদূর আছে ১১টা।

এবার বল ১০টা গর্তে ১১টা ইঁদূর থাকে কি করে? তুমি বলবে অবশ্যই কোনও একটা গর্তে এক-এর বেশি ইঁদূরকে থাকতে হবে। এই সহজ ব্যাপারটাকেই আমরা একটু তলিয়ে দেখব।

যুক্তির শেকরবাকরঃ

১। ধরা যাক প্রতিটা গর্তে ১ অথবা তার কম ইঁদুর বাস করে।

২। তাহলে ১০টা গর্তে (১+১+...+১ দশবার) ১০টা অথবা তার কম সংখ্যক ইঁদুরই থাকতে পারে।

৩। অথচ ইঁদুর আছে ১০এর বেশি (১১টা)

৪। (১) (কমলা রঙে) যা লিখেছিলাম তা ভুল।

৫। অতএব কোনও একটা গর্তে একাধিক ইঁদুর আছে।

এই সাধারণ ব্যাপারটাকে এত জটিল করে ভেঙে ভেঙে ভাবছি কেন? কারণ একটা আছে এবং তা ক্রমশঃ প্রকাশ্য। আপাতত যুক্তির ক্রমপর্যায়টা মাথায় রেখে আমরা একটা অংক করে ফেলি।

নবীন ময়রার দোকানে

নবীন ময়রার দোকানে জন্মাষ্টমীর দিন শুধু দুই রকম মিষ্টিই হয়। ক্ষিরমোহন আর তালের বড়া (তালের বড়া অবশ্য ঠিক মিষ্টান্ন নয়)। একটাই ঝুড়ির ভেতর বেশ অনেকগুলো তালের বড়া আর ক্ষিরমোহন রাখা থাকে। পুঁটুরানি দোকানে গেছে সকাল সকাল। মিঠাইওলা বললে, "আচ্ছা পুঁটুরানি, শুনলাম তো তুমি অঙ্ক-এ খুব ভাল ভাল নম্বর পাও। বল দেখি, তুমি যদি চোখ বুজে ঝুড়িটার থেকে মিষ্টি তুলে আনো, মোট কটা মিষ্টি তোলা হলে বলতে পারবে যে একই রকমের অন্তত দুটো মিঠাই তোলা হয়েছে?"

পুঁটূরানি চোখ বুজে মিনিট খানেক ভাবলে। "তিনটে!"

মিঠাইওলাঃ কেমন করে বললে?

পুঁটুরানি তো আমাদেরই সঙ্গে বুড়োবটের তলায় লাট্টু ঘুরিয়ে থাকে। সেও ইঁদুরের গর্তর ব্যাপারে ওস্তাদ। সে সটান বলে দিলে, " আচ্ছা ধর আমি ভুল বলছি। মানে ৩টে মিষ্টি তুলেছি, কিন্তু এক রকমের ২টো মিষ্টি তোলা হয়নি।। তাহলে

১। ধরাযাক প্রতি রকমের মিষ্টিই হয় একটা করে তোলা হয়েছে অথবা হয়নি।

২। তাহলে খুব বেশি হলে (১+১) ২ টো মিষ্টি তোলা হয়েছে (একটা তালের বড়া আর একটা ক্ষিরমোহন)

৩। অথছ এদিকে আমি চোখ বুজে মিষ্টি তুলেছি ৩টে।

৪। (১) (কমলা রঙে) যা লিখেছিলাম তা ভুল।

৫। অতএব কোনও একটা ধরনের একাধিক মিষ্টি তুলেছি (এবং ১ এর বেশি মানে কমপক্ষে ২টো)।

আরো কিছু অঙ্ক