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排列、组合问题的特点是:题型多样,思维抽象,小巧新颖,解法别致.因此,解决排列、组合问题,首先要认真审题,弄清题意,注重挖掘题中的隐含条件;其次要抓住问题的本质特征,采用恰当的方法来处理. 具体解题过程中,要注意以下几点:
总的原则——合理分类与准确分步.即按元素的性质进行分类,按事情发生的连续过程分步,做到分类标准明确,分步层次清楚,不重不漏.
两种思路——直接法,间接法.
三种途径——以元素为主,先满足特殊元素的要求,再考虑其它元素;以位置为主,先满足特殊位置的要求,再考虑其它位置;先不考虑附加条件,计算出排列或组合数,再减去不符合要求的排列数或组合数.
一、人或数的问题
对排列组合问题的考查,多以人或数的问题出现,内容基础,题型常规,注重考查通性、通法.
例1 在由数字0,1,2,3,4,5所组成的没有重复数字的四位数中,不能被5整除的数共有( )个.
解法1(元素优先法) 根据所求四位数对0和5两个元素的特殊要求将其分为四类:①含0不含5,共有[C12A34]=48(个);②含5不含0,共有[C13A34]=72(个);③含0也含5,共有[C12C12A24]=48(个);④不合0也不含5,共有[A44]=24(个).所以,符合条件的四位数共有48+72+48+24=192(个).
解法2(位置优先法) 根据所求四位数对首末两位置的特殊要求可分三步:第一步:排个位,有[C14]种方法;第二步;排首位,有[C14]种方法;第三步:排中间两位,有[A24]种方法.所以符合条件的四位数共有[C14][C14][A24]=192(个).
解法3(排除法) 数字0,1,2,3,4,5组成的没有重复数字的四位数有[C15A35=300](个),能被5整除的数有两类:个位数为0的有[A35=60](个);个位数为5的有[C14A24]=48(个);故符合条件的四位数共有300-60-48=192(个).
例2 6个人参加4×100接力,甲不跑第一棒,乙不跑第二棒的安排方式有( )种.
解析 本题为元素多于位置的情形,可按“含”或 “不含”某个元素进行分类:①甲、乙都不参加的安排方法有[A44]=24种;②甲参加而乙不参加时,可从余下4人中选3人有[C34]种选法.由于甲不跑第一棒,故第一棒可从剩下的三人中选一人有[C13]种选法,余下三棒有[A33]种安排方法,共有[C34]·[C13]·[A33]=72种方法(或甲不跑第一棒时,可安排甲跑第二、三、四棒中的任一棒,有[C13]种方法,余下三棒有[A33]种安排方法);③乙参加而甲不参加,同理有72种方法;④甲、乙都参加时,由题意有[C24]([A33]+[A33]-[A22])=60种方法(排除法). 故共有24+72+72+60=228种安排方法.
解析(角色转换法) 将数字作为元素,则这是九个元素排在九个位置上的“不尽相异元素的全排列”问题.若将九个位置作为元素,则问题转化为“相异元素不许重复的组合问题”,即共有[C29C37C44=1260]种不同的排法.
二、图形问题
此类问题主要有涂色、种植、共线、共面等.
例5 某人有4种颜色的灯泡(每种颜色的灯泡足够多),要在如图所示的6个点[A、B、C、A1、B1、C1]上各装一个灯泡,要求同一条线段两端的灯泡不同色,则每种颜色的灯泡都至少用一个的安装方法共有 种.
解析 此例解法较多,在此用“分组”的方法求解.由于同一条棱的两端的灯泡不同色,故可将将六个顶点划分为四个“组”,然后再安装灯泡.由题意可分为九组:
例6 有3种不同种子种在如图所示的5块田中,每块种一种种子,为有利于作物生长,相邻两块田中种不同的种子,则有( )种不同的种法;如有6种不同种子,则又有( )种不同的种法.
解析 (1)按田块分类,可分为:1,24,35;13,24,5;13,25,4;14,25,3;14,35,2;15,24,3;135,2,4共七类,共有[7A33=42]种不同的涂法.
(2)按种子分类:种2种,可分为135、24两“块”,有[A26]种方法;种3种,由⑴知有[7A33]种方法;种4种,可分13,2,4,5;14,2,3,5;15,2,3,4;24,1,3,5;25,1,3,4;35,1,2,4六类,有[6A46]种方法;种5种,有[A56]种方法. 故有2952种不同种法.
三、工程问题
如分配、分组等问题.
例7 某校从8名教师中选派4名教师同时去4个边远地区支教(每地1人),其中甲和乙不同去,甲和丙只能同去或同不去,则不同的选派方案共有 种.
