排列组合问题中的重复“隐患”

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  例50件产品中有4件次品,现从中任意抽取5件,问至少抽到3件次品的取法有几种?
  错解: 根据分步计数原理,分两步完成.第一步,先确保有3件次品,从4件次品中取3件,有[C4][3]种取法;第二步,从余下的47件产品中任取2件,有[C47][2]种不同的取法,所以共有[C4][3]·[C47][2]=4324种不同取法.
  错因分析: 上解包含了一种极具隐蔽性的重复错误.为了说明这个问题,我们不妨将4件次品分别设为A1,A2,A3,A4,46件正品分别设为B1,B2,B3,…,B46.按错解中的取法,可能会出现以下情况:(1) 第一步抽出A1,A2,A3,第二步抽出A4,B1;(2) 第一步抽出A1,A2,A4,第二步抽出A3,B1. 这两种情况虽然抽取顺序不同,但结果相同,都是{A1,A2,A3,A4,B1},应属于同一种取法,而错解却将它当成了两种取法.错误的实质是对A1,A4按抽取顺序的先后进行了隐性排列,造成了重复.明白了问题所在,我们就不难得出正确解法.
  正解1: [C4][3][C47][2]种取法中有重复,因此可减去重复的取法,求出答案.分析可知,当4件次品是分第一次3件、第二次1件两次取出时,第二次取出的1件次品总会和第一次取出的3件次品中的1件因隐性排列产生重复,因此,重复的取法共有[C3][1][C46][1]=138种,所以共有[C4][3][C47][2]-[C3][1][C46][1]=4324-138=4186种取法.
  正解2: 用分类讨论的方法,将取法分成恰好取到3件次品和恰好取到4件次品两类.恰好取到3件次品有[C4][3][C46][2]种取法;恰好取到4件次品有[C4][4][C46][1]种取法,故共有[C4][3][C46][2] [C4][4][C46][1]=4186种取法.
  “重复”是求解排列组合问题中的常见错误,错解中出现的重复选取错误是常见的隐性重复错误之一.对于这类含有“至多”“至少”条件的问题,采用正解2所示的分类法求解,思路更清晰,掌握更容易,并能避免隐性排列的发生.
  除了上面谈到的重复选取错误,排列组合问题中还包含以下几类常见的隐性重复错误.
  重复分配错误. 分配问题属于典型的排列组合问题,在分配时也存在类似分步求解时可能产生的重复“隐患”.比如对于“将5本不同的书分给4名同学,每人至少一本,问共有几种分法”这个问题,有些同学这样解:先从5本书中取出4本,分给4名同学,再把剩下的1本书分给4人中的一人,得出[A5][4][A4][1]=480种分法.这种解法实际上和错解犯了同样的错误.比如甲同学第一次分到语文书、第二次分到数学书,和他第一次分到数学书、第二次分到语文书的结果是相同的,只能算一种分配方法.因此答案[A5][4][A4][1]=480种显然多算了一倍,正确答案是240种分法.
  要避免重复分配错误,最好采用先分组后分配的方法,即把5本书分成4组,其中一组有两本,共有[C5][2]=10种分法,再分配给4人,所以共有[C5][2][A4][4]=240种方法.
  重复分组错误. 在平均分组时,也容易发生分组顺序不同、但分组结果相同的重复错误.比如对于问题“将5本不同的书按2 ∶ 2 ∶ 1分成三组,问共有几种分法”,如果简单地用[C5][2][C3][2][C1][1]求解,就会出现这样的重复错误:(1)第一次分组后,语文书和数学书为一组,第二次分组后,物理书和历史书为一组,剩下的地理书为一组;(2)第一次分组后,物理书和历史书为一组,第二次分组后,语文书和数学书为一组,剩下的地理书为一组.(1)(2)实际是同一种情况.
  要解决这个问题,最好在分组结束后除以平均分组个数的全排列数,消除因平均分组的顺序不同而产生的重复.上面这个“将5本不同的书按2 ∶ 2 ∶ 1分成三组”的例子中,平均分组的个数是2,故应有种分法.
  重复运算结果. 在有关数字运算的排列组合问题中,常常会发生选取对象不同但运算结果相同的情况.比如对于问题“在1,2,3,4这4个数中任取两个数相加,问共有几个不同的结果”,同学们往往会直接用[C4][2]来解答,却忘了题中存在1 4=5,2 3=5这两种结果相同的情况.
  要避免这类隐性重复错误,我们可用枚举法找出重复的个数,并从总数中减去重复的个数.
  以上我们列举了排列组合问题中常见的重复“隐患”,其产生原因大多是因为题目要求的“共有几种不同的方法”与顺序无关,而分步求解却会产生不同的顺序,从而导致顺序不同但结果相同的重复错误.除了采取前面介绍的方法和策略来避免出错以外,同学们还应加强对题目的理解,将题目中较为综合的表述具体化、细化,比如将“至少从5个产品中取出3个”转化为“从5个产品中取出3个、4个或5个”,使问题成为我们熟悉的、需要运用分类讨论思想求解的模型,必要时可通过试验、画图、代入小数字简化等手段帮助思考.
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