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在平时的数学学习中,我们要善于从简单现象的背后,揭示出深刻的数学理论,从平凡事实的背后,挖掘出不平凡的东西.下面简要谈一下对一道高考题的思考,以期达到抛砖引玉的作用,不当之处,敬请批评指正.
问题1同室四人各写一张贺卡,先集中起来,然后每人从中抽取一张别人送出的贺卡,则四张贺卡不同的分配方法有多少种?
思路1若4张贺卡任意分给4个人有A44种,而其中只有1人拿自己贺卡有C14×2种分法,有2人拿自己贺卡有C24种分法,有3人拿自己贺卡时则第4人一定拿自己贺卡,则只有1种分法.
因此满足条件的分法种数为:A44-2C14-C24-1=9.
思路2对4人分别编1,2,3,4四个号,对四张贺卡也编上1,2,3,4四个号,那么1,2,3,4填入四个方格的一个填法对应贺卡的一种抽取法,原题转化成上面所述方格的编号与所填数字不同的填法种数问题.
据题意,数字1不填1号格,它只能填2,3,4号格,如图,1
故第一类中有三种填法.
1在第2格与在第3格、第4格性质完全相同,同理可得到第二类、第三类各有三种填法.
所以根据分类加法计数原理,可得满足条件的填法为3+3+3=9.
问题2若把上面题目改为:同室n(n∈N+)人各写一张贺卡,先集中起来,然后每人从中抽取一张别人送出的贺卡,则n张贺卡不同的分配方法有多少种?
分析用Sn表示同室n(n∈N+)人时的抽取方法数.易得:
①当n=1时,有0种抽取方法,即S1=0.
②当n=2时,有1种抽取方法,即S2=1.
③当n=3时,有2种抽取方法,即S3=2.
④当n=4时,有9种抽取方法,即S4=9.
……
那么,当有n(n≥3)个人时的抽法种数为
Sn=(n-1)(Sn-1+Sn-2).
思路分析对室内的n个人分别编号为a1,a2,a3,…,an,他们所写的贺卡编号为A1,A2,A3,…,An,则室内的前n-1个人与第n个人an抽取贺卡时仅有两种情况:
第一种情况是第n个人an与前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1中的一个互换了贺卡,不妨假设第n个人与第n-1个人互换了贺卡,即an与an-1互换了贺卡,则前n-2个人a1,a2,a3,…,an-2之间相互抽取贺卡,和an与an-1的抽法无关,其抽取方法种数为Sn-2.而第n个人an与前n-1个人中任一人可以互换贺卡,有C1n-1种抽取方法.
由分步乘法计数原理可知有C1n-1·Sn-2种抽法.
第二种情况是第n个人an与前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1中的任何人的贺卡不是互换的,即ai(1≤i≤n-1)抽取了an写的贺卡An,而an抽取的是aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡Aj.我们可以先使前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1相互抽取贺卡,每人不能抽取自己写的贺卡,共有Sn-1种抽取方法;第n个人an用自己所写的贺卡An与前n-1个人中任一人所抽取的贺卡互换,例如前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1相互抽取贺卡时ai(1≤i≤n-1)抽的是aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡Aj,即ai抽取的是Aj;而an用自己所写的贺卡An与ai(1≤i≤n-1)抽的aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡互换Aj,这样最终就出现了:
ai抽取的是An,
an抽取的是Aj,
共有C1n-1种抽取方法.
对于第二种情况,由分步乘法计数原理可知有C1n-1·Sn-1种抽法.
综合上述两种情况可得总的抽法种数为
Sn=C1n-1·Sn-2+C1n-1·Sn-1=C1n-1·(Sn-2+Sn-1)(n≥3).
所以Sn=0n=1,
1n=2,
C1n-1(Sn-2+Sn-1)n≥3.
【参考文献】
[1]赵小云.数学家的策略.北京:中国少年儿童出版社,1997.
[2]高体柱,张廷永.高考能力型试题研练(数学).北京:北京工业大学出版社,2001.