解析 分三种情形:甲、丙同去且乙不去,有[C25?A44]=240种选法;甲、丙同不去且乙去,有[C35?A44]=240种选法;甲、乙、丙都不去,有[A45=120]种选法.共有600种不同的选派方案.
例8 6本不同的书,按以下要求各有多少种分法.(1)平均分成三组;(2)分成1本、2本、3本三组;(3)平均分给甲、乙、丙三人;(4)分给甲、乙、丙三人,一人拿1本、一人拿2本、一人拿3本;(5)甲得一本,乙得二本,丙得三本.
解析 (1)此为平均分组问题,共有[C26?C24?C223!][=15]种分法;(2)此为非平均分组问题,共有[C16?C25?C33=60]种分法;(3)此为均匀不定向分配问题,先分组,再排序,共有[C26?C24?C223!·3!=90]种分法;(4)此为非均匀不定向分配问题,先分组,再排序,[C16?C25?C33?A33=360]种分法;(5)此为非均匀定向分配问题,共有[C16?C25?C33=60]种分法.
四、其它问题
例9 将4个相同的白球、5个相同的黑球、6个相同的红球放入4个不同的盒子中,使得有一个空盒且其它盒子中球的颜色齐全的不同放法有( )种.
解析 此例解法较多,此处用“隔板法”求解.先从4个盒子中选三个放置小球有[C34]种方法.注意到小球都是相同的,为了保证三个盒子中球的颜色齐全,可以在4个相同的白球、5个相同的黑球、6个相同的红球所产生的3个、4个、5个空挡中分别插入两个隔板,各有[C23],[C24],[C25]种方法.故共有[C34?C23?C24?C25]=720种不同的放球方法.
例10 设[ABCDEF]为正六边形,一只青蛙开始在顶点[A]处,它每次可随意地跳到相邻两个顶点之一,若在5次之内跳到[D]点,则停止跳动,若在5次之内不能到达[D]点,则跳完5次也停止跳动,那么这只青蛙从开始到停止,可能出现的不同跳法的种数是( )
A. 6 B. 8 C. 16 D. 26
解析 青蛙从[A]点开始,往相邻两个顶点[B]和[F]跳到[D]点的次数是相同的. 又青蛙第一次往[B]方向跳的跳法可用“树型图”表示如图. 由图知有13种跳法,所以共有跳法2×13=26(种).
答案 D
点拨 此例的解法也称回归法.有些计数模型不一定是排列或组合问题,此时可回归到最原始的方法,即画一画,数一数,算一算,这是最基本的计数方法,不可废弃.
总的原则——合理分类与准确分步.即按元素的性质进行分类,按事情发生的连续过程分步,做到分类标准明确,分步层次清楚,不重不漏.
两种思路——直接法,间接法.
三种途径——以元素为主,先满足特殊元素的要求,再考虑其它元素;以位置为主,先满足特殊位置的要求,再考虑其它位置;先不考虑附加条件,计算出排列或组合数,再减去不符合要求的排列数或组合数.
一、人或数的问题
对排列组合问题的考查,多以人或数的问题出现,内容基础,题型常规,注重考查通性、通法.
例1 在由数字0,1,2,3,4,5所组成的没有重复数字的四位数中,不能被5整除的数共有( )个.
解法1(元素优先法) 根据所求四位数对0和5两个元素的特殊要求将其分为四类:①含0不含5,共有[C12A34]=48(个);②含5不含0,共有[C13A34]=72(个);③含0也含5,共有[C12C12A24]=48(个);④不合0也不含5,共有[A44]=24(个).所以,符合条件的四位数共有48+72+48+24=192(个).
解法2(位置优先法) 根据所求四位数对首末两位置的特殊要求可分三步:第一步:排个位,有[C14]种方法;第二步;排首位,有[C14]种方法;第三步:排中间两位,有[A24]种方法.所以符合条件的四位数共有[C14][C14][A24]=192(个).
解法3(排除法) 数字0,1,2,3,4,5组成的没有重复数字的四位数有[C15A35=300](个),能被5整除的数有两类:个位数为0的有[A35=60](个);个位数为5的有[C14A24]=48(个);故符合条件的四位数共有300-60-48=192(个).
例2 6个人参加4×100接力,甲不跑第一棒,乙不跑第二棒的安排方式有( )种.
解析 本题为元素多于位置的情形,可按“含”或 “不含”某个元素进行分类:①甲、乙都不参加的安排方法有[A44]=24种;②甲参加而乙不参加时,可从余下4人中选3人有[C34]种选法.由于甲不跑第一棒,故第一棒可从剩下的三人中选一人有[C13]种选法,余下三棒有[A33]种安排方法,共有[C34]·[C13]·[A33]=72种方法(或甲不跑第一棒时,可安排甲跑第二、三、四棒中的任一棒,有[C13]种方法,余下三棒有[A33]种安排方法);③乙参加而甲不参加,同理有72种方法;④甲、乙都参加时,由题意有[C24]([A33]+[A33]-[A22])=60种方法(排除法). 故共有24+72+72+60=228种安排方法.
