6.2.4 组合数

人教 A 版 · 本节 6 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 23 题 ↓

原书扫描页(人教 A 版原文)

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本节的知识树

1 公式 · 最深 1 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 23 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。

排列与组合的差别只有一句话:排列要排队,组合只点名。上一节把”点名”这件事定义清楚了, 这一节把它算成一个数——组合数 Cnm\mathrm{C}_n^m。

课本按发现顺序写:先给组合数的定义,再从排列数里除出公式,然后是例题,两条性质留到最后的 “探究与发现”。这一份按决策顺序重排:先把两个公式摆在一起、说清什么时候用哪一个(这是本节 唯一真会影响做题速度的选择),再补它们各自的来历;两条性质与”分步 / 分类 / 间接”三种数法放在 一起讲——高考里组合数几乎从不单独出现,它总是嵌在这三种动作里。

一、组合数:一个定义、两个公式

从 nn 个不同元素中取出 mm(m⩽nm \leqslant n)个元素的所有不同组合的个数,叫做从 nn 个不同 元素中取出 mm 个元素的组合数,用符号 Cnm\mathrm{C}_n^m 表示。符号里的 C 取自英文 combination。

两个等价的写法:

Cnm=AnmAmm=n(n−1)(n−2)⋯(n−m+1)m!,Cnm=n!m! (n−m)!.\mathrm{C}_n^m = \frac{\mathrm{A}_n^m}{\mathrm{A}_m^m} = \frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1)}{m!}, \qquad \mathrm{C}_n^m = \frac{n!}{m!\,(n-m)!}.

其中 n,m∈N∗n, m \in \mathbf{N}^* 且 m⩽nm \leqslant n。另外规定 Cn0=1\mathrm{C}_n^0 = 1——“一个都不取” 只有一种取法(就是那个空的取法),这不是从公式推出来的,是补一条约定让公式在 m=0m = 0 时也讲得通。

什么时候用哪一个

这一条比公式本身更值钱:

  • 要算出一个具体的数,用连乘式。 分子从 nn 起往下连乘 mm 个因数,分母是 m!m!, 上下因数一样多,这是它好用的全部理由。C103=10×9×83!=120\mathrm{C}_{10}^3 = \frac{10 \times 9 \times 8}{3!} = 120, 三乘一除就完了;写成 10!3! 7!\frac{10!}{3!\,7!} 反而要先把两个阶乘想清楚才敢约。
  • 要做恒等变形、要证明,用阶乘式。 分子分母都是完整的阶乘,约分时对得整齐。凡是题面里出现 Cn+1m+1\mathrm{C}_{n+1}^{m+1}、Cnn−2\mathrm{C}_n^{n-2} 这种带字母的上下标,第一步一律换成阶乘式。
  • 上标接近下标时,先用对称性把它换小。 C200197\mathrm{C}_{200}^{197} 硬按连乘式要写 197 个因数; 换成 C2003=200×199×1983!\mathrm{C}_{200}^{3} = \frac{200 \times 199 \times 198}{3!} 就是三个因数的事。

二、公式从哪来:把”排”拆成”选 + 排”

课本的推导只有一句话,但那句话是整节的枢纽:求排列数,可以分两步走。

第 1 步,从 nn 个不同元素中取出 mm 个作为一组——有 Cnm\mathrm{C}_n^m 种取法; 第 2 步,把取出的这 mm 个元素作全排列——有 Amm\mathrm{A}_m^m 种排法。

由分步乘法计数原理,

Anm=Cnm⋅Amm,\mathrm{A}_n^m = \mathrm{C}_n^m \cdot \mathrm{A}_m^m,

两边同除以 Amm=m!\mathrm{A}_m^m = m! 就得到了组合数公式。

这一步为什么合法,值得多说一句:它要求”先选后排”这条路不重不漏地数到了每一个排列。不漏, 是因为任一排列都能倒过来看成”先决定用哪 mm 个元素、再决定它们的顺序”;不重,是因为 元素集合不同的两组排列必然不同,而同一组元素的不同顺序在第 2 步里恰好各数一次。课本用 A43\mathrm{A}_4^3 的 24 个排列按”元素相同”分成 4 组的那张图(见上方第 28 页扫描图 6.2-8),画的就是这件事。

把 Anm=n!(n−m)!\mathrm{A}_n^m = \frac{n!}{(n-m)!} 代进去,就得到阶乘形式:

Cnm=Anmm!=n!m! (n−m)!.\mathrm{C}_n^m = \frac{\mathrm{A}_n^m}{m!} = \frac{n!}{m!\,(n-m)!}.

三、两条性质:同一个问题的两种数法

课本把这两条放在”探究与发现”里,但它们在解题里出现的频率高于正文的任何一条。两条的证明用的是 同一招——把等号两边解释成对同一个计数问题的两种数法,这一招本身比结论更该记住。

性质 1(对称性)

Cnm=Cnn−m.\mathrm{C}_n^m = \mathrm{C}_n^{n-m}.

从 12 名学生里选出 5 人参加活动,与从 12 名学生里留下 7 人不参加活动,是同一件事的两种 说法:选定 5 人,剩下的 7 人就定了;留定 7 人,参加的 5 人也就定了。两种数法数的是同一批方案, 所以 C125=C127\mathrm{C}_{12}^5 = \mathrm{C}_{12}^7。用阶乘式核一遍也是一眼的事:把 mm 换成 n−mn-m, 分母 m! (n−m)!m!\,(n-m)! 原样不变。

由于规定了 Cn0=1\mathrm{C}_n^0 = 1,这条等式在 m=nm = n 时也成立。

性质 2(递推)

Cn+1m=Cnm+Cnm−1.\mathrm{C}_{n+1}^m = \mathrm{C}_n^m + \mathrm{C}_n^{m-1}.

从 n+1n+1 个元素里取 mm 个,按某个特定元素取不取分成两类:不取它,就要从其余 nn 个里取满 mm 个,有 Cnm\mathrm{C}_n^m 种;取它,就只需再从其余 nn 个里取 m−1m-1 个,有 Cnm−1\mathrm{C}_n^{m-1} 种。两类不重不漏,由分类加法计数原理相加即得。

“盯住一个特定元素、按它在不在里面分类”——这个动作在后面的习题里会反复用到(第 13 题的 “甲和乙至少要有 1 人在内”、第 14 题的”甲乙要么都去要么都不去”都是它)。

同一招的第三条:把两堆合成一堆(课本没列,但考过)

∑mCam Cb k−m=Ca+b k.\sum_{m}\mathrm{C}_a^m\,\mathrm{C}_b^{\,k-m}=\mathrm{C}_{a+b}^{\,k}.

把 aa 个和 bb 个并成一堆共 a+ba+b 个,从里面取 kk 个。右边是一次数完; 左边是按「前一堆里取了几个」分类——前一堆取了 mm 个,后一堆就得取 k−mk-m 个, 这一类有 CamCb k−m\mathrm{C}_a^m\mathrm{C}_b^{\,k-m} 种(分步,所以相乘)。各类不重不漏,加起来就是右边。 证法与上面两条一字不差:同一个计数问题,数两遍。

求和的范围要留神:mm 只跑到两个上标都合法的那些值(0⩽m⩽a0\leqslant m\leqslant a 且 0⩽k−m⩽b0\leqslant k-m\leqslant b),越界的项按 Cnm=0\mathrm{C}_n^m=0 处理。

这条式子在 §6.3 会换一副面孔再来一次——把 (1+x)a(1+x)b=(1+x)a+b(1+x)^a(1+x)^b=(1+x)^{a+b} 两边 xkx^k 的系数比一比, 左边正是这个和、右边正是 Ca+bk\mathrm{C}_{a+b}^k。2014 年浙江卷第 5 题考的就是它(见第六段)。

四、组合计数的三个基本动作

会算 Cnm\mathrm{C}_n^m 只是入场券。真正的题目考的是怎么把一个情景拆成若干个组合数,拆法只有 三种,课本的例 7(100 件产品含 2 件次品,抽 3 件)一道题里全用上了:

动作一:分步——乘。 要同时满足几个互相独立的选取要求时,一步一步选、把种数乘起来。 “恰好有 1 件次品”就是”从 2 件次品里选 1 件”与”从 98 件合格品里选 2 件”两步: C21×C982\mathrm{C}_2^1 \times \mathrm{C}_{98}^2。

这里有个常问的问题:从 2 件次品中抽 1 件,能不能写成 A21\mathrm{A}_2^1? 数值上 A21=C21=2\mathrm{A}_2^1 = \mathrm{C}_2^1 = 2,恰好相等,但它俩问的不是同一件事—— 抽出来的产品只是一个集合、没有先后,所以该用组合数。取 1 个元素时两者数值必然相同, 别把这个巧合当成”可以混用”。

