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排列组合问应用题高考中多以客观题出现,每年必考。它们具有较强的灵活性和抽象性,故解题时要求我们认真地审题,对题目中的信息进行科学地加工与处理。本文说明几种常见的解法:
一、直接法
例1:n个人参加某项资格考试,能否通过,有多少种可能的结果?
解法1:用分类计数原理。没有人通过,有C0n种结果;1个人通过,有C01种结果,……;n个人通过,有Cnn种结果。所以一共有C0n C1n …Cnn=2n种可能的结果。
解法2:用分步计数原理。第一个人有通过与不通过两种可能,第二个人也是这样,……,第n个人也是这样。所以一共有种可能的结果。
二、间接法(排除法)
例2.8个人站成一排,其中A与B、A与C都不能站在一起,一共有多少种排法?
解:无限制条件有A88种排法。A与B或A与C在一起各有A22A77种排法,A、B、C三人站在一起且A在中间有A22A66种排法,所以一共有A88-2A22A77 A22A66=21600种排法。
例3:以一个长方体的顶点为顶点的四面体的个数。
解:从8个点中取4个点,共有C48种方法,其中取出的4个点共面的有6 6=12种,所以符合条件的四面体的个数为个C48-12=58个。
三、特殊元素(位置)法
例4:从0,1,……,9这10个数字中选取数字组成偶数,一共可以得到不含相同数字的五位偶数多少个?
解:个位选0,有A49个,个位不选0且万位不能选0,有C14C18C38个,所以一共可以得到A49 C14C18C38=13775个偶数。
例5:8人站成两排,每排4人,甲在前排,乙不在后排的边上,一共有多少种排法?
解:先排甲,有A14种排法。再排乙,有A15种排法,再排其余的人,又有A66种排法,所以一共有A14A15A66=14400种排法。
四、查字典法
例6:由0,1,2,3,4,5六个数字可以组成多少个无重复数字且比324105大的数?
解:(1)查首位,有4×××××与5×××××,共有2A55个;(2)查头两位,有34××××与35××××两种,共有2A44个;(3)查头三位,有325×××一种,共A33个;(4)查头四位,有3245××,共A22个;(5)查头五位,仅324150一个,故共有2A55 2A44 A33 A22 1=297个。
五、捆绑法(当需排元素中有必须相邻的元素时)
例7:8人排成一排,甲、乙必须分别紧靠站在丙的两旁,有多少种排法?
解:把甲、乙、丙先排好,有A22种排法,把这三个人“捆绑”在一起看成是一个,与其余5个人相当于6个人排成一排,有A66种排法,所以一共有A22A66=1440种排法。
六、插空法(当需排元素中有不能相邻的元素时)
例8:从6名男工和4名女工中选3男2女担任5种不同工作,有多少种不同的排法?
解:第一步,5男全排列,有A55种,第二步,在5男之间(包括两端)的6个空档中插入4女,有A46种,故得种A55A46=43200种。
注:捆綁法与插入法一般适用于有如上述限制条件的排列问题。
七、除序法(平均分组法)
例9:10个人排成一队,其中甲一定要在乙的左边,丙一定要在乙的右边,一共有多少种排法?
解:甲、乙、丙三人排列一共有A33种排法,在这A33种排法中各种排列顺序在10个人的所有排列中出现的机会是均等的,因此符合题设条件的排法种数为A1010A33=604800。
例10:用1,2,3,4,5,6,7这七个数字组成没有重复数字的七位数中,(1)若偶数2,4,6次序一定,有多少个?(2)若偶数2,4,6次序一定且奇数1,3,5,7次序也一定,有多少个?
分析:这1,2,3,4,5,6,7七个数字全排列有A47个,而2,4,6之间的排列数A33在次序一定时只能算作一种,同理,1,3,5,7之间的排列数A44也只能算一种。
解:(1)A77A33=A47个;(2)A77A33A44=C47个。
八、隔板法
例11:20个相同的球分给3个人,允许有人可以不取,但必须分完,有多少种分法?
解:将20个球排成一排,一共有21个空隙,将两个隔板插入这些空隙中(两个隔板可以插在同一空隙中),规定由隔板分成的左、中、右三部分球分别分给3个人,则每一种隔法对应了一种分法,每一种分法对应了一种隔法,于是分法的总数为C221=210种方法。
九、合并单元格法(染色问题宜用此法)
例12:如图,一个地区分为5个行政区域,现给地图着色,要求相邻区域不得使用同一颜色,现在四种颜色可供选择,则不同的染色方法有多少种?
分析:颜色相同的区域可能是2、4或3、5。
解:(1)当2、4同色而3、5不同色时,将2、4合并成一个单元格,此时不同的着色方法相当于4个元素的全排列数A44种;
(2)当2、4不同色而3、5同色时,同理可得有A44种;
(3)当2、4与3、5分别同色时,将2、4,3、5分别合并,这样仅有三个单元格,从4种颜色中选3种来着色这三个单元格,共有C34A33种。
由分类计数原理可知:不同的着色方法共有2A44 C34A33=72种。
十、转化命题法
例13:一个楼梯共10级台阶,每步走1级或2级,8步走完,一共有多少种走法?
解:10级台阶,要求8步走完,并且每步只能走一级或2级。显然,必须有2步中每步走2级,6步中每步走一级。记每次走1级台阶为A,记每次走2级台阶为B,则原问题就相当于在8个格子中选2个填写B。其余的填写A,这是一个组合问题,所以一共有种C28=28走法。
例14:圆周上共有15个不同的点,过其中任意两点连一弦,这些弦在圆内的交点有多少个?
