6.2.2 排列数

人教 A 版 · 本节 4 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 5 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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本节的知识树

2 概念 · 1 公式 · 最深 3 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 5 道

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

排列数:把「一步一步乘」压成一个符号

一、给排列的个数起个名字

上一小节立好了「排列」这个概念,但每算一次仍要重讲一遍分步乘法计数原理。本节做的第一件事就是命名:

从 nn 个不同元素中取出 m (m⩽n)m\ (m \leqslant n) 个元素的所有不同排列的个数, 叫做从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素的排列数,记作 Anm\mathrm{A}_n^m。

符号里的 A\mathrm{A} 取自英文 arrangement(排列)的首字母。有了它,上一节两个问题的答案可以写成

A32=3×2=6,A43=4×3×2=24.\mathrm{A}_3^2 = 3\times 2 = 6, \qquad \mathrm{A}_4^3 = 4\times 3\times 2 = 24.

注意 Anm\mathrm{A}_n^m 是一个数,不是一个式子的名字。 下标 nn 是「一共有多少个元素可选」, 上标 mm 是「要排多少个位置」。写的时候别把两个数颠倒——下标一定不小于上标。

二、公式怎么来的:填空位

推导的模型是一排排好顺序的 mm 个空位。从 nn 个不同元素中取出 mm 个去填这些空位, 一个空位填一个元素;每一种填法给出一个排列,反过来每一个排列也来自唯一一种填法。 所以「填法的种数」与「排列数」是同一个数。

先看 m=2m = 2。填两个空位分两步:

  • 第 1 步,填第 1 个位置:从 nn 个元素中任选 11 个,nn 种;
  • 第 2 步,填第 2 个位置:只能从剩下的 n−1n-1 个中选,n−1n-1 种。

由分步乘法计数原理,

An2=n(n−1).\mathrm{A}_n^2 = n(n-1).

同理 An3=n(n−1)(n−2)\mathrm{A}_n^3 = n(n-1)(n-2)。一般地,填 mm 个空位分 mm 步,第 kk 步剩下 n−(k−1)n-(k-1) 个元素可选, 最后一步(第 mm 步)剩 n−m+1n-m+1 个。相乘即得排列数公式:

Anm=n(n−1)(n−2)⋯(n−m+1),m, n∈N∗, m⩽n.\mathrm{A}_n^m = n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1), \qquad m,\ n \in \mathbf{N}^*,\ m \leqslant n.

这个公式的三个特点,记住比记住式子本身更有用:

  1. 从 nn 起,逐个递减地连乘;
  2. 一共乘 mm 个因数(不是 m−1m-1 个,也不是 m+1m+1 个);
  3. 最后一个因数是 n−m+1n-m+1。

第 2 条是查错的最快办法:算 A83\mathrm{A}_8^3 时数一数「8×7×68\times7\times6」正好三个因数 ✓。 第 3 条则可以反查:8−3+1=68-3+1 = 6,末项确实是 66 ✓。

A52=5×4=20,A83=8×7×6=336.\mathrm{A}_5^2 = 5\times4 = 20, \qquad \mathrm{A}_8^3 = 8\times7\times6 = 336.

三、全排列与阶乘

把 nn 个不同元素全部取出排成一列,叫做这 nn 个元素的一个全排列。此时 m=nm = n,公式给出

Ann=n×(n−1)×(n−2)×⋯×3×2×1.\mathrm{A}_n^n = n\times(n-1)\times(n-2)\times\cdots\times 3\times 2\times 1.

正整数 11 到 nn 的连乘积叫做 nn 的阶乘,记作 n!n!。于是

Ann=n!.\mathrm{A}_n^n = n!.

另外规定 0!=10! = 1。这条规定不是凭空定的,它是为了让下一段的除法公式在 m=nm = n 时也成立 (Ann=n!0!\mathrm{A}_n^n = \dfrac{n!}{0!} 要等于 n!n!,就必须有 0!=10! = 1)。

四、公式的第二个写法:阶乘形式

课本用例 3 的四个结果把学生引到一个观察上:

A73=A77A44=7!4!,A64=A66A22=6!2!.\mathrm{A}_7^3 = \frac{\mathrm{A}_7^7}{\mathrm{A}_4^4} = \frac{7!}{4!}, \qquad \mathrm{A}_6^4 = \frac{\mathrm{A}_6^6}{\mathrm{A}_2^2} = \frac{6!}{2!}.

一般的道理是「上下同补,把缺的尾巴补齐再除掉」:

Anm=n(n−1)⋯(n−m+1)=n(n−1)⋯(n−m+1)×(n−m)×⋯×2×1(n−m)×⋯×2×1=n!(n−m)!.\mathrm{A}_n^m = n(n-1)\cdots(n-m+1) = \frac{n(n-1)\cdots(n-m+1)\times(n-m)\times\cdots\times 2\times 1}{(n-m)\times\cdots\times 2\times 1} = \frac{n!}{(n-m)!}.

于是排列数公式有了第二个写法:

Anm=n!(n−m)!.\mathrm{A}_n^m = \frac{n!}{(n-m)!}.