动作二:分类——加。 情形有几种互斥的可能时,各算各的再相加。“至少有 1 件次品”分成”恰好 1 件” 与”恰好 2 件”两类:C21C982+C22C981\mathrm{C}_2^1\mathrm{C}_{98}^2 + \mathrm{C}_2^2\mathrm{C}_{98}^1。

动作三:间接——减(正难则反)。 “至少”型的另一条路:先算总数,再减掉反面那一种。 “至少 1 件次品”的反面是”一件次品也没有”,于是 C1003−C983\mathrm{C}_{100}^3 - \mathrm{C}_{98}^3。

三条路怎么选?看反面有几类:反面只有一类(“一件都没有""全都是”)就走间接,两三类都要算的 时候直接分类反而更短。两条路都能走时,两条都算一遍互相核对是最便宜的自查——本节的习题详解里 凡是”至少 / 至多”型的题都这么核了一遍。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. 该用组合却用了排列。 判据只有一句:取出来之后还要不要区分先后。选 3 人去参观(券一样) 是组合,选 3 件礼物分别送 3 位同学是排列——第 4 题把这两问排在一起,就是要你在两秒内认出差别。
  2. “至少 / 至多”直接乘。 “至少 1 件次品”绝不是 C21×C992\mathrm{C}_2^1 \times \mathrm{C}_{99}^2: 那样会把同一种抽法数上好几遍(先挑的次品与后挑的次品互换就重复了)。 只要出现”至少”,就要么分类要么取反面,不许把”至少那一件”先挑出来再随便配。
  3. 忘了验前提。 Cnm\mathrm{C}_n^m 只在 0⩽m⩽n0 \leqslant m \leqslant n 时有意义。像 Cn+1n⋅Cnn−2\mathrm{C}_{n+1}^{n} \cdot \mathrm{C}_n^{n-2} 这种带字母的式子,先把 n⩾2n \geqslant 2 写出来 再化简。
  4. 子集计数漏掉或多算空集。 “去几个人自行决定”型的题答案是 2k2^k 或 2k−12^k - 1,差的就是 “一个人都不去”那一种算不算。题面里有没有”必须有人去”这半句,决定要不要减 1。
  5. 对称性用反。 Cnm=Cnn−m\mathrm{C}_n^m = \mathrm{C}_n^{n-m} 换的是上标,下标不动。写成 C200197=C1973\mathrm{C}_{200}^{197} = \mathrm{C}_{197}^{3} 就全错了。
  6. 算到一半取近似。 组合数是整数,中间量要么保持成连乘的形式、要么算准,别四舍五入。

六、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期派生出来的完整清单,这里只说一件事: 组合数在高考里基本不作为一道题的主题出现,它是概率题的地基。

2022 年浙江卷第 15 题(7 张卡片写着 1,2,2,3,4,5,61, 2, 2, 3, 4, 5, 6,任取 3 张,记最小值为 ξ\xi,求 P(ξ=2)P(\xi = 2) 与 E(ξ)E(\xi))就是这个形态:整道题的骨架是分布列与期望, 可每一个概率值都得用组合数数出来——分母是 C73\mathrm{C}_7^3,分子里的”最小值恰好是 2” 要按”取到几张 2”分类,正是本节第四段那三个动作。这道题真正卡人的地方也在这里: 两张 2 是相同的数字、不同的卡片,数卡片的取法时它们必须当作两个不同元素。

还有一道是直接考本节两条性质的:2014 年浙江卷第 5 题求 f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3)f(3,0)+f(2,1)+f(1,2)+f(0,3),其中 f(m,n)f(m,n) 是 (1+x)6(1+y)4(1+x)^{6}(1+y)^{4} 展开式里 xmynx^{m}y^{n} 的系数。 f(m,n)=C6mC4nf(m,n)=\mathrm{C}_6^m\mathrm{C}_4^n,四项正是「1010 个位置里取 33 个、按前 66 个里取了几个分类」的 四类,加起来就是上面第三条的左边,于是等于 C103=120\mathrm{C}_{10}^{3}=120。 标准答案写的是 C107\mathrm{C}_{10}^{7}——那是对称性,与 C103\mathrm{C}_{10}^{3} 同一个数; 但只挑一种记法写到底,中途换记法正是易错清单第 5 条的温床。

第三道是在同一个算式里同时用到 C\mathrm{C} 和 A\mathrm{A} 的: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)。 「恰好两人获奖」那一类写成 C32A42=3×12=36\mathrm{C}_3^2\mathrm{A}_4^2 = 3\times 12 = 36—— 选券用 C\mathrm{C}、派人用 A\mathrm{A}:哪两张奖券归同一个人,两张之间没有先后,是组合; 这两张给谁、剩下那张给谁,两个人的角色不同,是排列。同一道题的另一类「恰好三人获奖」是 A43=24\mathrm{A}_4^3 = 24,若误写成 C43=4\mathrm{C}_4^3 = 4,丢掉的正是一、二、三等奖分给这三人的 3!=63! = 6 种顺序。 这是开篇那句「排列要排队,组合只点名」最干净的一次实战——同一道题里连着问两次「这一步排不排队」,两次答案还不一样。

所以这一节该练到什么程度:给一个情景,能在半分钟内判出”这是组合还是排列""要分步、分类还是取反面”, 并把式子一次写对。剩下的交给后面几节。

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。

本节课本习题共 14 道:第 30—31 页「练习」3 道,第 31—33 页「习题 6.2」里属于本节主题的 11 道 (第 2、3、4、6、7、10、13、14、15、16、18 题)。收题的判据只有一句: 这道题的核心动作是不是”取出一个子集”(组合),是就收。

不收的有三批,说清楚免得读者以为漏了:

  • 「习题 6.2」的第 1、5、8、9、11、12、17 题,以及第 33 页那道被排版误标成「9.」的第 19 题—— 它们的核心动作是排顺序或直接用计数原理(排数、排节目、排书架、地图着色),归 §6.2.1 「排列」、§6.2.2「排列数」与 §6.1「两个计数原理」;
  • 第 28 页顶端那道「现有 1, 3, 7, 13 这 4 个数」,是上一节 §6.2.3「组合」练习的第 3 题, 只是随印刷页排进了本节的目录;
  • 本节没有开放式的实习作业,故无此项。

每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

练习(第 30 页)第 1 题

  1. 先计算,然后用计算工具检验:

(1) C62C_{6}^{2} ; (2) C97C_{9}^{7} ; (3) C73−C62C_{7}^{3}-C_{6}^{2} ; (4) 3C83−2C523C_{8}^{3}-2C_{5}^{2} .

四个小题都只用组合数公式。上标离下标远的直接用连乘式(分子从下标起往下连乘 mm 个因数、分母 m!m!),上标接近下标的先用对称性 Cnm=Cnn−m\mathrm{C}_n^m = \mathrm{C}_n^{n-m} 把上标换小。

(1)

C62=6×52!=302=15.\mathrm{C}_6^2 = \frac{6 \times 5}{2!} = \frac{30}{2} = 15.

(2) 上标 77 接近下标 99,先对称。这里 7+2=97 + 2 = 9,对称性 Cnm=Cnn−m\mathrm{C}_n^m = \mathrm{C}_n^{n-m} 的上标之和等于下标,用得对:

C97=C92=9×82!=36.\mathrm{C}_9^7 = \mathrm{C}_9^2 = \frac{9 \times 8}{2!} = 36.

核一遍:不用对称性直接按连乘式算也是 C97=9×8×7×6×5×4×37!=181 4405 040=36\mathrm{C}_9^7 = \frac{9\times8\times7\times6\times5\times4\times3}{7!} = \frac{181\,440}{5\,040} = 36,一致。

(3)

C73=7×6×53!=2106=35,C62=15 (同 (1)),\mathrm{C}_7^3 = \frac{7 \times 6 \times 5}{3!} = \frac{210}{6} = 35, \qquad \mathrm{C}_6^2 = 15 \ \text{(同 (1))},

C73−C62=35−15=20.\mathrm{C}_7^3 - \mathrm{C}_6^2 = 35 - 15 = 20.

(4)

C83=8×7×63!=3366=56,C52=5×42!=10,\mathrm{C}_8^3 = \frac{8 \times 7 \times 6}{3!} = \frac{336}{6} = 56, \qquad \mathrm{C}_5^2 = \frac{5 \times 4}{2!} = 10,

3C83−2C52=3×56−2×10=168−20=148.3\mathrm{C}_8^3 - 2\mathrm{C}_5^2 = 3 \times 56 - 2 \times 10 = 168 - 20 = 148.