解:因两弦在圆内若有一个交点,则该交点对应于一个以两弦的四端点为顶点的圆内接四边形,则问题转化为用圆周上的15个不同的点能构成多少个圆内接四边形。因此这些弦在圆内的交点最多有C415=1365个。
一、直接法
例1:n个人参加某项资格考试,能否通过,有多少种可能的结果?
解法1:用分类计数原理。没有人通过,有C0n种结果;1个人通过,有C01种结果,……;n个人通过,有Cnn种结果。所以一共有C0n C1n …Cnn=2n种可能的结果。
解法2:用分步计数原理。第一个人有通过与不通过两种可能,第二个人也是这样,……,第n个人也是这样。所以一共有种可能的结果。
二、间接法(排除法)
例2.8个人站成一排,其中A与B、A与C都不能站在一起,一共有多少种排法?
解:无限制条件有A88种排法。A与B或A与C在一起各有A22A77种排法,A、B、C三人站在一起且A在中间有A22A66种排法,所以一共有A88-2A22A77 A22A66=21600种排法。
例3:以一个长方体的顶点为顶点的四面体的个数。
解:从8个点中取4个点,共有C48种方法,其中取出的4个点共面的有6 6=12种,所以符合条件的四面体的个数为个C48-12=58个。
三、特殊元素(位置)法
例4:从0,1,……,9这10个数字中选取数字组成偶数,一共可以得到不含相同数字的五位偶数多少个?
解:个位选0,有A49个,个位不选0且万位不能选0,有C14C18C38个,所以一共可以得到A49 C14C18C38=13775个偶数。
例5:8人站成两排,每排4人,甲在前排,乙不在后排的边上,一共有多少种排法?
解:先排甲,有A14种排法。再排乙,有A15种排法,再排其余的人,又有A66种排法,所以一共有A14A15A66=14400种排法。
四、查字典法
例6:由0,1,2,3,4,5六个数字可以组成多少个无重复数字且比324105大的数?
解:(1)查首位,有4×××××与5×××××,共有2A55个;(2)查头两位,有34××××与35××××两种,共有2A44个;(3)查头三位,有325×××一种,共A33个;(4)查头四位,有3245××,共A22个;(5)查头五位,仅324150一个,故共有2A55 2A44 A33 A22 1=297个。
五、捆绑法(当需排元素中有必须相邻的元素时)
例7:8人排成一排,甲、乙必须分别紧靠站在丙的两旁,有多少种排法?
解:把甲、乙、丙先排好,有A22种排法,把这三个人“捆绑”在一起看成是一个,与其余5个人相当于6个人排成一排,有A66种排法,所以一共有A22A66=1440种排法。
六、插空法(当需排元素中有不能相邻的元素时)
例8:从6名男工和4名女工中选3男2女担任5种不同工作,有多少种不同的排法?
解:第一步,5男全排列,有A55种,第二步,在5男之间(包括两端)的6个空档中插入4女,有A46种,故得种A55A46=43200种。
注:捆綁法与插入法一般适用于有如上述限制条件的排列问题。
七、除序法(平均分组法)
例9:10个人排成一队,其中甲一定要在乙的左边,丙一定要在乙的右边,一共有多少种排法?
解:甲、乙、丙三人排列一共有A33种排法,在这A33种排法中各种排列顺序在10个人的所有排列中出现的机会是均等的,因此符合题设条件的排法种数为A1010A33=604800。
例10:用1,2,3,4,5,6,7这七个数字组成没有重复数字的七位数中,(1)若偶数2,4,6次序一定,有多少个?(2)若偶数2,4,6次序一定且奇数1,3,5,7次序也一定,有多少个?
分析:这1,2,3,4,5,6,7七个数字全排列有A47个,而2,4,6之间的排列数A33在次序一定时只能算作一种,同理,1,3,5,7之间的排列数A44也只能算一种。
解:(1)A77A33=A47个;(2)A77A33A44=C47个。
八、隔板法
例11:20个相同的球分给3个人,允许有人可以不取,但必须分完,有多少种分法?
解:将20个球排成一排,一共有21个空隙,将两个隔板插入这些空隙中(两个隔板可以插在同一空隙中),规定由隔板分成的左、中、右三部分球分别分给3个人,则每一种隔法对应了一种分法,每一种分法对应了一种隔法,于是分法的总数为C221=210种方法。
九、合并单元格法(染色问题宜用此法)
例12:如图,一个地区分为5个行政区域,现给地图着色,要求相邻区域不得使用同一颜色,现在四种颜色可供选择,则不同的染色方法有多少种?
分析:颜色相同的区域可能是2、4或3、5。
解:(1)当2、4同色而3、5不同色时,将2、4合并成一个单元格,此时不同的着色方法相当于4个元素的全排列数A44种;
(2)当2、4不同色而3、5同色时,同理可得有A44种;
(3)当2、4与3、5分别同色时,将2、4,3、5分别合并,这样仅有三个单元格,从4种颜色中选3种来着色这三个单元格,共有C34A33种。
由分类计数原理可知:不同的着色方法共有2A44 C34A33=72种。
十、转化命题法
例13:一个楼梯共10级台阶,每步走1级或2级,8步走完,一共有多少种走法?
解:10级台阶,要求8步走完,并且每步只能走一级或2级。显然,必须有2步中每步走2级,6步中每步走一级。记每次走1级台阶为A,记每次走2级台阶为B,则原问题就相当于在8个格子中选2个填写B。其余的填写A,这是一个组合问题,所以一共有种C28=28走法。
例14:圆周上共有15个不同的点,过其中任意两点连一弦,这些弦在圆内的交点有多少个?
解:因两弦在圆内若有一个交点,则该交点对应于一个以两弦的四端点为顶点的圆内接四边形,则问题转化为用圆周上的15个不同的点能构成多少个圆内接四边形。因此这些弦在圆内的交点最多有C415=1365个。