Комбинаторика и Бином Ньютона

Элементы комбинаторики:

Комбинаторика — раздел математики, в котором изучаются способы выбора и размещения элементов некоторого конечного множества на основании некоторых условий. Выбранные (или выбранные и размещенные) группы элементов называются Соединения с повторениямими.

Если все элементы полученного множества разные — получаем соединения без повторений, а если в полученном множестве элементы повторяются, то получаем соединения с повторениями*.

Перестановки:

Перестановкой из п элементов называется любое упорядоченное множество из элементов.

Иными словами, это такое множество, для которого указано, какой элемент находится на первом месте, какой — на втором,..., какой — на п-м.

*Формулы для нахождения количества соединений с повторениями являются обязательными только для классов физико-математического профиля. Формула числа перестановок (читается: «Эн факториал»)

Пример:

Количество различных шестизначных чисел, которые можно составить из цифр 1, 2, 3, 4, 5, 6, не повторяя эти цифры в одном числе, равно

Размещения:

Размещением из элементов по называется любое упорядоченное множество из элементов, состоящее из элементов -элементного множества Формула числа размещений

Пример:

Количество различных трехзначных чисел, которые можно составить из цифр 1,2,3, 4, 5, 6, если цифры не могут повторяться, равно

Сочетания:

Сочетанием без повторений из элементов по называется любое -элементное подмножество -элементного множества Формула числа сочетаний

(по определению считают, что )

Пример:

Из класса, состоящего из 25 учащихся, можно выделить 5 учащихся для дежурства по школе способами, то есть способами. Некоторые свойства числа сочетаний без повторений

Схема решения комбинаторных задач

Выбор правила:

Правило суммы

Если элемент А можно выбрать способами, а элемент В — способами, то А или В можно выбрать способами.

Правило произведения

Если элемент А можно выбрать способами, а после этого элемент В — способами, то А и В можно выбрать способами. Выбор формулы

Учитывается ли порядок следования элементов в соединении?

• Нет

Все ли элементы входят в соединение?

• Перестановки
• Размещения
• Сочетания

без повторений с повторениями без повторений с повторениями без повторений с повторениями

Объяснение и обоснование:

Понятие соединения

При решении многих практических задач приходится выбирать из определенной совокупности объектов элементы, имеющие те или иные свойства, размещать эти элементы в определенном порядке и т. д. Поскольку в этих задачах речь идет о тех или иных комбинациях объектов, то такие задачи называют комбинаторными. Раздел математики, в котором рассматриваются методы решения комбинаторных задач, называется комбинаторикой. В комбинаторике рассматривается выбор и размещение элементов некоторого конечного множества на основании определенных условий.

Выбранные (или выбранные и размещенные) группы элементов называют соединениями. Если все элементы полученного множества разные — получаем размещения без повторений, а если в полученном множестве элементы могут повторяться, то получаем размещения с повторениями. Рассматриваются соединения без повторений, а соединения с повторениями.

Решение многих комбинаторных задач базируется на двух основных правилах — правиле суммы и правиле произведения.

Правило суммы

Если на тарелке лежит 5 груш и 4 яблока, то выбрать один фрукт (то есть грушу или яблоко) можно 9 способами (5 + 4 = 9). В общем виде имеет место такое утверждение:

• если элемент А можно выбрать способами, а элемент В — способами, то А или В можно выбрать способами.

Правило произведения

Если в киоске продают ручки 5 видов и тетради 4 видов, то выбрать набор из ручки и тетради (то есть пару — ручка и тетрадь) можно 5 • 4 = 20 способами (поскольку с каждой из 5 ручек можно взять любую из 4 тетрадей). В общем виде имеет место такое утверждение:

• если элемент А можно выбрать m способами, а после этого элемент В — способами, то А и В можно выбрать m • п способами.

Это утверждение означает, что если для каждого из т элементов А можно взять в пару любой из элементов В, то количество пар равно произведению

Повторяя приведенные рассуждения несколько раз (или, иначе говоря, используя метод математической индукции), получаем, что правила суммы и произведения можно применять при выборе произвольного конечного количества элементов.