两个写法各有各的用处:

写法什么时候用
n(n−1)⋯(n−m+1)n(n-1)\cdots(n-m+1)算具体数值——因数少,直接乘
n!(n−m)!\dfrac{n!}{(n-m)!}做恒等变形、证明、约分——分子分母能大段消掉

举例:算 A124\mathrm{A}_{12}^4 用第一个写法(四个因数相乘); 证明 Anm=n An−1m−1\mathrm{A}_n^m = n\,\mathrm{A}_{n-1}^{m-1} 用第二个写法(两行就完)。 别拿阶乘写法去算数值,12!12! 有九位数,白算。

五、例 4 的三条路:三种计数策略的样板

例 4:用 00~99 这 1010 个数字,可以组成多少个没有重复数字的三位数?

难点只有一个:00 不能放在百位。三条解法正对应三种通用策略。

解法 1(特殊位置优先,分步乘法):先定百位,从 11~99 中取 11 个,A91\mathrm{A}_9^1 种; 再定十位和个位,从剩下的 99 个数字(含 00)中取 22 个排列,A92\mathrm{A}_9^2 种。

A91×A92=9×9×8=648.\mathrm{A}_9^1 \times \mathrm{A}_9^2 = 9\times 9\times 8 = 648.

解法 2(按特殊元素的位置分类,分类加法):以 00 出现与否、出现在哪一位为标准分三类—— 00 不出现(A93\mathrm{A}_9^3)、00 在个位(A92\mathrm{A}_9^2)、00 在十位(A92\mathrm{A}_9^2):

A93+A92+A92=504+72+72=648.\mathrm{A}_9^3 + \mathrm{A}_9^2 + \mathrm{A}_9^2 = 504 + 72 + 72 = 648.

解法 3(间接法 / 正难则反):先不管限制,从 1010 个数字取 33 个排列共 A103\mathrm{A}_{10}^3 种, 再减掉百位是 00 的那些(它们不是三位数):

A103−A92=720−72=648.\mathrm{A}_{10}^3 - \mathrm{A}_9^2 = 720 - 72 = 648.

三条路的选用原则:

  • 限制集中在一个位置上 → 解法 1(先安排那个位置);
  • 限制集中在一个元素上、且它的可能位置不多 → 解法 2(按它的位置分类);
  • 不合格的情形比合格的少 → 解法 3(总数减去不合格)。

三条都算出 648648,这本身就是最好的检验。 计数题最怕「重复计数」和「漏算」, 而它们往往不会同时出现在两种不同的思路里——换一条路重算一遍,是计数问题唯一可靠的自检手段。

六、第四条路:限制只管相对次序时,n!n! 会被等分

例 4 的三条路都在安排位置。还有一类限制根本不提位置,只说几个元素谁前谁后:

  • 「甲必须排在乙的前面」;
  • 「AA、BB 都在 CC 的同一侧」;
  • 「三个人从左到右身高递增」。

这类题用前三条路都做得出来,但都绕。最短的一条是把被约束的那几个元素单拎出来,只看它们的相对次序。

结论。 nn 个不同元素的全排列共 n!n! 个。指定其中 kk 个元素,按它们从左到右的先后次序把这 n!n! 个排列 分堆,则恰好分成 k!k! 堆,且每堆一样大,各含 n!k!\dfrac{n!}{k!} 个。于是

合格的排列数=n!×合格的次序数k!.\text{合格的排列数}=n!\times\frac{\text{合格的次序数}}{k!} .

为什么每堆一样大。 任取两种次序,把其中一堆里的每个排列这样改造:那 kk 个元素占的 kk 个位置不动、 其余元素也一律不动,只把这 kk 个元素在这些位置上按另一种次序重摆一遍。这个改造是可逆的 (反着摆回去即可),所以它是两堆之间的一一对应,两堆元素个数必然相等。

这不是概率意义上的”平均”,是精确的等分——n!n! 一定被 k!k! 整除,算出来的答案永远是整数。

三个例子。

  • 「甲在乙前」:k=2k=2,2!=22!=2 种次序,合格 11 种,答案 n!2\dfrac{n!}{2};
  • 「三人从左到右身高递增」:k=3k=3,3!=63!=6 种次序,合格 11 种,答案 n!6\dfrac{n!}{6};
  • 「AA、BB 在 CC 同侧」:k=3k=3,把 66 种次序写出来 ABCABC、ACBACB、BACBAC、BCABCA、CABCAB、CBACBA, 不合格的只有 CC 居中的 ACBACB 与 BCABCA 两种,答案 n!×46n!\times\dfrac46。

什么时候用不了。 条件一旦扯上距离(相邻、不相邻)或绝对位置(不能排在首位), 各堆就不再一样大,这条路立刻失效——那时候要回到捆绑法、插空法,或者本节前面那三条路。 判断标准很干脆:把那几个元素之外的东西全擦掉,条件还说得清楚吗? 说得清楚就能用。

七、两处容易出错的地方

其一:Anm\mathrm{A}_n^m 里 m⩽nm \leqslant n 是硬条件。 从 55 个元素里取 77 个排列是没有意义的, A57\mathrm{A}_5^7 不存在。解含 A\mathrm{A} 的方程时,务必回头检查每个下标、上标。 解出来的 mm、nn 必须都是正整数,且 m⩽nm\leqslant n,不合的根一律舍去。

其二:别把「有多少种取法」与「有多少个数」混为一谈。 例 4 里两者恰好相等, 是因为「一个排列 ↔\leftrightarrow 一个三位数」是一一对应的。 但若题目允许数字重复、或首位可以是 00,这个对应就断了,答案也要跟着改。 每次用排列数之前,先确认「一个排列恰好对应一个所求对象」。

