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组合与排列
有什么分别?
我们在使用 "组合" 这个词时,通常都不会讲究物件的次序。换句话说: "我的水果沙拉是苹果、葡萄和香蕉的组合" 我们并不理会水果的次序,我们可以说:"香蕉、葡萄和苹果" 或 "葡萄、苹果和香蕉"。都是同样的水果沙拉。 "保险箱的密码是 472"。这个数字组合的次序就重要了。"724" 打不开保险箱。"247" 也不行。一定要是 4-7-2。因此,在数学中我们用精确的语言: 如果次序不重要,就叫组合。 如果次序重要就叫排列。 比较精确的名字应该是 "排列锁"!换句话说: 排列是有序的组合。 记住:要 "排" 列就需要次序,不然堆成一 "组" 就可以了…… 排列有两种基本排列: 可重复:像暗码锁的暗码。暗码可以是 "333"。 不可重复:例如赛跑的首三名。一个人不能同时是第一名和第二名。一、重复排列 这是最容易计算的。 当一个东西有 n个不同类型时 …… 我们每次就有 n 个选择! 例如:选 3个,排列是: n × n × n (n 自乘 3次) 一般来说:从有 n个不同类型的东西里选 r个的排列是: n × n × ...(r次) (换句话说,选第一个时有 n个可能,然后选第二个时也有 n个可能,依此类推,每次乘以 n。) 用 r 的指数来写比较简单: n × n × …… (r次) = nr 例子:暗码锁的暗码有三个数字,每个数字可以是(0、1、2、3、4、5、6、7、8、9)里的其中一个: 10 × 10 × … (3次) = 103 = 1,000个排列 公式就是: nr 其中 n 是被选择的东西的个数,而我们要选 r次 (可以重复,次序重要)二、不重复排列 在这个情况下,每选一个后我们就要把选择的可能减少一个。 例如,16个桌球有几个不同次序的排列? 选了 "14" 号球后,我们不能再选它,所以剩下来的选择可能就少了一个。 因此:第一个由 16个可能,第二个只有 15个可能,接下来就是 14,13 等等。排列的总数是: 16 × 15 × 14 × 13 × … = 20,922,789,888,000 但我们可能只需要选 3个球,所以排列个数只是: 16 × 15 × 14 = 3,360 换句话说,有 3,360 不同的方法去从 16个球里排列 3个球。 不可以重复,选择可能每次减少一个。 怎样用数学语言来描述呢?答案:用 "阶乘函数" 阶乘函数 (符号: !)的意思是把一系列逐项减小的自然数相乘。例子: 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24 7! = 7 × 6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 5,040 1! = 1 注意:惯例是 0! = 1。很有趣,没有数字相乘的结果是 1!不过使用这个惯例,我们可以简化很多方程。所以,选所有桌球的排列是: 16! = 20,922,789,888,000 但如果我们只选 3个,我们不需要乘以 14 以下的数。我们怎样表达这个呢?除以 13! 16 × 15 × 14 × 13 × 12 … = 16 × 15 × 14 = 3,360 13 × 12 …留意 16! / 13! = 16 × 15 × 14 公式是: n!(n − r)! 其中 n 是被选择的东西的个数,而我们在其中需要选 r个 (不重复,次序重要) 例子:"16个球里排列 3个"是: 16! = 16! = 20,922,789,888,000 = 3,360 (16-3)! 13! 6,227,020,800(等于: 16 × 15 × 14 = 3,360) 例子:10个人里可以有几个第一和第二的排列? 10! = 10! = 3,628,800 = 90 (10-2)! 8! 40,320(等于: 10 × 9 = 90) 记法还有更简单的记法,不需要把整个公式写出来: 例子:P(10,2) = 90 组合有两种组合(次序不重要): 可重复:例如口袋里的硬币 (5,5,5,10,10) 不可重复:例如彩票号码 (2,14,15,27,30,33)一、重复组合 这个最难解释,我们待会儿再讲。 二、不重复组合这就是彩票背后的原理。数字逐个抽出来,如果抽出我们选择了的号码(不论次序),我们就中奖了! 