解析(角色转换法) 将数字作为元素,则这是九个元素排在九个位置上的“不尽相异元素的全排列”问题.若将九个位置作为元素,则问题转化为“相异元素不许重复的组合问题”,即共有[C29C37C44=1260]种不同的排法.
二、图形问题
此类问题主要有涂色、种植、共线、共面等.
例5 某人有4种颜色的灯泡(每种颜色的灯泡足够多),要在如图所示的6个点[A、B、C、A1、B1、C1]上各装一个灯泡,要求同一条线段两端的灯泡不同色,则每种颜色的灯泡都至少用一个的安装方法共有 种.
解析 此例解法较多,在此用“分组”的方法求解.由于同一条棱的两端的灯泡不同色,故可将将六个顶点划分为四个“组”,然后再安装灯泡.由题意可分为九组:
例6 有3种不同种子种在如图所示的5块田中,每块种一种种子,为有利于作物生长,相邻两块田中种不同的种子,则有( )种不同的种法;如有6种不同种子,则又有( )种不同的种法.
解析 (1)按田块分类,可分为:1,24,35;13,24,5;13,25,4;14,25,3;14,35,2;15,24,3;135,2,4共七类,共有[7A33=42]种不同的涂法.
(2)按种子分类:种2种,可分为135、24两“块”,有[A26]种方法;种3种,由⑴知有[7A33]种方法;种4种,可分13,2,4,5;14,2,3,5;15,2,3,4;24,1,3,5;25,1,3,4;35,1,2,4六类,有[6A46]种方法;种5种,有[A56]种方法. 故有2952种不同种法.
三、工程问题
如分配、分组等问题.
例7 某校从8名教师中选派4名教师同时去4个边远地区支教(每地1人),其中甲和乙不同去,甲和丙只能同去或同不去,则不同的选派方案共有 种.
解析 分三种情形:甲、丙同去且乙不去,有[C25?A44]=240种选法;甲、丙同不去且乙去,有[C35?A44]=240种选法;甲、乙、丙都不去,有[A45=120]种选法.共有600种不同的选派方案.
例8 6本不同的书,按以下要求各有多少种分法.(1)平均分成三组;(2)分成1本、2本、3本三组;(3)平均分给甲、乙、丙三人;(4)分给甲、乙、丙三人,一人拿1本、一人拿2本、一人拿3本;(5)甲得一本,乙得二本,丙得三本.
解析 (1)此为平均分组问题,共有[C26?C24?C223!][=15]种分法;(2)此为非平均分组问题,共有[C16?C25?C33=60]种分法;(3)此为均匀不定向分配问题,先分组,再排序,共有[C26?C24?C223!·3!=90]种分法;(4)此为非均匀不定向分配问题,先分组,再排序,[C16?C25?C33?A33=360]种分法;(5)此为非均匀定向分配问题,共有[C16?C25?C33=60]种分法.
四、其它问题
例9 将4个相同的白球、5个相同的黑球、6个相同的红球放入4个不同的盒子中,使得有一个空盒且其它盒子中球的颜色齐全的不同放法有( )种.
解析 此例解法较多,此处用“隔板法”求解.先从4个盒子中选三个放置小球有[C34]种方法.注意到小球都是相同的,为了保证三个盒子中球的颜色齐全,可以在4个相同的白球、5个相同的黑球、6个相同的红球所产生的3个、4个、5个空挡中分别插入两个隔板,各有[C23],[C24],[C25]种方法.故共有[C34?C23?C24?C25]=720种不同的放球方法.
例10 设[ABCDEF]为正六边形,一只青蛙开始在顶点[A]处,它每次可随意地跳到相邻两个顶点之一,若在5次之内跳到[D]点,则停止跳动,若在5次之内不能到达[D]点,则跳完5次也停止跳动,那么这只青蛙从开始到停止,可能出现的不同跳法的种数是( )
A. 6 B. 8 C. 16 D. 26
解析 青蛙从[A]点开始,往相邻两个顶点[B]和[F]跳到[D]点的次数是相同的. 又青蛙第一次往[B]方向跳的跳法可用“树型图”表示如图. 由图知有13种跳法,所以共有跳法2×13=26(种).
答案 D
点拨 此例的解法也称回归法.有些计数模型不一定是排列或组合问题,此时可回归到最原始的方法,即画一画,数一数,算一算,这是最基本的计数方法,不可废弃.