八、这一节在本章的位置

节新东西一句话
§6.1两条计数原理分类加法、分步乘法
§6.2.1排列的概念顺序算不算数
§6.2.2(本节)Anm\mathrm{A}_n^m、n!n!、两个公式写法把分步乘法固化成一个符号
§6.2.3组合的概念顺序不算数
§6.2.4Cnm=AnmAmm\mathrm{C}_n^m = \dfrac{\mathrm{A}_n^m}{\mathrm{A}_m^m}排列数除以全排列数

下一小节的组合数公式完全建立在本节之上:先按排列算,再把「同一组元素的 m!m! 种顺序」除掉。 所以排列数公式必须先算熟。

九、这一节考过的真题

页面下方「考过本节的真题」是构建期派生的完整清单。排列数很少独当一道题,它多半是别人算式里的一个因子—— 也正因为这样,认出「这一步该用 A\mathrm{A}」比会算 A\mathrm{A} 更值钱。

2013 年浙江卷第 14 题(AA 到 FF 六个字母排一排,AA、BB 均在 CC 的同侧)是第六段那条路的 标准样本。原卷走的是「按 CC 的位置分类」——CC 站第 11、22、33 位时分别有 120120、7272、4848 种, 左右对称再乘 22,得 480480;而用相对次序只要一行:3!=63!=6 种次序把 6!=7206!=720 等分,CC 不居中的有 44 种,

720×46=480.720\times\frac46=480 .

两条路的差别正是第五段那句「限制集中在哪里」的延伸:限制根本不落在任何位置上时,就别去排位置。 另外这道题还给「CC 站第 33 位」埋了一个坑——左边两位、右边三位,「都在左」和「都在右」是两支, 只写后者就会漏掉 1212 种。这正是第五段说的「计数题最怕重复与遗漏」,也正是换一条路重算一遍的价值: 用相对次序算出的 480480 与分类法对上,才敢落笔。

2014 年浙江卷第 14 题(8 张奖券里一、二、三等奖各 1 张,分给 4 个人每人 2 张,问不同的获奖情况有几种) 把本节要的东西各考了一次:

  • A43=4×3×2=24\mathrm{A}_4^3 = 4\times 3\times 2 = 24。 三张奖券各归一人时,要派的是「一等奖给谁、二等奖给谁、 三等奖给谁」三个有区别的位置,正是第二段那张填空位的图——44 个人往 33 个空位里填, 第一个空 44 种、第二个 33 种、第三个 22 种。写成 C43=4\mathrm{C}_4^3 = 4 就是把三个位置当成了没区别, 丢掉一、二、三等奖分给这三人的 3!=63! = 6 倍。
  • A42=4×3=12\mathrm{A}_4^2 = 4\times 3 = 12。 另一类是「一人拿两张、一人拿一张」:先选出哪两张券同归一人 (这一步两张之间没有先后,用组合,C32=3\mathrm{C}_3^2 = 3),再派人——两个人的角色不同 (谁是拿两张的、谁是拿一张的),所以这一步是排列。合起来 C32A42=36\mathrm{C}_3^2\mathrm{A}_4^2 = 36, 与上一条相加得 6060。

同一道题还顺手提供了一个反例,正对着第七段那条「其二」:它另有一条路是让三张奖券各自挑主人, 每张券都有 44 个人可挑、同一个人可以被挑中不止一次,于是那一步是 43=644^{3} = 64 而不是 A43\mathrm{A}_4^3。 排列数的前提是「取出的 mm 个元素互不相同」;一旦允许重复,「一个排列恰好对应一个所求对象」 这层对应就断了,得退回 §6.1 的分步乘法直接写幂。判据只有一句: 每一步是从「剩下的」里选,还是从「全部的」里选。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节目录里有四页(page-0022–page-0025,印刷页码第 17–20 页),印着的题分两块,共 5 道,逐题全做:

  1. 上一小节「练习」的第 2、3 题——它们整道印在 page-0022(第 17 页)上,这一页属于本节的目录, 所以收在这里。(同一组练习的第 1 题印在 §6.2 的末页,在那一份详解里解答。)
  2. 本节「练习」第 1–3 题(page-0025,第 20 页)。

「习题 6.2」印在 §6.2.4 的目录下,归那一份详解,这里不收。

全篇用到的公式先列在这里:

  • 排列数公式(连乘写法):Anm=n(n−1)(n−2)⋯(n−m+1)\mathrm{A}_n^m = n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1),从 nn 起递减、一共 mm 个因数、末项是 n−m+1n-m+1。
  • 排列数公式(阶乘写法):Anm=n!(n−m)!\mathrm{A}_n^m = \dfrac{n!}{(n-m)!},其中 0!=10! = 1。
  • 全排列:Ann=n!\mathrm{A}_n^n = n!。
  • 适用范围:m, n∈N∗m,\ n \in \mathbf{N}^* 且 m⩽nm \leqslant n。
  • 算数值用连乘写法,做变形与证明用阶乘写法。

练习(第 17 页)第 2 题

  1. 一位老师要给 4 个班轮流做讲座,每个班讲 1 场,有多少种轮流次序?