Следовательно, если приходится выбирать или первый элемент, или второй, или третий и т. д. элемент, количества способов выбора каждого еле-мента складывают, а когда приходится выбирать набор, в который входят и первый, и второй, и третий, и т. д. элементы, количества способов выбора каждого элемента перемножают.

Упорядоченные множества

При решении комбинаторных задач приходится рассматривать не только множества, в которых элементы можно записывать в любом порядке, но и так называемые упорядоченные множества. Для упорядоченных множеств существенным является порядок следования их элементов, то есть то, какой элемент записан на первом месте, какой на втором и т. д. В частности, если одни и те же элементы записать в разном порядке, то мы получим различные упорядоченные множества. Чтобы различить записи упорядоченного и неупорядоченного множеств, элементы упорядоченного множества часто записывают в круглых скобках, например

Рассматривая упорядоченные множества, следует учитывать, что упорядоченность не является свойством самого неупорядоченного множества (из которого мы получили упорядоченное), поскольку одно и то же множество можно по-разному упорядочить. Например, множество из трех чисел {-5; 1; 3} можно упорядочить по возрастанию: (-5; 1; 3), по убыванию: (3; 1; - 5), по возрастанию абсолютной величины числа: (1; 3; -5) и т. д.

Будем понимать, что для того чтобы задать конечное упорядоченное множество из п элементов, достаточно указать, какой элемент находится на первом месте, какой на втором,..., какой на п-м.

Размещения

Размещением из элементов по называется любое упорядоченное множество из элементов, состоящее из элементов -элементного множества.

Например, из множества, содержащего три цифры {1; 5; 7}, можно составить следующие размещения из двух элементов без повторений: (1;5),(1;7),(5; 7), (5; 1), (7; 1), (7; 5).

Количество размещений из элементов по обозначается (читается: «А из по », А — первая буква французского слова arrangement, что означает «размещение, приведение в порядок»). Как видим,

Выясним, сколько всего можно составить размещений из элементов по без повторений. Составление размещения представим себе как последовательное заполнение мест, которые мы будем изображать в виде клеточек (рис. 126). На первое место мы можем выбрать один из п элементов заданного множества (то есть элемент для первой клеточки можно выбрать способами).

Если элементы нельзя повторять, то на второе место можно выбрать только один элемент из оставшихся, то есть из - 1 элементов. Теперь уже два элемента использованы и на третье место можно выбрать только один из - 2 элементов и т. д. На -e место можно выбрать только один из элементов.

Поскольку требуется выбрать элементы и на первое место, и на второе,..., и на -e, то используем правило произведения, получим следующую формулу числа размещений из элементов по

Например, (что совпадает с соответствующим значением, полученным выше). Аналогично можно обосновать формулу для нахождения числа размещений с повторениями.

При решении простейших комбинаторных задач важно правильно выбрать формулу, по которой будут проводиться вычисления. Для этого достаточно выяснить следующее:

• — Учитывается ли порядок следования элементов в соединении?
• — Все ли заданные элементы входят в полученное соединение?

Если, например, порядок следования элементов учитывается и из заданных элементов в соединении используется только элементов, то по определению — это размещение из элементов по .

Заметим, что после определения вида соединения следует также выяснить, могут ли элементы в соединении повторяться, то есть выяснить, какую формулу необходимо использовать — для количества соединений без повторений или с повторениями.

Примеры решения задач:

Пример №42

На соревнования по легкой атлетике приехала команда из 12 спортсменок. Сколькими способами тренер может определить, кто из них побежит в эстафете 4 х 100 м на первом, втором, третьем и четвертом этапах?

Решение:

Количество способов выбрать из 12 спортсменок четырех для участия в эстафете равно количеству размещений из 12 элементов по 4 (без повторений), то есть

Комментарий:

Для выбора формулы выясняем ответы на вопросы, приведенные выше. Поскольку для спортсменок важно, в каком порядке они будут бежать, то порядок при выборе элементов учитывается. В полученное соединение входят не все 12 заданных элементов. Следовательно, соответствующее соединение — размещение из 12 элементов по 4 (без повторений, поскольку каждая спортсменка может бежать только на одном этапе эстафеты).