答案依次是 1515、3636、2020、148148。

这道题的关键动作:动笔前先看一眼上标离下标有多远——远就直接连乘,近就先用对称性把它换小。

练习(第 30 页)第 2 题

  1. 求证: Cnm=m+1n+1Cn+1m+1C_{n}^{m}=\frac{m+1}{n+1}C_{n+1}^{m+1} .

上下标带字母的恒等式,一律先换成阶乘式再对。

先把两边有意义的范围说清楚。 左边的 Cnm\mathrm{C}_n^m 要求 0⩽m⩽n0 \leqslant m \leqslant n;右边的 Cn+1m+1\mathrm{C}_{n+1}^{m+1} 要求 0⩽m+1⩽n+10 \leqslant m+1 \leqslant n+1,即 −1⩽m⩽n-1 \leqslant m \leqslant n。 左边的条件更严——{0⩽m⩽n}⊆{−1⩽m⩽n}\{0 \leqslant m \leqslant n\} \subseteq \{-1 \leqslant m \leqslant n\}, 所以两边同时有意义的公共范围就是较严的那个 0⩽m⩽n0 \leqslant m \leqslant n(mm、nn 为整数), 下面就在这个范围内证。(m=−1m = -1 正是右边有意义而左边无意义的那一点:那时 m+1n+1Cn+10=0\frac{m+1}{n+1}\mathrm{C}_{n+1}^{0} = 0,而 Cn−1\mathrm{C}_n^{-1} 没有定义。)

从右边算起:

m+1n+1 Cn+1m+1=m+1n+1⋅(n+1)!(m+1)! [(n+1)−(m+1)]!=m+1n+1⋅(n+1)!(m+1)! (n−m)!.\frac{m+1}{n+1}\,\mathrm{C}_{n+1}^{m+1} = \frac{m+1}{n+1} \cdot \frac{(n+1)!}{(m+1)!\,\bigl[(n+1)-(m+1)\bigr]!} = \frac{m+1}{n+1} \cdot \frac{(n+1)!}{(m+1)!\,(n-m)!}.

注意 (n+1)!=(n+1)⋅n!(n+1)! = (n+1) \cdot n! 与 (m+1)!=(m+1)⋅m!(m+1)! = (m+1) \cdot m!,把这两个因子提出来:

=m+1n+1⋅(n+1) n!(m+1) m! (n−m)!=n!m! (n−m)!=Cnm.= \frac{m+1}{n+1} \cdot \frac{(n+1)\,n!}{(m+1)\,m!\,(n-m)!} = \frac{n!}{m!\,(n-m)!} = \mathrm{C}_n^m.

约掉 n+1n+1 与 m+1m+1 都是合法的:m⩾0m \geqslant 0、n⩾0n \geqslant 0,故 m+1⩾1>0m+1 \geqslant 1 > 0、 n+1⩾1>0n+1 \geqslant 1 > 0,两个因子都非零。右边化到了左边,等式得证。

自检:取 n=5n = 5、m=2m = 2。左边 C52=10\mathrm{C}_5^2 = 10;右边 36C63=12×20=10\frac{3}{6}\mathrm{C}_6^3 = \frac{1}{2} \times 20 = 10,相符。

这道题的关键动作:看见字母上下标就换阶乘式,并把 (n+1)!(n+1)! 拆成 (n+1)⋅n!(n+1)\cdot n! ——组合数恒等式的 证明九成是靠这一步”拆出一个因子”完成的。

练习(第 30—31 页)第 3 题

  1. 有政治、历史、地理、物理、化学、生物这6门学科的学业水平考试成绩,现要从中选3门考试成绩.

(1) 共有多少种不同的选法?

(2) 如果物理和化学恰有 1 门被选,那么共有多少种不同的选法?

(3)如果物理和化学至少有1门被选,那么共有多少种不同的选法?

选出来的是”哪三门成绩”,三门之间不分先后,所以三问都是组合问题。

(1) 从 6 门里选 3 门:

C63=6×5×43!=1206=20.\mathrm{C}_6^3 = \frac{6 \times 5 \times 4}{3!} = \frac{120}{6} = 20.

(2) “物理和化学恰有 1 门被选”,把 6 门分成两堆——物理、化学这 2 门,和其余 4 门(政治、历史、 地理、生物)。分两步:先从前一堆里选 1 门(C21\mathrm{C}_2^1 种),再从后一堆里选 2 门凑满 3 门 (C42\mathrm{C}_4^2 种)。两步都定下来才算一种选法,由分步乘法计数原理

C21×C42=2×6=12.\mathrm{C}_2^1 \times \mathrm{C}_4^2 = 2 \times 6 = 12.

(3) “至少有 1 门被选”的反面只有一类——物理、化学都不选,此时 3 门全从其余 4 门里出, 有 C43=4\mathrm{C}_4^3 = 4 种。于是

C63−C43=20−4=16.\mathrm{C}_6^3 - \mathrm{C}_4^3 = 20 - 4 = 16.

直接分类再核一遍:恰有 1 门是 (2) 的 1212 种;两门都选时还要从其余 4 门里选 1 门, C22×C41=1×4=4\mathrm{C}_2^2 \times \mathrm{C}_4^1 = 1 \times 4 = 4 种。两类互斥且穷尽了”至少 1 门”, 12+4=1612 + 4 = 16,与间接法一致。

答案依次是 2020、1212、1616。

这道题的关键动作:“恰有”分步、“至少”取反面;两条路都算得动时都算一遍,互相核对最省事。

习题 6.2 第 2 题

  1. 先计算,然后用计算工具检验: (1) C153C_{15}^{3} ; (2) C200197C_{200}^{197} ; (3) C63÷C84C_{6}^{3} \div C_{8}^{4} ; (4) Cn+1n⋅Cnn−2C_{n+1}^{n} \cdot C_{n}^{n-2} .

(1)

C153=15×14×133!=2 7306=455.\mathrm{C}_{15}^3 = \frac{15 \times 14 \times 13}{3!} = \frac{2\,730}{6} = 455.

(2) 上标 197197 紧挨着下标 200200,硬按连乘式要写 197 个因数;先用对称性 C200197=C200200−197=C2003\mathrm{C}_{200}^{197} = \mathrm{C}_{200}^{200-197} = \mathrm{C}_{200}^{3}:

C200197=C2003=200×199×1983!=7 880 4006=1 313 400.\mathrm{C}_{200}^{197} = \mathrm{C}_{200}^{3} = \frac{200 \times 199 \times 198}{3!} = \frac{7\,880\,400}{6} = 1\,313\,400.

(3)

C63=6×5×43!=20,C84=8×7×6×54!=1 68024=70,\mathrm{C}_6^3 = \frac{6 \times 5 \times 4}{3!} = 20, \qquad \mathrm{C}_8^4 = \frac{8 \times 7 \times 6 \times 5}{4!} = \frac{1\,680}{24} = 70,

C63÷C84=2070=27.\mathrm{C}_6^3 \div \mathrm{C}_8^4 = \frac{20}{70} = \frac{2}{7}.

(4) 带字母,先把有意义的范围写出来:Cn+1n\mathrm{C}_{n+1}^{n} 要求 0⩽n⩽n+10 \leqslant n \leqslant n+1 (对任意正整数 nn 都成立),Cnn−2\mathrm{C}_n^{n-2} 要求 n−2⩾0n - 2 \geqslant 0,即 n⩾2n \geqslant 2。 所以下面的化简限于 n⩾2n \geqslant 2、n∈N∗n \in \mathbf{N}^*。两处都用对称性把上标换小:

Cn+1n=Cn+11=n+1,Cnn−2=Cn2=n(n−1)2,\mathrm{C}_{n+1}^{n} = \mathrm{C}_{n+1}^{1} = n+1, \qquad \mathrm{C}_n^{n-2} = \mathrm{C}_n^{2} = \frac{n(n-1)}{2}, Cn+1n⋅Cnn−2=(n+1) n (n−1)2(n⩾2, n∈N∗).\mathrm{C}_{n+1}^{n} \cdot \mathrm{C}_n^{n-2} = \frac{(n+1)\,n\,(n-1)}{2} \qquad (n \geqslant 2,\ n \in \mathbf{N}^*).

自检:n=3n = 3 时左边 C43⋅C31=4×3=12\mathrm{C}_4^3 \cdot \mathrm{C}_3^1 = 4 \times 3 = 12,右边 4×3×22=12\frac{4 \times 3 \times 2}{2} = 12,相符。

答案依次是 455455、1 313 4001\,313\,400、27\frac{2}{7}、(n+1)n(n−1)2\frac{(n+1)n(n-1)}{2}(n⩾2n \geqslant 2)。

习题 6.2 第 3 题

  1. 壹圆、伍圆、拾圆、贰拾圆的人民币各1张,一共可以组成多少种币值?

