Перейти к содержанию
Educora
Продвинутый9–11 классы25 мин52 / 82

Комбинаторика

Правила суммы и произведения, факториал, перестановки, размещения и сочетания, бином Ньютона и треугольник Паскаля.

Проверь себя
В этом уроке ты узнаешь
  • Считать варианты по правилам произведения и суммы
  • Выбирать между размещениями и сочетаниями в зависимости от того, важен ли порядок
  • Раскрывать бином с помощью треугольника Паскаля и находить любой коэффициент

Сколько существует разных 4-значных PIN-кодов банковской карты? На каждое место ставится одна из 10 цифр: 10 · 10 · 10 · 10 = 10 000 вариантов. Сколькими способами класс из 25 человек может выбрать 3 делегатов? 2300 способами! Выписать все варианты невозможно — комбинаторика учит считать их без перебора. На ней основаны теория вероятностей, криптография и программирование.

Правила произведения и суммы

N = n₁ · n₂ · … · nₖ
где:
  • n₁, n₂, …, nₖчисло вариантов на каждом шаге
  • Nобщее число вариантов

Правило произведения: если выбор делается в несколько последовательных шагов («и это, и то»), числа вариантов на каждом шаге перемножаются.

N = n + m
где:
  • n, mчисла вариантов в двух группах без общих элементов

Правило суммы: если выбирают «либо это, либо то» и группы не пересекаются, числа вариантов складываются.

Правила произведения и суммы

а) В кафе 3 вида супа, 4 вторых блюда и 2 напитка. Сколько разных обедов из супа, второго блюда и напитка можно заказать?
б) Сколько существует трёхзначных чисел с различными цифрами?
в) Лейла выбирает одну книгу: один из 5 романов или один из 7 сборников стихов. Сколько у неё вариантов?

Показать решение
а) Три шага (суп, второе, напиток) — правило произведения: 3 · 4 · 2 = 24.
б) Разряд сотен: не может быть 0 — 9 вариантов. Десятки: любая цифра, кроме первой, включая 0 — 9 вариантов. Единицы: оставшиеся 8 цифр. 9 · 9 · 8 = 648.
в) «Либо роман, либо стихи» — правило суммы: 5 + 7 = 12.

Факториал и перестановки

Определение
Факториал

n! = 1 · 2 · 3 · … · n — произведение всех натуральных чисел от 1 до n. По определению 0! = 1. Например, 5! = 120, 10! = 3 628 800 — факториал растёт очень быстро.

Pₙ = n!
где:
  • nчисло различных элементов, которые переставляют

Число перестановок: количество способов расставить n различных элементов в ряд. На первое место — n вариантов, на второе — n − 1 и так далее.

Перестановки

а) Сколькими способами можно расставить на полке 5 разных книг?
б) 6 учеников встают в ряд. Сколько существует расстановок, если Айсель и Мурад должны стоять рядом?

Показать решение
а) P₅ = 5! = 1 · 2 · 3 · 4 · 5 = 120.
б) «Склеим» Айсель и Мурада и будем считать их одним элементом: тогда переставляются 5 элементов — 5! = 120. Внутри пары они могут стоять 2! = 2 способами.
120 · 2 = 240. (Без условия было бы 6! = 720.)

Размещения и сочетания

Aₙᵏ = n! / (n − k)! = n · (n − 1) · … · (n − k + 1)Aₙᵏ = n! / (n − k)! = n · (n − 1) · … · (n − k + 1)
где:
  • nобщее число элементов
  • kчисло выбираемых и упорядочиваемых элементов (k ≤ n)

Размещения: из n элементов выбирают k и упорядочивают — порядок важен. Справа стоят k убывающих множителей, начиная с n.

Cₙᵏ = n! / (k! · (n − k)!) = Aₙᵏ / k!Cₙᵏ = n! / (k! · (n − k)!) = Aₙᵏ / k!
где:
  • nобщее число элементов
  • kчисло выбираемых элементов; порядок не учитывается

Сочетания: из n элементов просто выбирают k — порядок не важен. Каждая группа из k элементов в размещениях посчитана k! раз, поэтому делим на k!.

Что делаем?Порядок важен?ФормулаПример
переставляем все n элементовдаPₙ = n!5 книг на полке: 120
выбираем k из n и упорядочиваемдаAₙᵏстароста, заместитель, секретарь из 25: 13 800
просто выбираем k из nнетCₙᵏ3 делегата из 25: 2300
на каждое из k мест — один из n вариантов (с повторениями)даnᵏ4-значный PIN: 10⁴ = 10 000
Какую формулу выбрать: сначала ответь на вопрос «важен ли порядок?».
Важен порядок или нет?