先判断它是不是排列问题(用 §6.2.1 的三问):44 个班两两不同 ✓;每个班只讲 11 场, 一个班排定后不会再排第二次,是不放回的 ✓;「轮流次序」明说了先后有别, 换两个班的先后就是另一种安排 ✓。三问全过,是排列问题。

而且是全排列:44 个班全部要排上,m=n=4m = n = 4。所以

A44=4!=4×3×2×1=24 种.\mathrm{A}_4^4 = 4! = 4\times 3\times 2\times 1 = 24 \ \text{种}.

分步验算:第 1 场从 44 个班中选,44 种;第 2 场从剩下 33 个中选,33 种; 第 3 场 22 种;第 4 场只剩 11 个,11 种。相乘 4×3×2×1=244\times3\times2\times1 = 24 ✓,与公式一致。

注意「每个班讲 1 场」这句话的作用:它保证了不会有某个班被讲两次、某个班被漏掉, 也就是保证了这是 44 个元素的全排列而不是别的。若改成「从 44 个班中挑 22 个班各讲 11 场」, 答案就变成 A42=12\mathrm{A}_4^2 = 12。

练习(第 17 页)第 3 题

  1. 学校乒乓团体比赛采用 5 场 3 胜制(5 场单打),每支球队派 3 名运动员参赛,前 3 场比赛每名运动员各出场 1 次,其中第 1,2 位出场的运动员在后 2 场比赛中还将各出场 1 次.

(1)从5名运动员中选3名参加比赛,前3场比赛有几种出场情况?

(2) 甲、乙、丙 3 名运动员参加比赛,写出所有可能的出场情况.

先把赛制读清楚。 一支队报 33 名运动员,前 33 场每人各打 11 场; 后 22 场由第 1、2 位出场的那两名各再打 11 场。 所以整个出场安排一旦定下「谁打第 1 场、谁打第 2 场、谁打第 3 场」,其余就全定了—— 后 2 场的人选是被前 3 场的次序唯一决定的,不产生新的选择。 于是两问都归结为「前 3 场的次序有多少种」。

(1) 从 55 名运动员中选 33 名,安排到「第 1 场、第 2 场、第 3 场」这 33 个有区别的位置上。

位置有区别(第 1、2 位出场的人后面还要再打一场,第 3 位不用),所以顺序算数,这是排列问题:

A53=5×4×3=60 种.\mathrm{A}_5^3 = 5\times 4\times 3 = 60 \ \text{种}.

分步验算:第 1 场从 55 人中派 11 人,55 种;第 2 场从剩下 44 人中派,44 种; 第 3 场从剩下 33 人中派,33 种。5×4×3=605\times4\times3 = 60 ✓。

这里千万别只算「选 3 名」。若只问「从 55 人中选出 33 人参赛」而不管次序, 那是下一小节的组合问题,答案是 1010;本题多问了「前 33 场的出场情况」,所以要乘上 33 人的全排列 3!=63! = 6, 10×6=6010\times 6 = 60 ✓——两条路又一次对上。

(2) 参赛的三人已经指定为甲、乙、丙,剩下的自由度只有这三人在前 3 场里的先后次序, 即 33 个元素的全排列:

A33=3!=6 种.\mathrm{A}_3^3 = 3! = 6 \ \text{种}.

按第 1 场出场的人分类,逐一写全(记号「甲乙丙」表示第 1 场甲、第 2 场乙、第 3 场丙):

第 1 场甲:甲乙丙,甲丙乙;第 1 场乙:乙甲丙,乙丙甲;第 1 场丙:丙甲乙,丙乙甲.\begin{array}{l} \text{第 1 场甲}:\quad \text{甲乙丙},\quad \text{甲丙乙}; \\ \text{第 1 场乙}:\quad \text{乙甲丙},\quad \text{乙丙甲}; \\ \text{第 1 场丙}:\quad \text{丙甲乙},\quad \text{丙乙甲}. \end{array}

共 33 类、每类 22 个,合计 66 种,与算出的 A33=6\mathrm{A}_3^3 = 6 相符 ✓。

把后 2 场补上看得更清楚:以「甲乙丙」为例,第 1、2 位出场的是甲和乙, 所以后 2 场就由甲、乙各再打 1 场;丙只打第 3 场那一场。 其余五种同理,后 2 场的人选完全跟着前 3 场走,所以上面 66 种已经把所有出场情况列全了。

(1) 与 (2) 的关系:(1) 的 6060 种 ==「先从 55 人中定出哪 33 人上场」×\times「这 33 人的 66 种次序」, 而 (2) 正是把其中一组人(甲、乙、丙)的那 66 种次序写了出来。

练习(第 20 页)第 1 题

  1. 先计算,然后用计算工具检验:

(1) A124A_{12}^{4} ; (2) A88A_{8}^{8} ; (3) A155−15A144A_{15}^{5}-15A_{14}^{4} ; (4) A127A126\frac{A_{12}^{7}}{A_{12}^{6}} .

四问都直接套公式,但该用哪个写法要挑:(1)(2) 用连乘写法算数值,(3)(4) 先做变形再算。

(1) 从 1212 起递减连乘 44 个因数,末项是 12−4+1=912-4+1 = 9:

A124=12×11×10×9=11880.\mathrm{A}_{12}^4 = 12\times 11\times 10\times 9 = 11880.

(中间步骤:12×11=13212\times11 = 132,132×10=1320132\times10 = 1320,1320×9=118801320\times9 = 11880。)

(2) 这是 88 个元素的全排列:

A88=8!=8×7×6×5×4×3×2×1=40320.\mathrm{A}_8^8 = 8! = 8\times7\times6\times5\times4\times3\times2\times1 = 40320.