4 张面值互不相同的人民币各 1 张。“组成一种币值”就是 从这 4 张里取出非空的一部分、把面值加起来——取出来之后没有先后,是组合。

按取几张分类,由分类加法计数原理,取法共

C41+C42+C43+C44=4+6+4+1=15 (种).\mathrm{C}_4^1 + \mathrm{C}_4^2 + \mathrm{C}_4^3 + \mathrm{C}_4^4 = 4 + 6 + 4 + 1 = 15 \ \text{(种)}.

也可以按”每张取或不取”数:24=162^4 = 16 种,去掉全不取的那一种,同样是 1515。

但这只数出了”有多少种取法”,还差一步:不同的取法会不会凑出同一个币值?必须逐个核。 四张的面值是 11、55、1010、2020(单位:元),15 种取法的币值是

取几张币值(元)
1 张1,5,10,20
2 张6,11,21,15,25,30
3 张16,26,31,35
4 张36

把这 15 个数排好序:1,5,6,10,11,15,16,20,21,25,26,30,31,35,361, 5, 6, 10, 11, 15, 16, 20, 21, 25, 26, 30, 31, 35, 36,两两不同。 所以取法与币值一一对应。

答案:15 种。

这一步不能省——它是本题真正的前提。若把面值换成 11、22、33、66,那么 1+2+3=61+2+3 = 6, 两种取法给出同一个币值,答案就不再是 15 了。

习题 6.2 第 4 题

  1. 填空题

(1)有 3 张参观券,要在 5 人中确定 3 人去参观,不同方法的种数是 ____;

(2)要从5件不同的礼物中选出3件分别送3位同学,不同方法的种数是____;

(3) 5 名工人各自在 3 天中选择 1 天休息,不同方法的种数是 ____;

(4) 集合 AA 有 mm 个元素, 集合 BB 有 nn 个元素, 从两个集合中各取 1 个元素, 不同方法的种数是 ____.

四个小问排在一起,考的正是”该用组合、排列,还是直接用计数原理”的辨析。判据只有一句: 取出来之后还要不要区分先后(或者说,要不要区分”哪一个配给谁”)。

(1) 3 张参观券之间没有区别,一种方法就是定下”哪 3 个人去”,不分先后,是组合:

C53=5×4×33!=10.\mathrm{C}_5^3 = \frac{5 \times 4 \times 3}{3!} = 10.

(2) 同样是从 5 件里挑 3 件,但”分别送 3 位同学”要求再定”哪件给谁”,是排列:

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

也可以先选后排:C53⋅A33=10×6=60\mathrm{C}_5^3 \cdot \mathrm{A}_3^3 = 10 \times 6 = 60——这正是 Anm=Cnm⋅Amm\mathrm{A}_n^m = \mathrm{C}_n^m \cdot \mathrm{A}_m^m 那条关系,两种算法必然一致。

(3) 5 名工人各自选一天,每人 3 种选择、互不影响,是分步乘法计数原理:

35=243.3^5 = 243.

注意这里既不是组合也不是排列:几个人完全可以选同一天,不存在”取走一天就没了”这回事。

(4) 从 AA 取 1 个、再从 BB 取 1 个,两步:

m×n=mn.m \times n = mn.

答案依次是 1010、6060、243243、mnmn。

(1) 与 (2) 摆在一起就是本节最该记住的对照:同一批元素、同一个”选 3 件”,加不加”分别”两个字, 答案差整整 A33=6\mathrm{A}_3^3 = 6 倍。

习题 6.2 第 6 题

6.(1)空间中有8个点,其中任何4个点不共面,过每3个点作一个平面,可以作多少个平面?

(2) 空间中有 10 个点, 其中任何 4 个点不共面, 过每 4 个点为顶点作一个四面体, 可以作多少个四面体?

两问都要先把题给的条件”任何 4 个点不共面”用足——它才是”每 3 个点恰好给一个平面、且互不相同” 的依据。

(1) 先验两件事。

其一,任何 3 个点都不共线:若有 3 点共线,再任取第 4 点(8 个点里还剩 5 个),这条直线与这个 点确定一个平面,那 4 个点就共面了,与条件矛盾。3 点不共线,才能”过这 3 点作一个平面”,而且这个 平面唯一。

其二,不同的 3 点组给出的平面互不相同:若两组不同的 3 点组确定同一个平面,那么这两组的并集 里至少有 4 个不同的点落在同一平面上,又与条件矛盾。

于是”平面”与”3 个点的组合”一一对应,选 3 个点不分先后:

C83=8×7×63!=3366=56.\mathrm{C}_8^3 = \frac{8 \times 7 \times 6}{3!} = \frac{336}{6} = 56.

(2) 同理:任何 4 个点不共面,正是”这 4 点能作四面体”的条件(四个顶点不共面才有四面体); 不同的 4 点组顶点集不同,四面体也不同。所以

C104=10×9×8×74!=5 04024=210.\mathrm{C}_{10}^4 = \frac{10 \times 9 \times 8 \times 7}{4!} = \frac{5\,040}{24} = 210.

答案:可作 5656 个平面;可作 210210 个四面体。

这道题的关键动作:把”过每 3 点作一个平面”翻译成”取一个 3 元子集”之前,先用题给条件验出 “恰好一个、且互不相同”——分值全在这一句上,直接写 C83\mathrm{C}_8^3 就是把前提跳过去了。

习题 6.2 第 7 题

  1. 在一次考试的选做题部分,要求在第1题的4个小题中选做3个小题,在第2题的3个小题中选做2个小题,在第3题的2个小题中选做1个小题,有多少种不同的选法?

三道大题各自选各自的小题,选出来的小题之间不分先后(做题顺序不在题目问的范围内),所以每一道 大题内部都是一个组合问题,三道之间是分步。

第 1 题:4 个小题里选 3 个,C43=C41=4\mathrm{C}_4^3 = \mathrm{C}_4^1 = 4 种; 第 2 题:3 个小题里选 2 个,C32=C31=3\mathrm{C}_3^2 = \mathrm{C}_3^1 = 3 种; 第 3 题:2 个小题里选 1 个,C21=2\mathrm{C}_2^1 = 2 种。

三步的选择互不影响(在第 1 题里选了哪 3 个小题,不改变第 2、3 题的可选范围),分步乘法计数原理 的前提成立,故

C43×C32×C21=4×3×2=24.\mathrm{C}_4^3 \times \mathrm{C}_3^2 \times \mathrm{C}_2^1 = 4 \times 3 \times 2 = 24.

答案:2424 种。

习题 6.2 第 10 题

  1. 班上每个小组有 12 名同学,现要从每个小组选 4 名同学代表本组与其他小组进行辩论赛.

(1) 每个小组有多少种选法?

(2)如果还要从选出的同学中指定1名作替补,那么每个小组有多少种选法?

(3)如果还要将选出的同学分别指定为第一、二、三、四辩手,那么每个小组有多少种选法?

三问是同一批人,区别在于”选出来之后要区分到什么程度”——完全不区分、区分出一个特殊位置、 四个位置全区分。

(1) 只要定下”哪 4 个人”,不分先后:

C124=12×11×10×94!=11 88024=495.\mathrm{C}_{12}^4 = \frac{12 \times 11 \times 10 \times 9}{4!} = \frac{11\,880}{24} = 495.

(2) 在 (1) 的基础上,再从选出的 4 人里指定 1 名作替补,分两步:

C124×C41=495×4=1 980.\mathrm{C}_{12}^4 \times \mathrm{C}_4^1 = 495 \times 4 = 1\,980.

换一种数法核一遍:先从 12 人里定出替补(C121=12\mathrm{C}_{12}^1 = 12 种),再从剩下 11 人里选 3 名 正式辩手(C113=11×10×96=165\mathrm{C}_{11}^3 = \frac{11 \times 10 \times 9}{6} = 165 种), 12×165=1 98012 \times 165 = 1\,980,一致。

(3) 第一、二、三、四辩手是四个不同的位置,选出来之后还要排顺序,这是排列:

A124=12×11×10×9=11 880.\mathrm{A}_{12}^4 = 12 \times 11 \times 10 \times 9 = 11\,880.

也可以先选后排:C124⋅A44=495×24=11 880\mathrm{C}_{12}^4 \cdot \mathrm{A}_4^4 = 495 \times 24 = 11\,880,一致。

答案依次是 495495、1 9801\,980、11 88011\,880。

习题 6.2 第 13 题

  1. 从 5 名男生和 4 名女生中选出 4 人去参加一项创新大赛.

(1)如果 4 人中男生女生各选 2 人,那么有多少种选法?