Пример №43

Найдите количество трехзначных чисел, которые можно составить из цифр 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, если цифры в числе не повторяются.

Решение:

Количество трехзначных чисел, которые можно составить из семи цифр 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, равно числу размещений из 7 элементов по 3, то есть

Комментарий:

Для выбора формулы выясняем, что для чисел, которые мы будем составлять, порядок следования цифр учитывается и не все элементы выбираются (только 3 из заданных семи). Следовательно, соответствующее соединение — размещение из 7 элементов по 3 (без повторений).

Пример №44

Найдите количество трехзначных чисел, которые можно составить из цифр 1, 2, 3, 4, 5, 6, 0, если цифры в числе не повторяются.

Комментарий:

Выбор формулы проводится таким же образом, как и в задаче 2. Следует учесть, что если число, составленное из трех цифр, начинается цифрой О, то оно не считается трехзначным. Следовательно, для ответов на вопросы задачи можно сначала из заданных 7 цифр записать все числа, состоящие из 3 цифр (см. пример 2), а затем из количества полученных чисел вычесть количество чисел, составленных из трех цифр, но начинающих цифрой 0. В последнем случае мы фактически будем из всех цифр без нуля (их 6) составлять двузначные числа. Тогда их количество равно числу размещений из 6 элементов по 2 (см. решение).

Также можно выполнить непосредственное вычисление, последовательно заполняя три места в трехзначном числе и используя правило произведения. В этом случае удобно сделать рассуждения наглядными, изображая соответствующие разряды в трехзначном числе в виде клеточек, например, так:

• 6 возможностей
• 6 возможностей
• 5 возможностей

Решение:

Количество трехзначных чисел, которые можно составить из семи цифр (среди которых нет цифры 0), если цифры в числе не повторяются, равно числу размещений из 7 элементов по 3, то есть

Но среди данных цифр есть цифра 0, с которой не может начинаться трехзначное число. Поэтому из размещений из 7 элементов по 3 необходимо исключить те размещения, в которых первым элементом является цифра 0. Их количество равно числу размещений из 6 элементов по 2, то есть Следовательно, искомое количество трехзначных чисел равно

Пример №45

Решите уравнение

Решение:

Тогда получаем На ОДЗ это уравнение равносильно уравнениям:

Комментарий:

Уравнения, в запись которых входят выражения, обозначающие количество соответствующих соединений из х элементов, считаются определенными только при нату ральных значениях переменной х. В данном случае, чтобы выражение имело смысл необходимо выбирать натуральные значения (в этом случае также существует и, конечно, Для преобразования уравнения используем соответствующие формулы:

Перестановки

Перестановкой из п элементов называется любое упорядоченное множество из элементов

Напомним, что упорядоченное множество — это такое множество, для которого указано, какой элемент находится на первом месте, какой на втором,..., какой на

Например, переставляя цифры в числе 236 (там множество цифр {2; 3; 6} уже упорядоченное), можно составить такие перестановки без повторений: (2; 3; 6), (2; 6; 3), (3; 2; 6), (3; 6; 2), (6; 2; 3), (6; 3; 2) — всего 6 перестановок*.

Количество перестановок без повторений из элементов обозначается (Р — первая буква французского слова permutation — перестановка). Как видим,

Фактически перестановки без повторений из элементов являются размещениями из элементов по без повторений, поэтому Произведение 1 • 2 • 3 •... • обозначается

!. Поэтому полученная формула числа перестановок без повторений из элементов может быть записана так:

*Отметим, что каждая такая перестановка определяет трехзначное число, составленное из цифр 2,3,6 так, что цифры в числе не повторяются.

Например, (что совпадает с соответствующим значением, полученным выше).

С помощью факториалов формулу для числа размещений без повторений

можно записать в другом виде. Для этого умножим и разделим выражение в формуле (1) на произведение Получаем

Следовательно, формула числа размещений без повторений из элементов по может быть записана так:

Для того чтобы этой формулой можно было пользоваться при всех значениях в частности, при договорились считать, что

Например, по формуле (2)

Обратим внимание, что в тех случаях, когда значение ! оказывается очень большим, ответы оставляют записанными с помощью факториалов.

