组合数学是一个既古老又年轻的数学分支。说它古老,因为它所研究的问题有的可追溯到很久很久以前。然而,它形成一个新的分支还是最近若干年的事,是受到电子计算机蓬勃发展影响的结果。
本节中的排列与组合、容斥原理、抽屉原理都是组合数学的内容。
组合数学研究的主要内容是计数和枚举,即计算具有某种特性的对象有多少,并进而把它完全列举出来。“计数”在许多方面有其重大作用,比如本节中的概率部分,就是计数的应用——要计算发生具有某种性质的事件的概率,往往首先要计算出具有该性质的事件的数目。
◎排列与组合
加法原理与乘法原理是在计数研究中最常用也是最基本的两个法则。
一、加法原理
完成一件事有两类不同方案(其中的方法互不相同)。在第1类方案中有m种不同的方法,在第2类方案中有n种不同的方法,那么完成这件事共有m+n种不同的方法。
例如:小华正准备出国留学,不是去A国,就是去B国。其中A国有4所大学向他发出了录取通知,而B国则有5所大学向他发出了入学邀请。故小华共有9所大学可以选择,即共有9种留学方案。
二、乘法原理
完成一件事需要两个步骤(第1步方法的选取不会影响第2步方法的选取)。做第1步有m种不同的方法,做第2步有n种不同的方法,那么完成这件事共有m×n种不同的方法。
例如,从A到B有3条不同的道路,从B到C有2条不同的道路,则从A经B到C的道路数n=3×2=6。
三、排列与组合
排列组合的难点主要体现在对排列组合原理的理解与运用上,也即确定是排列还是组合。排列与组合,前者与顺序有关,后者与顺序无关。考生可以通过任选一种安排好的情况,调整其中两个物体的前后顺序,看是否会出现新的情形,若是则与顺序有关,反之则与顺序无关。对基本的排列组合题能够迅速判断是排列还是组合,并写出对应方法数。考生可通过多考虑一些应用环境来锻炼自己判断排列组合的能力。
排列公式:
组合公式:
◎容斥原理
容斥原理又称包含排斥原理,它是解决组合计数问题的重要工具。
加法原理告诉我们,在集合间没有交集的情况下,求这些集合并集的简单计数公式。容斥原理则告诉我们一般情况下的公式,此时集合间可以重叠而没有限制。
例如,在1到30的正整数中,有多少个整数能被2整除或能被3整除?
由于从1开始每连续2个的第2个数能被2整除,所以1到30中能被2整除的整数共30÷2=15个,它们分别是
2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30。
同理,由于从1开始每连续3个的第3个数能被3整除,所以1到30中能被3整除的整数共30÷3=10个,它们分别是
3,6,9,12,15,18,21,24,27,30。
又,同时能被2和3整除的整数共30÷(2×3)=5个,分别是
6,12,18,24,30。
所以计数时如果计算15+10=25,则重复计算了5个数。容斥原理可以帮我们巧妙地解决这一问题。
|A∪B|=|A|+|B|-|A∩B|
|A∪B∪C|=|A|+|B|+|C|-|A∩B|-|B∩C|-|C∩A|+|A∩B∩C|
其中,两集合容斥原理用简单语言叙述就是:
满足条件1的个数+满足条件2的个数-都满足的个数=总数-都不满足的个数=满足至少一个条件的个数。
◎抽屉原理
抽屉原理是组合数学里最简单也是最基本的原理:n+1个物品放入n个抽屉中,则至少有一个抽屉,其中有两个或更多的物品。也有人称之为“鸽巢原理”,即“若有n个鸽子巢,n+1只鸽子,则至少有一个鸽子巢里至少有两只鸽子”。
从这样一个看来是显而易见的原理出发,可以导出许多组合数学中的并不那么显而易见的有趣结论。下面先举几个例子,通过例子说明利用抽屉原理的一般步骤,从不同的例题中总结出规律。
例:
抽屉里有10双手套,从中取11只出来,其中至少有两只是完整配对的。
某次会议有n位代表参加,每一位代表至少认识其余n-1位中的一位,则n位代表中,至少有两位认识的人数相等。
公考中,抽屉原理题目表述多为“黑色布袋中有……(具体物品),至少要取出多少个,才可以保证……(满足目标)”。
解决方案为反向构造。即假设所有物品并非放在布袋中,而是在自己手中,然后逐一发出,在发出的过程中尽可能不要满足题目的目标,直到满足目标为止。那么在尽量不满足题目要求情况下发出的最多数目就是题目的答案。
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