(2) 如果男生中的甲和女生中的乙必须在内,那么有多少种选法?

(3)如果男生中的甲和女生中的乙至少要有1人在内,那么有多少种选法?

(4)如果4人中必须既有男生又有女生,那么有多少种选法?

一共 5+4=95 + 4 = 9 人,选 4 人参赛、不分先后,四问都是组合。先把总数备着:

C94=9×8×7×64!=3 02424=126.\mathrm{C}_9^4 = \frac{9 \times 8 \times 7 \times 6}{4!} = \frac{3\,024}{24} = 126.

(1) 男生里选 2 人、女生里选 2 人,两步:

C52×C42=10×6=60.\mathrm{C}_5^2 \times \mathrm{C}_4^2 = 10 \times 6 = 60.

(2) 甲、乙两人已经定了,只需从其余 9−2=79 - 2 = 7 人里再选 4−2=24 - 2 = 2 人:

C72=7×62!=21.\mathrm{C}_7^2 = \frac{7 \times 6}{2!} = 21.

(3) “至少有 1 人在内”的反面只有一类——甲、乙都不在,此时 4 人全从其余 7 人里出, 有 C74=7×6×5×44!=35\mathrm{C}_7^4 = \frac{7 \times 6 \times 5 \times 4}{4!} = 35 种。于是

C94−C74=126−35=91.\mathrm{C}_9^4 - \mathrm{C}_7^4 = 126 - 35 = 91.

分类核一遍(三类互斥且穷尽):只有甲在 C73=35\mathrm{C}_7^3 = 35,只有乙在 C73=35\mathrm{C}_7^3 = 35, 甲乙都在 C72=21\mathrm{C}_7^2 = 21,35+35+21=9135 + 35 + 21 = 91,一致。

(4) “既有男生又有女生”的反面有两类——全是男生(C54=5\mathrm{C}_5^4 = 5)与全是女生 (C44=1\mathrm{C}_4^4 = 1)。这两类互斥(4 人不可能既全男又全女),且合起来正是”不满足条件”的全部, 所以各减一次:

C94−C54−C44=126−5−1=120.\mathrm{C}_9^4 - \mathrm{C}_5^4 - \mathrm{C}_4^4 = 126 - 5 - 1 = 120.

分类核一遍:男 3 女 1 是 C53C41=10×4=40\mathrm{C}_5^3\mathrm{C}_4^1 = 10 \times 4 = 40,男 2 女 2 是 6060, 男 1 女 3 是 C51C43=5×4=20\mathrm{C}_5^1\mathrm{C}_4^3 = 5 \times 4 = 20,40+60+20=12040 + 60 + 20 = 120,一致。

答案依次是 6060、2121、9191、120120。

(3)(4) 都走间接法,差别在反面的类数。减之前先确认反面那几类互斥且穷尽——多算一类会少减、 漏算一类会多留,这是”至少 / 至多”型最常见的错。

习题 6.2 第 14 题

  1. 一个宿舍的6名同学被邀请参加一个晚会.

(1)如果必须有人去,去几个人自行决定,有多少种不同的去法?

(2)如果其中甲和乙两位同学要么都去,要么都不去,有多少种去法?

一种”去法”由哪些人去唯一确定,也就是这 6 人构成的集合的一个子集;每个人各有”去”与”不去” 两种可能,人与人之间互不影响。

(1) 6 个人各有 2 种可能,由分步乘法计数原理共 26=642^6 = 64 个子集。题面要求”必须有人去”, 把”一个人都不去”那一种去掉:

26−1=64−1=63.2^6 - 1 = 64 - 1 = 63.

按去几个人分类核一遍:

C61+C62+C63+C64+C65+C66=6+15+20+15+6+1=63,\mathrm{C}_6^1 + \mathrm{C}_6^2 + \mathrm{C}_6^3 + \mathrm{C}_6^4 + \mathrm{C}_6^5 + \mathrm{C}_6^6 = 6 + 15 + 20 + 15 + 6 + 1 = 63,

一致。

(2) 先定读法——这一问的全部争议就在”(1) 里那句『必须有人去』还管不管 (2)”, 两种读法给出的答案差 1,所以必须先把它判掉,再动笔。

本站的判据是题面自己的措辞:(1) 与 (2) 各自以”如果……”起头,是两个并列假设; 更关键的是一条来自题面本身的证据: (1) 专门写上”必须有人去”,说明”一个人都不去”本来会被算作一种去法。 若”去法”这个词天然就排除了空的情形,(1) 那半句就成了废话,出题人不会写它。 既然 (2) 没有重述这个条件,它就不再受这个限制。

按此读法:甲、乙被绑成一个整体(要么都去、要么都不去),这个整体只有 2 种状态; 其余 4 人各自独立、各有”去”与”不去”2 种,共 24=162^4 = 16 种。两步互不影响,相乘:

2×24=2×16=32.2 \times 2^4 = 2 \times 16 = 32.

按甲乙的状态分类核一遍:都去时其余 4 人任意,1616 种;都不去时其余 4 人任意,1616 种; 16+16=3216 + 16 = 32,一致。

答案依次是 6363、3232。

另一种读法及其结果,也一并写出来备核:若把 (1) 的”必须有人去”延续到 (2), 就要从 32 种里去掉”甲乙都不去且其余 4 人也都不去”这唯一一种,得 32−1=3132 - 1 = 31;此时也可以直接分两类算——甲乙都去时其余 4 人任意(24=162^4 = 16 种, 已经有人去了),甲乙都不去时其余 4 人至少要去 1 人(24−1=152^4 - 1 = 15 种), 16+15=3116 + 15 = 31,两条路一致。两种读法之差恰好是”全都不去”那一种。

本站取前一种读法,答 3232。

习题 6.2 第 15 题

  1. 从含有 3 件次品的 100 件产品中,任意抽取 5 件进行检验.

(1)抽出的产品都是合格品的抽法有多少种?

(2) 抽出的产品中恰好有 2 件是次品的抽法有多少种?

(3)抽出的产品中至少有2件是次品的抽法有多少种?

(4)抽出的产品中至多有2件是次品的抽法有多少种?

100 件里有 3 件次品、100−3=97100 - 3 = 97 件合格品。抽 5 件、不分先后,四问都是组合。先把总数备着:

C1005=100×99×98×97×965!=9 034 502 400120=75 287 520.\mathrm{C}_{100}^5 = \frac{100 \times 99 \times 98 \times 97 \times 96}{5!} = \frac{9\,034\,502\,400}{120} = 75\,287\,520.

(1) 5 件全从 97 件合格品里抽:

C975=97×96×95×94×935!=7 733 522 880120=64 446 024.\mathrm{C}_{97}^5 = \frac{97 \times 96 \times 95 \times 94 \times 93}{5!} = \frac{7\,733\,522\,880}{120} = 64\,446\,024.

(2) 恰好 2 件次品,就是 2 件次品加 3 件合格品,分两步:

C32×C973=3×97×96×953!=3×147 440=442 320.\mathrm{C}_3^2 \times \mathrm{C}_{97}^3 = 3 \times \frac{97 \times 96 \times 95}{3!} = 3 \times 147\,440 = 442\,320.

(3) 至少 2 件次品。全场只有 3 件次品,所以这一情形只包含”恰好 2 件”与”恰好 3 件”两类, 两类互斥且穷尽:

C32C973+C33C972=442 320+1×97×962!=442 320+4 656=446 976.\mathrm{C}_3^2\mathrm{C}_{97}^3 + \mathrm{C}_3^3\mathrm{C}_{97}^2 = 442\,320 + 1 \times \frac{97 \times 96}{2!} = 442\,320 + 4\,656 = 446\,976.

(4) 至多 2 件次品,即次品数为 00、11、22 三类。它的反面恰好只有一类(3 件次品全被抽中), 走间接法最短:

C1005−C33C972=75 287 520−4 656=75 282 864.\mathrm{C}_{100}^5 - \mathrm{C}_3^3\mathrm{C}_{97}^2 = 75\,287\,520 - 4\,656 = 75\,282\,864.