Например,

Примеры решения задач:

Напомним, что для выбора формулы при решении простейших комбинаторных задач достаточно выяснить следующее:

• — Учитывается ли порядок следования элементов в соединении?
• — Все ли заданные элементы входят в полученное соединение? Если, например, порядок следования элементов учитывается и все п заданных элементов используются в соединении, то по определению это перестановки из п элементов.

Пример №46

Найдите, сколькими способами можно восемь учащихся построить в колонну по одному.

Решение:

Количество способов равно числу перестановок из 8 элементов. То есть

Комментарий:

Для выбора соответствующей формулы выясняем ответы на вопросы, приведенные выше. Поскольку порядок следования элементов учитывается и все 8 заданных элементов выбираются, то соответствующие соединения — это перестановки из 8 элементов без повторений. Их количество можно вычислить по формуле.

Пример №47

Найдите количество разных четырехзначных чисел, которые можно составить из цифр 0, 3, 7, 9 (цифры в числе не повторяются).

Решение:

Из четырех цифр 0, 3, 7, 9, не повторяя заданные цифры, можно получить перестановок. Перестановки, начинающиеся с цифры 0, не являются записью четырехзначного числа — их количество . Тогда искомое количество четырехзначных чисел равно

Комментарий:

Поскольку порядок следования элементов учитывается и для получения четырехзначного числа надо использовать все элементы, то искомые соединения — это перестановки из 4 элементов. Их количество — . При этом необходимо учесть, что в четырехзначном числе на первом месте не может стоять цифра 0. Таких чисел будет столько, сколько раз мы сможем выполнить перестановки из 3 оставшихся цифр, то есть .

Пример №48

Есть десять книг, из которых четыре — учебники. Сколькими способами можно поставить эти книги на полку так, чтобы все учебники стояли рядом?

Решение:

Сначала будем рассматривать учебники как одну книгу. Тогда на полке надо расставить не 10, а 7 книг. Это можно сделать способами. В каждом из полученных наборов книг можно выполнить еще перестановок учебников. По правилу умножения искомое количество способов равно

Комментарий:

Задачу можно решать в два этапа. На первом этапе условно будем считать все учебники за 1 книгу. Тогда получим 7 книг (6 не учебников + 1 условная книга — учебник). Порядок следования элементов учитывается и используются все элементы (поставить на полку необходимо все книги). Следовательно, соответствующие соединения — это перестановки из 7 элементов. Их количество — .

На втором этапе решения будем переставлять между собой только учебники. Это можно сделать способами. Поскольку нам надо переставить и учебники, и другие книги, то используем правило произведения.

Сочетания без повторений

Сочетанием без повторений из элементов по называется любое -элементное подмножество -элементного множества.

Например, из множества } можно составить следующие сочетания без повторений из трех элементов:

Количество сочетаний без повторений из п элементов по к элементов обозначается символом (читается: «Число сочетаний из » или «це из », С — первая буква французского слова combinaison — сочетание). Как видим,

Выясним, сколько всего можно составить сочетаний без повторений из элементов по . Для этого используем известные нам формулы числа размещений и перестановок.

Составление размещения без повторений из элементов по проведем в два этапа. Сначала выберем разных элементов из заданного -элементного множества, не учитывая порядок выбора этих элементов (то есть выберем -элементное подмножество из -элементного множества — сочетание без повторений из -элементов по ). По нашему обозначению это можно сделать способами. После этого полученное множество из к разных элементов упорядочим. Его можно упорядочить способами. Получим размещения без повторений из элементов по . Следовательно, количество размещений без повторений из элементов по в раз больше числа сочетаний без повторений из элементов по . То есть Отсюда Учитывая, что по формуле (2) , получаем

Например, совпадает со значением, полученным выше.

Используя формулу (3), можно легко обосновать свойство 1 числа сочетаний без повторений, приведенное в таблице 21.

1) Поскольку

Для того чтобы формулу (4) можно было использовать и при , договорились считать, что . Тогда по формуле (4) .

Если в формуле (3) сократить числитель и знаменатель на , то получим формулу, по которой удобно вычислять при малых значениях :

Например,