В классе 25 учеников.
а) Сколькими способами можно выбрать старосту, его заместителя и секретаря?
б) Сколькими способами можно выбрать 3 делегатов на конференцию?

Показать решение
а) Должности разные, порядок важен: A₂₅³ = 25 · 24 · 23 = 13 800.
б) Три делегата равноправны, порядок не важен: C₂₅³ = A₂₅³ / 3! = 13 800 / 6 = 2300.
Cₙᵏ = Cₙⁿ⁻ᵏ Cₙᵏ + Cₙᵏ⁺¹ = Cₙ₊₁ᵏ⁺¹ Cₙ⁰ = Cₙⁿ = 1
где:
  • n, kцелые неотрицательные числа, k ≤ n

Первое свойство: выбрать k элементов — то же самое, что «не выбрать» остальные n − k. Второе свойство — правило построения треугольника Паскаля: C₅² + C₅³ = 10 + 10 = 20 = C₆³.

Экзаменационная задача: выбор группы

В кружке 6 мальчиков и 4 девочки. Выбирают команду из 5 человек.
а) Сколько команд, в которых ровно 2 девочки?
б) Сколько команд, в которых хотя бы одна девочка?
в) Из кружка случайно выбирают 2 человек. Какова вероятность, что обе — девочки?

Показать решение
а) 2 девочки из 4 и 3 мальчика из 6 — правило произведения: C₄² · C₆³ = 6 · 20 = 120.
б) Через противоположное событие: «хотя бы одна девочка» = все − «без девочек». C₁₀⁵ − C₆⁵ = 252 − 6 = 246.
в) Всех пар: C₁₀² = 45, пар из двух девочек: C₄² = 6. P = 6/45 = 2/15 ≈ 0,13.

Бином Ньютона и треугольник Паскаля

(a + b)ⁿ = Cₙ⁰aⁿ + Cₙ¹aⁿ⁻¹b + Cₙ²aⁿ⁻²b² + … + Cₙⁿbⁿ
где:
  • nнатуральный показатель
  • Cₙᵏбиномиальные коэффициенты

Бином Ньютона. Общий член: Tₖ₊₁ = Cₙᵏ · aⁿ⁻ᵏ · bᵏ. В разложении n + 1 слагаемое, сумма коэффициентов равна 2ⁿ. В разложении (a − b)ⁿ знаки чередуются: +, −, +, …

nБиномиальные коэффициентыСумма
011 = 2⁰
11 12 = 2¹
21 2 14 = 2²
31 3 3 18 = 2³
41 4 6 4 116 = 2⁴
51 5 10 10 5 132 = 2⁵
61 6 15 20 15 6 164 = 2⁶
Треугольник Паскаля. По краям стоят единицы, каждое внутреннее число равно сумме двух чисел над ним: 10 = 4 + 6, 20 = 10 + 10. Строка n — это коэффициенты разложения (a + b)ⁿ.
Интерактив
Загрузка симуляции…
Биномиальные коэффициенты симметричны относительно середины: C₁₀ᵏ = C₁₀¹⁰⁻ᵏ. Самый большой — посередине: C₁₀⁵ = 252. Их сумма равна 2¹⁰ = 1024. С ростом n столбцы принимают форму «колокола» — это путь к нормальному распределению.
Разложение бинома и коэффициент

а) Раскройте (x + 2)⁴.
б) Найдите коэффициент при x² в разложении (2x − 1)⁵.

Показать решение
а) 4-я строка: 1, 4, 6, 4, 1. Степени двойки: 1, 2, 4, 8, 16.
(x + 2)⁴ = x⁴ + 4 · 2x³ + 6 · 4x² + 4 · 8x + 16 = x⁴ + 8x³ + 24x² + 32x + 16.
б) Общий член: C₅ᵏ · (2x)⁵⁻ᵏ · (−1)ᵏ. Для x² нужно 5 − k = 2 ⇒ k = 3.
C₅³ · 2² · (−1)³ = 10 · 4 · (−1) = −40.

Главное

  • Правило произведения: варианты последовательных шагов перемножаются; правило суммы: варианты «либо—либо» складываются.
  • Pₙ = n! — число всех перестановок n элементов.
  • Если порядок важен — Aₙᵏ = n!/(n − k)!, если нет — Cₙᵏ = n!/(k!(n − k)!).
  • В задачах «хотя бы один» проще вычесть противоположный случай из общего числа.
  • Коэффициенты (a + b)ⁿ — n-я строка треугольника Паскаля; общий член Cₙᵏaⁿ⁻ᵏbᵏ.

Проверь себя

Вопросов: 10. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 10
Сколько существует 4-значных PIN-кодов, у которых все цифры различны? (PIN может начинаться с 0.)