(中间步骤:8×7=568\times7 = 56,×6=336\times6 = 336,×5=1680\times5 = 1680,×4=6720\times4 = 6720,×3=20160\times3 = 20160,×2=40320\times2 = 40320,×1=40320\times1 = 40320。)

(3) 先别急着算两个大数,看结构:

A155=15×14×13×12×11=15×(14×13×12×11)=15 A144,\mathrm{A}_{15}^5 = 15\times 14\times 13\times 12\times 11 = 15\times\left(14\times13\times12\times11\right) = 15\,\mathrm{A}_{14}^4,

因为 A144=14×13×12×11\mathrm{A}_{14}^4 = 14\times13\times12\times11(从 1414 起 44 个因数,末项 14−4+1=1114-4+1 = 11)恰好就是括号里那一段。所以

A155−15 A144=15 A144−15 A144=0.\mathrm{A}_{15}^5 - 15\,\mathrm{A}_{14}^4 = 15\,\mathrm{A}_{14}^4 - 15\,\mathrm{A}_{14}^4 = 0.

用数值核一遍:A144=14×13×12×11=24024\mathrm{A}_{14}^4 = 14\times13\times12\times11 = 24024, A155=15×24024=360360\mathrm{A}_{15}^5 = 15\times 24024 = 360360,360360−15×24024=0360360 - 15\times 24024 = 0 ✓。

这一小问其实是下一题 (1) 的特例:Anm=n An−1m−1\mathrm{A}_n^m = n\,\mathrm{A}_{n-1}^{m-1},取 n=15n = 15、m=5m = 5 即得 A155=15 A144\mathrm{A}_{15}^5 = 15\,\mathrm{A}_{14}^4。

(4) 两个排列数只差一个因数:

A127=12×11×10×9×8×7×6,A126=12×11×10×9×8×7,\mathrm{A}_{12}^7 = 12\times11\times10\times9\times8\times7\times6, \qquad \mathrm{A}_{12}^6 = 12\times11\times10\times9\times8\times7,

约分后只剩最后那个因数:

A127A126=6.\frac{\mathrm{A}_{12}^7}{\mathrm{A}_{12}^6} = 6.

用阶乘写法核一遍:

A127A126=12!5!12!6!=6!5!=6 ✓.\frac{\mathrm{A}_{12}^7}{\mathrm{A}_{12}^6} = \frac{\dfrac{12!}{5!}}{\dfrac{12!}{6!}} = \frac{6!}{5!} = 6 \ ✓.

一般结论值得记住:Anm+1Anm=n−m\dfrac{\mathrm{A}_n^{m+1}}{\mathrm{A}_n^{m}} = n-m(多出来的那一个因数)。 这里 n=12n = 12、m=6m = 6,n−m=6n-m = 6 ✓。

练习(第 20 页)第 2 题

  1. 求证:

(1) Anm=nAn−1m−1A_{n}^{m}=nA_{n-1}^{m-1} ;

(2) A88−8A77+7A66=A77A_{8}^{8}-8A_{7}^{7}+7A_{6}^{6}=A_{7}^{7} .

(1) 先说清适用范围:要让两边都有意义,需要 m, n∈N∗m,\ n \in \mathbf{N}^*、m⩽nm \leqslant n, 且右边的 An−1m−1\mathrm{A}_{n-1}^{m-1} 要求 m−1⩽n−1m-1 \leqslant n-1(自动满足)。m=1m = 1 时右边是 n An−10n\,\mathrm{A}_{n-1}^{0}, 按阶乘写法 An−10=(n−1)!(n−1)!=1\mathrm{A}_{n-1}^0 = \dfrac{(n-1)!}{(n-1)!} = 1,等式仍成立。

证法一(阶乘写法,两行):

n An−1m−1=n×(n−1)![(n−1)−(m−1)]!=n×(n−1)!(n−m)!=n!(n−m)!=Anm.■n\,\mathrm{A}_{n-1}^{m-1} = n\times\frac{(n-1)!}{\left[(n-1)-(m-1)\right]!} = n\times\frac{(n-1)!}{(n-m)!} = \frac{n!}{(n-m)!} = \mathrm{A}_n^m. \qquad \blacksquare

关键一步是 n×(n−1)!=n!n\times(n-1)! = n!,而分母 (n−1)−(m−1)=n−m(n-1)-(m-1) = n-m 两边正好相同。

证法二(连乘写法,看因数):

An−1m−1=(n−1)(n−2)⋯[(n−1)−(m−1)+1]=(n−1)(n−2)⋯(n−m+1),\mathrm{A}_{n-1}^{m-1} = (n-1)(n-2)\cdots\left[(n-1)-(m-1)+1\right] = (n-1)(n-2)\cdots(n-m+1),

这是从 n−1n-1 起递减的 m−1m-1 个因数,末项是 n−m+1n-m+1。左乘一个 nn:

n An−1m−1=n(n−1)(n−2)⋯(n−m+1),n\,\mathrm{A}_{n-1}^{m-1} = n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1),

从 nn 起递减、共 mm 个因数、末项 n−m+1n-m+1——正是 Anm\mathrm{A}_n^m 的定义式。■\blacksquare

组合意义(第三条路,也最好记):排 mm 个位置时, 第 1 个位置有 nn 种填法;填完之后,还剩 n−1n-1 个元素要去填余下的 m−1m-1 个位置, 方法数是 An−1m−1\mathrm{A}_{n-1}^{m-1}。由分步乘法计数原理,总数就是 n An−1m−1n\,\mathrm{A}_{n-1}^{m-1}。 这条恒等式说的就是「先定第一个位置」这个动作。

(2) 三项都是全排列,先各自化成阶乘:

A88=8!,A77=7!,A66=6!.\mathrm{A}_8^8 = 8!, \qquad \mathrm{A}_7^7 = 7!, \qquad \mathrm{A}_6^6 = 6!.