直接分类再核一遍。其中

C974=97×96×95×944!=83 156 16024=3 464 840,\mathrm{C}_{97}^4 = \frac{97 \times 96 \times 95 \times 94}{4!} = \frac{83\,156\,160}{24} = 3\,464\,840,

于是

C975+C31C974+C32C973=64 446 024+3×3 464 840+442 320=75 282 864,\mathrm{C}_{97}^5 + \mathrm{C}_3^1\mathrm{C}_{97}^4 + \mathrm{C}_3^2\mathrm{C}_{97}^3 = 64\,446\,024 + 3 \times 3\,464\,840 + 442\,320 = 75\,282\,864,

与间接法一致。

再来一条整体自检:“至少 2 件”与”至多 2 件”合起来覆盖了全部抽法,而且只在”恰好 2 件”上重叠, 所以两者之和应当比总数多出恰好一个 (2) 的答案:

446 976+75 282 864−75 287 520=442 320,446\,976 + 75\,282\,864 - 75\,287\,520 = 442\,320,

正是 (2) 的结果,相符。

答案依次是 64 446 02464\,446\,024、442 320442\,320、446 976446\,976、75 282 86475\,282\,864。

习题 6.2 第 16 题

  1. 根据某个福利彩票方案,每注彩票号码都是从 1∼371 \sim 37 这 37 个数中选取 7 个数。如果所选 7 个数与开出的 7 个数一样(不管排列顺序),彩票即中一等奖。

(1) 多少注不同号码的彩票可有一个一等奖?

(2) 如果要将一等奖的中奖机会提高到 13 000 000\frac{1}{3\ 000\ 000} 以上且不超过 12 000 000\frac{1}{2\ 000\ 000} ,可在 37 个数中取几个数?

(1) 一注彩票就是从 37 个数里取 7 个、不管排列顺序,所以不同号码的注数就是组合数

C377=37×36×35×34×33×32×317!=51 889 178 8805 040=10 295 472.\mathrm{C}_{37}^7 = \frac{37 \times 36 \times 35 \times 34 \times 33 \times 32 \times 31}{7!} = \frac{51\,889\,178\,880}{5\,040} = 10\,295\,472.

即一共有 10 295 47210\,295\,472 注不同号码的彩票,其中恰有一注中一等奖(中奖机会 110 295 472\frac{1}{10\,295\,472})。

(2) 设改成从 37 个数中取 kk 个(k∈N∗k \in \mathbf{N}^*,1⩽k⩽371 \leqslant k \leqslant 37), 同理不同号码共 C37k\mathrm{C}_{37}^k 注,一等奖的中奖机会是 1C37k\dfrac{1}{\mathrm{C}_{37}^k}。 题目要求它比 13 000 000\frac{1}{3\,000\,000} 大、且不超过 12 000 000\frac{1}{2\,000\,000}:

13 000 000<1C37k⩽12 000 000.\frac{1}{3\,000\,000} < \frac{1}{\mathrm{C}_{37}^k} \leqslant \frac{1}{2\,000\,000}.

三个量都是正数,取倒数时不等号反向:

2 000 000⩽C37k<3 000 000.2\,000\,000 \leqslant \mathrm{C}_{37}^k < 3\,000\,000.

用递推 C37k=C37k−1⋅38−kk\mathrm{C}_{37}^{k} = \mathrm{C}_{37}^{k-1} \cdot \dfrac{38-k}{k} 从小到大算:

C374=66 045,C375=435 897,C376=2 324 784,C377=10 295 472.\mathrm{C}_{37}^4 = 66\,045, \quad \mathrm{C}_{37}^5 = 435\,897, \quad \mathrm{C}_{37}^6 = 2\,324\,784, \quad \mathrm{C}_{37}^7 = 10\,295\,472.

C37k\mathrm{C}_{37}^k 在 k⩽18k \leqslant 18 时严格递增(因为 38−kk>1\dfrac{38-k}{k} > 1 等价于 k<19k < 19), 所以在 k⩽18k \leqslant 18 这一段里落进 [2 000 000, 3 000 000)[2\,000\,000,\ 3\,000\,000) 的只有 k=6k = 6: k=5k = 5 时才 435 897435\,897,不到 2 000 0002\,000\,000;k=7k = 7 时已 10 295 47210\,295\,472,超过 3 000 0003\,000\,000。

k⩾19k \geqslant 19 那一段也要交代:由对称性 C37k=C3737−k\mathrm{C}_{37}^{k} = \mathrm{C}_{37}^{37-k}, 那一段的取值与 k⩽18k \leqslant 18 那一段一一对应,唯一满足不等式的是 k=37−6=31k = 37 - 6 = 31(C3731=C376=2 324 784\mathrm{C}_{37}^{31} = \mathrm{C}_{37}^{6} = 2\,324\,784)。但一注要填 31 个 数、只留 6 个不填,不是彩票方案的实际做法,故取

k=6.k = 6.

答案:(1) 10 295 47210\,295\,472 注;(2) 取 66 个数(此时中奖机会 12 324 784\frac{1}{2\,324\,784},确在 13 000 000\frac{1}{3\,000\,000} 与 12 000 000\frac{1}{2\,000\,000} 之间)。

习题 6.2 第 18 题

  1. 移动互联网给人们的沟通交流带来了方便。某种移动社交软件平台,既可供用户彼此添加“好友”单独交流,又可供多个用户建立一个“群”(“群里”)的人彼此不一定是“好友”关系)共同交流。如果某人在平台上发了信息,他的“好友”都可以看到,但“群”里的非“好友”

不能看到. 现有一个 10 人的 “群”,其中 1 人在平台上发了一条信息,“群” 里有 3 人说看到了,那么这个 “群” 里与发信息这人是 “好友” 关系的情况可能有多少种?

群里 10 人,其中 1 人(记作 PP)发了信息;除 PP 之外还有 10−1=910 - 1 = 9 人。 ”PP 在这个群里与谁是好友”这件事,就是这 9 人的一个子集——要数的正是满足题给条件的子集有多少个。

第一步:把题面那条规则原样抄下来,一个字都不加。 题面写的是 “他的’好友’都可以看到,但’群’里的非’好友’不能看到”。这是一条单向的约束:

  • 非好友 ⇒\Rightarrow 看不到。等价地,看到了 ⇒\Rightarrow 是好友。
  • 好友 ⇒\Rightarrow 可以看到(有权限看到),题面没有说好友一定去看了、更没有说看了一定会 出声说。“可以看到”不是”都看到了”,这两句话不能互换。

第二步:把”有 3 人说看到了”翻译成对子集的约束。 这 3 人说看到了,说明他们确实看到了, 由上面那条推出他们是好友——这 3 人必在好友集合里,没有选择余地。

至于其余 9−3=69 - 3 = 6 人:题面只说他们没有说看到,没有说他们看不到。若某人是好友,他有权限 看到、可以一直没去看,也可以看了没出声,与”没说看到”并不矛盾;若某人不是好友,他看不到, 同样与”没说看到”不矛盾。所以这 6 人每人独立地有”是好友”与”不是好友”两种可能。

第三步:数。 3 个人已被钉死,6 个人各有 2 种可能且互不影响,由分步乘法计数原理

26=64.2^6 = 64.

按”这 6 人里有几个是好友”分类核一遍:

C60+C61+C62+C63+C64+C65+C66=1+6+15+20+15+6+1=64,\mathrm{C}_6^0 + \mathrm{C}_6^1 + \mathrm{C}_6^2 + \mathrm{C}_6^3 + \mathrm{C}_6^4 + \mathrm{C}_6^5 + \mathrm{C}_6^6 = 1 + 6 + 15 + 20 + 15 + 6 + 1 = 64,

一致(这也正是 ∑k=06C6k=26\sum_{k=0}^{6}\mathrm{C}_6^k = 2^6 那条恒等式)。

答案:6464 种。

为什么不是 C93=84\mathrm{C}_9^3 = 84。 有一种读法是把”有 3 人说看到了”读成”群里看到这条信息的 恰好是 3 个人、且不知道是哪 3 个”,那么好友集合的大小被钉成 3,要数的就是”哪 3 人”, 得 C93=84\mathrm{C}_9^3 = 84。这条路要成立,必须同时给题面加两个它没有的条件:其一,把 “好友都可以看到”强化成”好友都看到了”(否则看到的人数少于好友数,“恰好 3 人看到”推不出 “恰好 3 个好友”);其二,把”3 人说看到了”强化成”只有这 3 人看到了”(否则还有看到而没出声的人)。 题面两处都没有这么写,所以本站不取这一读法。

这道题的关键动作:把”关系有多少种可能”翻译成”某个集合有多少个子集”,再把题面已经钉死的元素 从计数里摘出去——剩下几个自由元素,答案就是 2 的几次方。同时也是一次读题训练: “可以看到”与”看到了”、“说看到了”与”看到了”,是三句不同的话。

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  1. 现有 1, 3, 7, 13 这 4 个数.

(1)从这 4 个数中任取 2 个相加,可以得到多少个不相等的和?

(2) 从这 4 个数中任取 2 个相减, 可以得到多少个不相等的差?

6.2.4 组合数

类比排列数,我们引进组合数概念:

从 n 个不同元素中取出 m(m⩽n)m(m \leqslant n) 个元素的所有不同组合的个数,叫做从 n 个不同元素中取出 m 个元素的组合数,用符号 CnmC_{n}^{m} 表示.