最简单的解释是: 假设次序重要(即是排列), 然后调整为次序不重要的答案。回到上面桌球的例子,假设我们只需要知道选了哪 3个桌球,而次序不重要。 上面计算量 16 选 3 有 3,360个不同排列。 但如果次序不重要,其中很多排列就变成相同的了! 例如,假设选了 1、2 和 3 号球。有以下可能: 次序重要 次序不重要 1 2 3 1 3 2 2 1 3 2 3 1 3 1 2 3 2 1 1 2 3所以排列比组合有大 6倍的可能。 我们可以用上面排列的公式来计算 "1 2 3" 可以有几个不同排列。答案是: 3! = 3 × 2 × 1 = 6 (另一个例子:4样东西可以有 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24 个不同排列方法。你可以自己去试试!) 因此,如果次序不重要,我们就需要把排列的公式以选择出来的东西的排列个数减小: 这个公式非常重要,它有自己的记法: 其中 n 是被选择的东西的个数,我们在其中需要选 r个 (不重复,次序不重要)通常可以这样说:"n 取 r"(例如 "16 取 3") 也称为二项系数。 记法除了用上面的 "大括号",也可以用以下的记法:
要牢记这个公式: n!r!(n − r)! 例子桌球的例子就是(次序不重要): 16! = 16! = 20,922,789,888,000 = 560 3!(16-3)! 3!×13! 6×6,227,020,800也可以这样做: 16×15×14 = 3360 = 560 3×2×1 6
留意公式的对称: 换句话说,16 取 3 和 16 取 13 是相等的。想想:每一次选要的 3个时,你也选了剩下的 13个不要,所以 选 3个和选 13个的组合个数是相同的。 16! = 16! = 16! = 560 3!(16-3)! 13!(16-13)! 3!×13! 杨辉三角我们也可以用杨辉三角来计算这些数值。去第 "n" 行(顶行是第 0),然后向右 "r" 个位就是合适的数值。这是第 16行附近: 1 14 91 364 … 1 15 105 455 1365 … 1 16 120 560 1820 4368 …一、重复组合 现在我们来看重复组合 …… 有五种冰激凌口味:香蕉、巧克力、柠檬、草莓和香草。 我想要三球(节食?什么节食?)。有几个选择? 我们用英语字母来代表口味:{b, c, l, s, v}。这是一些选择: {c, c, c}(3 球巧克力) {b, l, v}(香蕉、柠檬和香草各一球) {b, v, v}(一球香蕉,两球香草)(就是:从 n=5个东西里选 r=3个。 次序不重要,可以重复!) 我不可以描述怎样计算答案,但我可以告诉你一个特别技巧。 想象冰激凌在桶五个桶里。我们可以说:"向右移到下一个桶,挖三球,再移过三个桶"。这样就有 3球巧克力了! 就好像命令一个机械人去挖冰激凌! 我们可以用图来显示:(箭头代表移,圆代表挖)。 上面的三个例子就是这样: {c, c, c}(3球巧克力): {b, l, v}(香蕉、柠檬和香草各一球): {b, v, v}(香蕉一球、香草两球):我们现在可以不考虑口味,我们有一个更简单的问题:"有几个方法排列箭头与圆?" 注意一定有 3个圆(3个球)和 4个箭头(向右移 4次)。 所以有 r + (n−1) 个位置,而我们要在 r个位置放个圆。 就像:"有 r + (n−1)个桌球,我们要选 r个"。现在问题和上面的桌球例子一样,不过数字有点不同: 其中 n 是被选择的东西的个数,我们在其中要选 r个 (可以重复,次序不重要)如果我们选箭头,就是 "有 r + (n−1)个位置,要在 (n−1)个位置放个箭头",答案是一样的: 那么,这个例子的答案是多少? (3+5−1)! = 7! = 5040 = 35 3!(5−1)! 3!×4! 6×24有 35个不同的组合去在 5种口味里选 3球冰激凌。 结论我们讲了很多。我建议你再看一遍这个页面! 但是,了解这些公式背后的原理只是个开始,在现实生活里应用这些公式也不容易。 至少你现在懂得怎样计算这 4个情况的排列与组合了:"次序重要/不重要" 以及 "可/不可重复". 活动:子集 组合与排列计算器 杨辉三角 彩票 |
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