于是左边

8!−8×7!+7×6!.8! - 8\times 7! + 7\times 6!.

逐项收拾。由 8!=8×7!8! = 8\times 7! 得前两项抵消:

8!−8×7!=8×7!−8×7!=0.8! - 8\times 7! = 8\times 7! - 8\times 7! = 0.

由 7!=7×6!7! = 7\times 6! 得第三项就是 7!7!:

7×6!=7!.7\times 6! = 7! .

所以左边等于 0+7!=7!=A770 + 7! = 7! = \mathrm{A}_7^7,即右边。■\blacksquare

代数值核一遍:8!=403208! = 40320,8×7!=8×5040=403208\times 7! = 8\times 5040 = 40320,7×6!=7×720=50407\times 6! = 7\times 720 = 5040。

40320−40320+5040=5040=7! ✓.40320 - 40320 + 5040 = 5040 = 7! \ ✓.

这一小问用的其实还是 (1):Ann=n An−1n−1\mathrm{A}_n^n = n\,\mathrm{A}_{n-1}^{n-1}, 即 8!=8×7!8! = 8\times 7!、7!=7×6!7! = 7\times 6!。阶乘的这条递推 n!=n×(n−1)!n! = n\times(n-1)!,是全章最常用的变形。

练习(第 20 页)第 3 题

  1. 一个火车站有8股岔道,如果每股道只能停放1列火车,现要停放4列不同的火车,共有多少种不同的停放方法?

先辨清谁是「元素」、谁是「位置」。 这道题的两种读法都能通向同一个答案,但要读对一种:

读法一(把岔道当位置):88 股岔道里要挑 44 股来停车,且每股停哪一列是有区别的。 不过这样一来「位置」有 88 个而「元素」只有 44 列车,不是标准的 Anm\mathrm{A}_n^m 形状。

读法二(把火车当位置,推荐):44 列火车各要分配一股岔道, 相当于给「第 1 列车、第 2 列车、第 3 列车、第 4 列车」这 44 个有区别的位置, 从 88 股不同的岔道中各取 11 股填进去,且不能重复(每股道只能停 11 列)。 这正是从 88 个不同元素中取 44 个的排列:

A84=8×7×6×5=1680 种.\mathrm{A}_8^4 = 8\times 7\times 6\times 5 = 1680 \ \text{种}.

分步验算:第 1 列车从 88 股道中挑 11 股,88 种;第 2 列车只能从剩下 77 股里挑,77 种; 第 3 列车 66 种;第 4 列车 55 种。8×7×6×5=16808\times7\times6\times5 = 1680 ✓ (中间步骤:8×7=568\times7 = 56,56×6=33656\times6 = 336,336×5=1680336\times5 = 1680)。

两个条件各起什么作用:

  • 「4 列不同的火车」——保证火车两两可分辨,交换两列车的道就是另一种停法,所以顺序算数;
  • 「每股道只能停 1 列」——保证不放回,所以是排列而不是 848^4。

若把这两个条件去掉会怎样(用来检验自己有没有读对题):

改动情形答案
原题44 列不同的车,每道至多 11 列A84=1680\mathrm{A}_8^4 = 1680
允许一股道停多列每列车都有 88 种选择84=40968^4 = 4096
44 列车完全相同只需选出哪 44 股道A844!=70\dfrac{\mathrm{A}_8^4}{4!} = 70

最后那一行就是下一小节的组合数 C84\mathrm{C}_8^4——把「44 列车之间的 4!=244! = 24 种次序」除掉。 本题因为火车互不相同,这 2424 种次序都要算数,所以停在 16801680。

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  1. 一位老师要给 4 个班轮流做讲座,每个班讲 1 场,有多少种轮流次序?

  2. 学校乒乓团体比赛采用 5 场 3 胜制(5 场单打),每支球队派 3 名运动员参赛,前 3 场比赛每名运动员各出场 1 次,其中第 1,2 位出场的运动员在后 2 场比赛中还将各出场 1 次.

(1)从5名运动员中选3名参加比赛,前3场比赛有几种出场情况?

(2) 甲、乙、丙 3 名运动员参加比赛,写出所有可能的出场情况.

6.2.2 排列数

前面给出了排列的定义,下面探究计算排列个数的公式.

• •

我们把从 n 个不同元素中取出 m(m⩽n)m(m \leqslant n) 个元素的所有不同排列的个数,叫做从 n 个不同元素中取出 m 个元素的排列数,用符号 AnmA_{n}^{m} 表示.

符号 AnmA_{n}^{m} 中的 A 是英文 arrangement(排列)的第一个字母.