例如,从3个不同元素中取出2个元素的组合数表示为C32\mathrm{C}_3^2 ,从4个不同元素中取出3个元素的组合数表示为 C43\mathrm{C}_4^3

• •

符号 CnmC_{n}^{m} 中的 C 是英文 combination(组合)的第一个字母。组合数还可以用符号 (nm)\binom{n}{m} 表示。

探究

前面已经提到,组合和排列有关系,我们能否利用这种关系,由排列数 Anm\mathrm{A}_n^m 来求组合数 Cnm\mathrm{C}_n^m 呢?

前面,我们利用 “元素相同、顺序不同的两个组合相同” “元素相同、顺序不同的两个排列不同”,以 “元素相同” 为标准,建立了排列和组合之间的对应关系,并求得了从 3 个不同元素中取出 2 个元素的组合数

C32=3.\mathrm{C} _ {3} ^ {2} = 3.

运用同样的方法,我们来求从4个不同元素中取出3个元素的组合数 C43C_{4}^{3} 。设这4个元素为a,b,c,d,那么从中取出3个元素的排列数 A43=24A_{4}^{3}=24 ,以“元素相同”为标准将这24个排列分组,一共有4组,如图6.2-8所示,因此组合数 C43=4C_{4}^{3}=4 。

图6.2-8

观察图 6.2-8,也可以这样理解求 “从 4 个元素中取出 3 个元素的排列数 A43A_{4}^{3} ”:

第1步,从4个元素中取出3个元素作为一组,共有 C43\mathrm{C}_4^3 种不同的取法;

第 2 步,将取出的 3 个元素作全排列,共有 A33A_{3}^{3} 种不同的排法.

于是,根据分步乘法计数原理,有

A43=C43⋅A33,\mathrm{A} _ {4} ^ {3} = \mathrm{C} _ {4} ^ {3} \cdot \mathrm{A} _ {3} ^ {3},

即

C43=A43A33=4.\mathrm{C} _ {4} ^ {3} = \frac {\mathrm{A} _ {4} ^ {3}}{\mathrm{A} _ {3} ^ {3}} = 4.

同样地,求“从 nn 个元素中取出 mm 个元素的排列数 Anm\mathrm{A}_n^m”,可以看作由以下两个步骤得到:

第1步,从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素作为一组,共有 Cnm\mathrm{C}_n^m 种不同的取法;

第 2 步,将取出的 m 个元素作全排列,共有 AmmA_{m}^{m} 种不同的排法.

根据分步乘法计数原理,有

Anm=Cnm⋅Amm.\mathrm{A} _ {n} ^ {m} = \mathrm{C} _ {n} ^ {m} \cdot \mathrm{A} _ {m} ^ {m}.

因此,

Cnm=AnmAmm=n(n−1)(n−2)⋯(n−m+1)m!.\mathrm{C} _ {n} ^ {m} = \frac {\mathrm{A} _ {n} ^ {m}}{\mathrm{A} _ {m} ^ {m}} = \frac {n (n - 1) (n - 2) \cdots (n - m + 1)}{m !}.

这里 nn , m∈N∗m\in \mathbf{N}^* ,并且 m⩽nm\leqslant n ,这个公式叫做组合数公式

因为

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

所以,上面的组合数公式还可以写成

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

另外,我们规定 Cn0=1C_{n}^{0}=1 .

例 6 计算:(1) C103C_{10}^{3} ;(2) C107C_{10}^{7} ;(3) C1010C_{10}^{10} ;(4) C100C_{10}^{0} .

解:根据组合数公式,可得

(1) C103=A103A33=10×9×83!=120;C_{10}^{3}=\frac{A_{10}^{3}}{A_{3}^{3}}=\frac{10\times9\times8}{3!}=120;

(2) C107=10!7!(10−7)!=10×9×8×7!7!×3!=10×9×83!=120;C_{10}^{7}=\frac{10!}{7!(10-7)!}=\frac{10\times9\times8\times7!}{7!\times3!}=\frac{10\times9\times8}{3!}=120;

(3) C1010=A1010A1010=10!10!=1;C_{10}^{10}=\frac{A_{10}^{10}}{A_{10}^{10}}=\frac{10!}{10!}=1;

(4) C100=1.C_{10}^{0}=1.

思考

观察例6的(1)与(2),(3)与(4)的结果,你有什么发现?(1)与(2)分别用了不同形式的组合数公式,你对公式的选择有什么想法?

例 7 在 100 件产品中,有 98 件合格品,2 件次品。从这 100 件产品中任意抽出 3 件。

(1) 有多少种不同的抽法?

(2) 抽出的 3 件中恰好有 1 件是次品的抽法有多少种?

(3) 抽出的 3 件中至少有 1 件是次品的抽法有多少种?

分析:(1)从100件产品中任意抽出3件,不需考虑顺序,因此这是一个组合问题;(2)可以先从2件次品中抽出1件,再从98件合格品中抽出2件,因此可以看作是一个分步完成的组合问题;(3)从100件产品抽出的3件中至少有1件是次品,包括有1件次品和有2件次品的情况,因此可以看作是一个分类完成的组合问题.

解:(1)所有的不同抽法种数,就是从100件产品中抽出3件的组合数,所以抽法种数为

C1003=A1003A33=100×99×983!=161700;\mathrm{C} _ {1 0 0} ^ {3} = \frac {\mathrm{A} _ {1 0 0} ^ {3}}{\mathrm{A} _ {3} ^ {3}} = \frac {1 0 0 \times 9 9 \times 9 8}{3 !} = 1 6 1 7 0 0;

(2)从2件次品中抽出1件的抽法有 C21C_{2}^{1} 种,从98件合格品中抽出2件的抽法有 C982C_{98}^{2} 种,因此抽出的3件中恰好有1件次品的抽法种数为

从2件次品中抽出1件的抽法数可以是 A21\mathrm{A}_2^1 吗?

C21×C982=2×98×972!=9506.\mathrm{C} _ {2} ^ {1} \times \mathrm{C} _ {9 8} ^ {2} = 2 \times \frac {9 8 \times 9 7}{2 !} = 9 5 0 6.

(3)方法1 从100件产品抽出的3件中至少有1件是次品,包括有1件次品和有2件次品两种情况,因此根据分类加法计数原理,抽出的3件中至少有1件是次品的抽法种数为

C21×C982+C22×C981=9506+98=9604.\mathrm{C} _ {2} ^ {1} \times \mathrm{C} _ {9 8} ^ {2} + \mathrm{C} _ {2} ^ {2} \times \mathrm{C} _ {9 8} ^ {1} = 9 5 0 6 + 9 8 = 9 6 0 4.

方法 2 抽出的 3 件中至少有 1 件是次品的抽法种数,就是从 100 件产品中抽出 3 件的抽法种数减去 3 件都是合格品的抽法种数,即

C1003−C983=161700−98×97×963!=9604.\mathrm{C} _ {1 0 0} ^ {3} - \mathrm{C} _ {9 8} ^ {3} = 1 6 1 7 0 0 - \frac {9 8 \times 9 7 \times 9 6}{3 !} = 9 6 0 4.

当 nn 和 mm 取较小数值时,可以通过手算得出 Anm\mathrm{A}_n^m 和 Cnm\mathrm{C}_n^m。当 nn 和 mm 取较大数值时,可以使用信息技术工具,以使计算更快捷和准确。许多信息技术工具都有计算排列数 Anm\mathrm{A}_n^m 和组合数 Cnm\mathrm{C}_n^m 的内置函数,输入 nn 和 mm 的值后,便可以直接得到结果。

练习

  1. 先计算,然后用计算工具检验:

(1) C62C_{6}^{2} ; (2) C97C_{9}^{7} ; (3) C73−C62C_{7}^{3}-C_{6}^{2} ; (4) 3C83−2C523C_{8}^{3}-2C_{5}^{2} .

  1. 求证: Cnm=m+1n+1Cn+1m+1C_{n}^{m}=\frac{m+1}{n+1}C_{n+1}^{m+1} .

  2. 有政治、历史、地理、物理、化学、生物这6门学科的学业水平考试成绩,现要从中选3门考试成绩.

(1) 共有多少种不同的选法?

(2) 如果物理和化学恰有 1 门被选,那么共有多少种不同的选法?

(3)如果物理和化学至少有1门被选,那么共有多少种不同的选法?

习题6.2

复习巩固

  1. 先计算,然后用计算工具检验: (1) 5A53+4A425A_{5}^{3} + 4A_{4}^{2} ; (2) A41+A42+A43+A44A_{4}^{1} + A_{4}^{2} + A_{4}^{3} + A_{4}^{4} .