[3]李名德,李胜宏.高中数学竞赛培优教程(一练).杭州:浙江大学出版社,2008.
问题1同室四人各写一张贺卡,先集中起来,然后每人从中抽取一张别人送出的贺卡,则四张贺卡不同的分配方法有多少种?
思路1若4张贺卡任意分给4个人有A44种,而其中只有1人拿自己贺卡有C14×2种分法,有2人拿自己贺卡有C24种分法,有3人拿自己贺卡时则第4人一定拿自己贺卡,则只有1种分法.
因此满足条件的分法种数为:A44-2C14-C24-1=9.
思路2对4人分别编1,2,3,4四个号,对四张贺卡也编上1,2,3,4四个号,那么1,2,3,4填入四个方格的一个填法对应贺卡的一种抽取法,原题转化成上面所述方格的编号与所填数字不同的填法种数问题.
据题意,数字1不填1号格,它只能填2,3,4号格,如图,1
故第一类中有三种填法.
1在第2格与在第3格、第4格性质完全相同,同理可得到第二类、第三类各有三种填法.
所以根据分类加法计数原理,可得满足条件的填法为3+3+3=9.
问题2若把上面题目改为:同室n(n∈N+)人各写一张贺卡,先集中起来,然后每人从中抽取一张别人送出的贺卡,则n张贺卡不同的分配方法有多少种?
分析用Sn表示同室n(n∈N+)人时的抽取方法数.易得:
①当n=1时,有0种抽取方法,即S1=0.
②当n=2时,有1种抽取方法,即S2=1.
③当n=3时,有2种抽取方法,即S3=2.
④当n=4时,有9种抽取方法,即S4=9.
……
那么,当有n(n≥3)个人时的抽法种数为
Sn=(n-1)(Sn-1+Sn-2).
思路分析对室内的n个人分别编号为a1,a2,a3,…,an,他们所写的贺卡编号为A1,A2,A3,…,An,则室内的前n-1个人与第n个人an抽取贺卡时仅有两种情况:
第一种情况是第n个人an与前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1中的一个互换了贺卡,不妨假设第n个人与第n-1个人互换了贺卡,即an与an-1互换了贺卡,则前n-2个人a1,a2,a3,…,an-2之间相互抽取贺卡,和an与an-1的抽法无关,其抽取方法种数为Sn-2.而第n个人an与前n-1个人中任一人可以互换贺卡,有C1n-1种抽取方法.
由分步乘法计数原理可知有C1n-1·Sn-2种抽法.
第二种情况是第n个人an与前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1中的任何人的贺卡不是互换的,即ai(1≤i≤n-1)抽取了an写的贺卡An,而an抽取的是aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡Aj.我们可以先使前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1相互抽取贺卡,每人不能抽取自己写的贺卡,共有Sn-1种抽取方法;第n个人an用自己所写的贺卡An与前n-1个人中任一人所抽取的贺卡互换,例如前n-1个人a1,a2,a3,…,an-1相互抽取贺卡时ai(1≤i≤n-1)抽的是aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡Aj,即ai抽取的是Aj;而an用自己所写的贺卡An与ai(1≤i≤n-1)抽的aj(1≤j≤n-1且i≠j)写的贺卡互换Aj,这样最终就出现了:
ai抽取的是An,
an抽取的是Aj,
共有C1n-1种抽取方法.
对于第二种情况,由分步乘法计数原理可知有C1n-1·Sn-1种抽法.
综合上述两种情况可得总的抽法种数为
Sn=C1n-1·Sn-2+C1n-1·Sn-1=C1n-1·(Sn-2+Sn-1)(n≥3).
所以Sn=0n=1,
1n=2,
C1n-1(Sn-2+Sn-1)n≥3.
【参考文献】
[1]赵小云.数学家的策略.北京:中国少年儿童出版社,1997.
[2]高体柱,张廷永.高考能力型试题研练(数学).北京:北京工业大学出版社,2001.
[3]李名德,李胜宏.高中数学竞赛培优教程(一练).杭州:浙江大学出版社,2008.