例如,前面问题1是求从3个不同元素中取出2个元素的排列数,表示为 A32A_{3}^{2}。已经算得

A32=3×2=6.\mathrm{A} _ {3} ^ {2} = 3 \times 2 = 6.

问题2是求从4个不同元素中取出3个元素的排列数,表示为 A43\mathrm{A}_4^3。已经算得

A43=4×3×2=24.\mathrm{A} _ {4} ^ {3} = 4 \times 3 \times 2 = 2 4.

探究

从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素的排列数 Anm(m⩽n)\mathrm{A}_n^m (m\leqslant n) 是多少?

可以先从特殊情况开始探究,例如求排列数 An2\mathrm{A}_n^2。根据前面的求解经验,可以这样考虑:

假定有排好顺序的两个空位,如图6.2-3所示,从 nn 个不同元素中取出2个元素去填空,一个空位填上一个元素,每一种填法就得到一个排列;反之,任何一种排列总可以由这种填法得到.因此,所有不同填法的种数就是排列数 An2\mathrm{A}_n^2

图6.2-3

现在来计算有多少种填法. 完成 “填空” 这件事可以分为两个步骤完成:

第1步,填第1个位置的元素,可以从这 nn 个不同元素中任选1个,有 nn 种选法;

第2步,填第2个位置的元素,可以从剩下的 (n−1)(n - 1) 个元素中任选1个,有 (n−1)(n - 1) 种选法.

根据分步乘法计数原理,2个空位的填法种数为

An2=n(n−1).\mathrm{A} _ {n} ^ {2} = n (n - 1).

同理,求排列数 An3\mathrm{A}_n^3 可以按依次填3个空位来考虑,有

An3=n(n−1)(n−2).\mathrm{A} _ {n} ^ {3} = n (n - 1) (n - 2).

一般地,求排列数 AnmA_{n}^{m} 可以按依次填 m 个空位来考虑:

假定有排好顺序的 mm 个空位,如图6.2-4所示,从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素去填空,一个空位填上一个元素,每一种填法就对应一个排列.因此,所有不同填法的种数就是排列数 Anm\mathrm{A}_n^m

图6.2-4

填空可以分为 m 个步骤完成:

第1步,从 nn 个不同元素中任选1个填在第1位,有 nn 种选法;

第2步,从剩下的 (n−1)(n-1) 个元素中任选1个填在第2位,有 (n−1)(n-1) 种选法;

第3步,从剩下的 (n−2)(n-2) 个元素中任选1个填在第3位,有 (n−2)(n-2) 种选法;

第 m 步,从剩下的 [n−(m−1)][n-(m-1)] 个元素中任选 1 个填在第 m 位,有 (n−m+1)(n-m+1) 种选法. 根据分步乘法计数原理,m 个空位的填法种数为

n(n−1)(n−2)…(n−m+1).n (n - 1) (n - 2) \dots (n - m + 1).

这样,我们就得到公式

Anm=n(n−1)(n−2)…(n−m+1).\mathrm{A} _ {n} ^ {m} = n (n - 1) (n - 2) \dots (n - m + 1).

你能说一下排列数公式的特点吗?

这里, mm , n∈N∗n\in \mathbf{N}^* ,并且 m⩽nm\leqslant n .这个公式叫做排列数公式

根据排列数公式,我们就能方便地计算出从 nn 个不同元素中取出 m(m⩽n)m(m \leqslant n) 个元素的所有排列的个数。例如,

A52=5×4=20,A83=8×7×6=336.\begin{array}{c} \mathrm{A} _ {5} ^ {2} = 5 \times 4 = 2 0, \\ \mathrm{A} _ {8} ^ {3} = 8 \times 7 \times 6 = 3 3 6. \end{array}

特别地,我们把 nn 个不同的元素全部取出的一个排列,叫做 nn 个元素的一个全排列。这时,排列数公式中 m=nm = n ,即有

Ann=n×(n−1)×(n−2)×⋯×3×2×1.\mathrm{A} _ {n} ^ {n} = n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \dots \times 3 \times 2 \times 1.

也就是说,将 nn 个不同的元素全部取出的排列数,等于正整数1到 nn 的连乘积.正整数1到 nn 的连乘积,叫做 nn 的阶乘,用 n!n! 表示.于是, nn 个元素的全排列数公式可以写成

Ann=n!.\mathrm{A} _ {n} ^ {n} = n!.

另外,我们规定, 0!=10!=1 .

例3 计算:(1) A73\mathrm{A}_7^3 ;(2) A74\mathrm{A}_7^4 ;(3) A77A44\frac{\mathrm{A}_7^7}{\mathrm{A}_4^4} ;(4) A64×A22\mathrm{A}_6^4\times \mathrm{A}_2^2

解:根据排列数公式,可得

(1) A73=7×6×5=210;A_{7}^{3}=7\times6\times5=210;

(2) A74=7×6×5×4=840;A_{7}^{4}=7\times6\times5\times4=840;

(3) A77A44=7!4!=7×6×5=210\frac{\mathrm{A}_7^7}{\mathrm{A}_4^4} = \frac{7!}{4!} = 7 \times 6 \times 5 = 210;

(4) A64×A22=6×5×4×3×2×1=6!=720.A_{6}^{4}\times A_{2}^{2}=6\times5\times4\times3\times2\times1=6!=720.