  2. 先计算,然后用计算工具检验: (1) C153C_{15}^{3} ; (2) C200197C_{200}^{197} ; (3) C63÷C84C_{6}^{3} \div C_{8}^{4} ; (4) Cn+1n⋅Cnn−2C_{n+1}^{n} \cdot C_{n}^{n-2} .

  3. 壹圆、伍圆、拾圆、贰拾圆的人民币各1张,一共可以组成多少种币值?

  4. 填空题

(1)有 3 张参观券,要在 5 人中确定 3 人去参观,不同方法的种数是 ____;

(2)要从5件不同的礼物中选出3件分别送3位同学,不同方法的种数是____;

(3) 5 名工人各自在 3 天中选择 1 天休息,不同方法的种数是 ____;

(4) 集合 AA 有 mm 个元素, 集合 BB 有 nn 个元素, 从两个集合中各取 1 个元素, 不同方法的种数是 ____.

  1. 一名同学有 4 本不同的数学书,5 本不同的物理书,3 本不同的化学书,现要将这些书放在一个单层的书架上.

(1)如果要选其中的6本书放在书架上,那么有多少种不同的放法?

(2)如果要将全部的书放在书架上,且不使同类的书分开,那么有多少种不同的放法?

6.(1)空间中有8个点,其中任何4个点不共面,过每3个点作一个平面,可以作多少个平面?

(2) 空间中有 10 个点, 其中任何 4 个点不共面, 过每 4 个点为顶点作一个四面体, 可以作多少个四面体?

  1. 在一次考试的选做题部分,要求在第1题的4个小题中选做3个小题,在第2题的3个小题中选做2个小题,在第3题的2个小题中选做1个小题,有多少种不同的选法?

综合运用

  1. 求证:

(1) An+1n+1−Ann=n2An−1n−1\mathrm{A}_{n + 1}^{n + 1} - \mathrm{A}_n^n = n^2\mathrm{A}_{n - 1}^{n - 1}; (2) (n+1)!k!−n!(k−1)!=(n−k+1)⋅n!k!(k⩽n)\frac{(n + 1)!}{k!} -\frac{n!}{(k - 1)!} = \frac{(n - k + 1)\cdot n!}{k!} (k\leqslant n).

  1. 学校要安排一场文艺晚会的11个节目的演出顺序。除第1个节目和最后1个节目已确定外,4个音乐节目要求排在第2,5,7,10的位置,3个舞蹈节目要求排在第3,6,9的位置,2个曲艺节目要求排在第4,8的位置,有多少种不同的排法?
  1. 班上每个小组有 12 名同学,现要从每个小组选 4 名同学代表本组与其他小组进行辩论赛.

(1) 每个小组有多少种选法?

(2)如果还要从选出的同学中指定1名作替补,那么每个小组有多少种选法?

(3)如果还要将选出的同学分别指定为第一、二、三、四辩手,那么每个小组有多少种选法?

  1. 一个数阵有 mm 行 nn 列,第一行中的 nn 个数互不相同,其余行都由这 nn 个数以不同的顺序组成。如果要使任意两行的顺序都不相同,那么 mm 的值最大可取多少?

12.(1)从0,2,4,6中任取3个数字,从1,3,5中任取2个数字,一共可以组成多少个没有重复数字的五位数?

(2)由数字0,1,2,3,4,5,6可以组成多少个没有重复数字,并且比5000000大的正整数?

  1. 从 5 名男生和 4 名女生中选出 4 人去参加一项创新大赛.

(1)如果 4 人中男生女生各选 2 人,那么有多少种选法?

(2) 如果男生中的甲和女生中的乙必须在内,那么有多少种选法?

(3)如果男生中的甲和女生中的乙至少要有1人在内,那么有多少种选法?

(4)如果4人中必须既有男生又有女生,那么有多少种选法?

  1. 一个宿舍的6名同学被邀请参加一个晚会.

(1)如果必须有人去,去几个人自行决定,有多少种不同的去法?

(2)如果其中甲和乙两位同学要么都去,要么都不去,有多少种去法?

  1. 从含有 3 件次品的 100 件产品中,任意抽取 5 件进行检验.

(1)抽出的产品都是合格品的抽法有多少种?

(2) 抽出的产品中恰好有 2 件是次品的抽法有多少种?

(3)抽出的产品中至少有2件是次品的抽法有多少种?

(4)抽出的产品中至多有2件是次品的抽法有多少种?

拓广探索

  1. 根据某个福利彩票方案,每注彩票号码都是从 1∼371 \sim 37 这 37 个数中选取 7 个数。如果所选 7 个数与开出的 7 个数一样(不管排列顺序),彩票即中一等奖。

(1) 多少注不同号码的彩票可有一个一等奖?

(2) 如果要将一等奖的中奖机会提高到 13 000 000\frac{1}{3\ 000\ 000} 以上且不超过 12 000 000\frac{1}{2\ 000\ 000} ,可在 37 个数中取几个数?

  1. 如图,现要用 5 种不同的颜色对某市的 4 个区县地图进行着色,要求有公共边的两个地区不能用同一种颜色,共有几种不同的着色方法?

(第 17 题)

  1. 移动互联网给人们的沟通交流带来了方便。某种移动社交软件平台,既可供用户彼此添加“好友”单独交流,又可供多个用户建立一个“群”(“群里”)的人彼此不一定是“好友”关系)共同交流。如果某人在平台上发了信息,他的“好友”都可以看到,但“群”里的非“好友”

不能看到. 现有一个 10 人的 “群”,其中 1 人在平台上发了一条信息,“群” 里有 3 人说看到了,那么这个 “群” 里与发信息这人是 “好友” 关系的情况可能有多少种?

  1. 甲、乙、丙、丁、戊共5名同学进行劳动技术比赛,决出第1名到第5名的名次。甲和乙去询问成绩,回答者对甲说:“很遗憾,你和乙都没有得到冠军。”对乙说:“你当然不会是最差的。”从这两个回答分析,5人的名次排列可能有多少种不同情况?

6 探究与发现

组合数的两个性质

在例6中,我们已经发现 C103\mathrm{C}_{10}^{3} 与 C107\mathrm{C}_{10}^{7},C100\mathrm{C}_{10}^{0} 与 C1010\mathrm{C}_{10}^{10} 都是相同的数。现在再用计算工具计算下列各组组合数的值,还能发现什么?你能解释你的发现吗?

C125与C127,C154与C1511,C183与C1815.\mathrm{C} _ {1 2} ^ {5} \text {与} \mathrm{C} _ {1 2} ^ {7}, \mathrm{C} _ {1 5} ^ {4} \text {与} \mathrm{C} _ {1 5} ^ {1 1}, \mathrm{C} _ {1 8} ^ {3} \text {与} \mathrm{C} _ {1 8} ^ {1 5}.

通过计算不难发现,各组的两个组合数都相等。观察同组的两个组合数,还可以发现,它们的上标之和等于下标,即

5+7=12,4+11=15,3+15=18.5 + 7 = 1 2, 4 + 1 1 = 1 5, 3 + 1 5 = 1 8.

如何解释上述结果呢?

等式的两边是对同一问题的两个等价解释,这启发我们,如果把 C125C_{12}^{5} 解释为“从12名学生中选出5人参加某项活动的选法种数”,那么 C127C_{12}^{7} 可以解释为“从12名学生中留下7人不参加活动的选法种数”。由于留下7人后其余5人就是参加活动的,所以不参加活动的人员选法种数 C127C_{12}^{7} 就等于参加活动的人员选法种数 C125C_{12}^{5},即有

C125=C127.\mathrm{C} _ {1 2} ^ {5} = \mathrm{C} _ {1 2} ^ {7}.

一般地,从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素后,必然剩下 (n−m)(n - m) 个元素,因此从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素的组合,与剩下的 (n−m)(n - m) 个元素的组合一一对应。这样,从 nn 个不同元素中取出 mm 个元素的组合数,等于从这 nn 个不同元素中取出 (n−m)(n - m) 个元素的组合数。于是我们有

性质1

Cnm=Cnn−m.\mathrm{C} _ {n} ^ {m} = \mathrm{C} _ {n} ^ {n - m}.

由于 Cn0=1C_{n}^{0}=1 ,因此上面的等式在m=n时也成立.

在推导性质1时,我们运用了说明组合等式的一个常用而重要的方法,即把等号两边的不同表达式解释为对同一个组合问题的两个不同的计数方案.

你能根据上述思想方法,利用分类加法计数原理,说明下面的组合数性质吗?

性质2

Cn+1m=Cnm+Cnm−1.\mathrm{C} _ {n + 1} ^ {m} = \mathrm{C} _ {n} ^ {m} + \mathrm{C} _ {n} ^ {m - 1}.