思考

由例3可以看到, A73=A77A44=7!4!\mathrm{A}_7^3 = \frac{\mathrm{A}_7^7}{\mathrm{A}_4^4} = \frac{7!}{4!} ; A64×A22=6!=A66\mathrm{A}_6^4\times \mathrm{A}_2^2 = 6! = \mathrm{A}_6^6 ,即 A64=A66A22=6!2!\mathrm{A}_6^4 = \frac{\mathrm{A}_6^6}{\mathrm{A}_2^2} = \frac{6!}{2!} 观察这两个结果,从中你发现它们的共性了吗?

事实上,

Anm=n(n−1)(n−2)…(n−m+1)=n×(n−1)×(n−2)×⋯×(n−m+1)×(n−m)×⋯×2×1(n−m)×⋯×2×1=AnnAn−mn−m=n!(n−m)!.\begin{array}{r l} \mathrm{A} _ {n} ^ {m} & = n (n - 1) (n - 2) \dots (n - m + 1) \\ & = \frac {n \times (n - 1) \times (n - 2) \times \cdots \times (n - m + 1) \times (n - m) \times \cdots \times 2 \times 1}{(n - m) \times \cdots \times 2 \times 1} \\ & = \frac {\mathrm{A} _ {n} ^ {n}}{\mathrm{A} _ {n - m} ^ {n - m}} \\ & = \frac {n !}{(n - m) !}. \end{array}

因此,排列数公式还可以写成

Anm=n!(n−m)!.\mathrm{A} _ {n} ^ {m} = \frac {n !}{(n - m) !}.

例 4 用 0~9 这 10 个数字,可以组成多少个没有重复数字的三位数?

分析:在 0∼90\sim 9 这10个数字中,因为0不能在百位上,而其他9个数字可以在任意数位上,因此0是一个特殊的元素.一般地,我们可以从特殊元素的位置入手来考虑问题.

解法 1:如图 6.2-5 所示,由于三位数的百位上的数字不能是 0,所以可以分两步完成:第 1 步,确定百位上的数字,可以从 1~9 这 9 个数字中取出 1 个,有 A91A_{9}^{1} 种取法;第 2 步,确定十位和个位上的数字,可以从剩下的 9 个数字中取出 2 个,有 A92A_{9}^{2} 种取法。根据分步乘法计数原理,所求的三位数的个数为

图6.2-5

A91×A92=9×9×8=648.\mathrm{A} _ {9} ^ {1} \times \mathrm{A} _ {9} ^ {2} = 9 \times 9 \times 8 = 6 4 8.

解法2:如图6.2-6所示,符合条件的三位数可以分成三类:第1类,每一位数字都不是0的三位数,可以从 1∼91\sim 9 这9个数字中取出3个,有 A93\mathrm{A}_9^3 种取法;第2类,个位上的数字是0的三位数,可以从剩下的9个数字中取出2个放在百位和十位,有 A92\mathrm{A}_9^2 种取法;第3类,十位上的数字是0的三位数,可以从剩下的9个数字中取出2个放在百位和个位,有 A92\mathrm{A}_9^2 种取法.

图6.2-6

根据分类加法计数原理,所求三位数的个数为

A93+A92+A92=9×8×7+9×8+9×8=648.\mathrm{A} _ {9} ^ {3} + \mathrm{A} _ {9} ^ {2} + \mathrm{A} _ {9} ^ {2} = 9 \times 8 \times 7 + 9 \times 8 + 9 \times 8 = 6 4 8.

解法3:从 0∼90\sim 9 这10个数字中选取3个的排列数为 A103\mathrm{A}_{10}^{3},其中0在百位上的排列数为 A92\mathrm{A}_9^2,它们的差就是用这10个数组成的没有重复数字的三位数的个数,即所求三位数的个数为

A103−A92=10×9×8−9×8=648.\mathrm{A} _ {1 0} ^ {3} - \mathrm{A} _ {9} ^ {2} = 1 0 \times 9 \times 8 - 9 \times 8 = 6 4 8.

对于例 4 这类计数问题,从不同的角度就有不同的解题方法。解法 1 根据百位数字不能是 0 的要求,按分步乘法计数原理完成从 10 个数中取出 3 个数组成没有重复数字的三位数这件事;解法 2 是以 0 是否出现以及出现的位置为标准,按分类加法计数原理完成这件事;解法 3 是一种间接法,先求出从 10 个数中取出 3 个数的排列数,然后减去其中百位是 0 的排列数(不是三位数的个数),就得到没有重复数字的三位数的个数。

从上述问题的解答过程可以看到,引入排列的概念,归纳出排列数公式,我们就能便捷地求解“从 nn 个不同元素中取出 m(m⩽n)m(m \leqslant n) 个元素的所有排列的个数”这类特殊的计数问题.

练习

  1. 先计算,然后用计算工具检验: (1) A124A_{12}^{4} ; (2) A88A_{8}^{8} ; (3) A155−15A144A_{15}^{5}-15A_{14}^{4} ; (4) A127A126\frac{A_{12}^{7}}{A_{12}^{6}} .

  2. 求证: (1) Anm=nAn−1m−1A_{n}^{m}=nA_{n-1}^{m-1} ;

(2) A88−8A77+7A66=A77A_{8}^{8}-8A_{7}^{7}+7A_{6}^{6}=A_{7}^{7} .

  1. 一个火车站有8股岔道,如果每股道只能停放1列火车,现要停放4列不同的火车,共有多少种不同的停放方法?