数学学习笔记 组合数学问题 第一章 基础知识

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首先讲几个概念:

  1. 加法原理:一个问题,分为几个部分完成,各个部分的方案数是a1,a2...ana_1,a_2...a_na1,a2...an,那么总情况数就是∑i=1nai\sum\limits_{i=1}^{n}a_ii=1nai(全部加起来)
  2. 乘法原理:一个问题,分为几个步骤完成,各个步骤的方案数是a1,a2...ana_1,a_2...a_na1,a2...an,那么总情况数就是∏i=1nai\prod\limits_{i=1}^{n}a_ii=1nai(全部乘起来)
  3. 排列:AmnA_{m}^{n}Amn表示从mmm个物品中选nnn个,有序(即1,21,21,22,12,12,1不同),的情况数。我们知道Amn=m∗(m−1)∗(m−2)...∗(m−n+1)A_{m}^{n}=m*(m-1)*(m-2)...*(m-n+1)Amn=m(m1)(m2)...(mn+1)。(从mmm往后连续乘nnn个)
  4. 组合:CmnC_{m}^{n}Cmn表示从mmm个物品中选nnn个,无序(即1,21,21,22,12,12,1一样),的情况数。我们知道Cmn=Amnm!C_{m}^{n}=\frac{A_{m}^{n}}{m!}Cmn=m!Amn(相当于对排列做去重)信息学中还学过很多关于组合数的东西,比如卢卡斯定理(组合数取余数),帕斯卡定理(组合数递推),二项式定理(求(a+b)n(a+b)^n(a+b)n的各项系数)等。

看起来很水对不对,那么如何应用呢。。。
允许我从原数第一章中选一些(很多)例题,换一种说法(不改变原意思),和大家讲解一下

例1. 在0,1,2,3,4,5,6,7,8,9{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}0,1,2,3,4,5,6,7,8,9中无序选三个数,使得和为>=10>=10>=10的偶数,有多少种方案?
思路:
考虑到和为偶数,而且是三个数,那么就是两种情况:
1.两个奇数,一个偶数
奇数,偶数都是555个,显然。如果我们不考虑>=10>=10>=10,就是C52∗C51=50C_5^2*C_5^1=50C52C51=50
2. 都是偶数 显然是C53=10C_5^3=10C53=10种。
这样总共就是50+10=6050+10=6050+10=60种。
然后我们要考虑&gt;=10&gt;=10>=10这个条件了。发现集合里面的数都比较小,所以我们就暴力枚举&lt;10&lt;10<10的数,然后用606060减掉即珂。
那么,有几个的和小于101010,且是偶数呢?也是分情况暴力。

  1. 两个奇数,一个偶数
    那肯定是先枚举偶数了。
    1.1 包含000
    (0,1,3),(0,1,5),(0,1,7),(0,3,5)(0,1,3),(0,1,5),(0,1,7),(0,3,5)(0,1,3),(0,1,5),(0,1,7),(0,3,5)
    1.2 包含222
    (2,1,3),(2,1,5)(2,1,3),(2,1,5)(2,1,3),(2,1,5)
    1.3 包含444
    (4,1,3)(4,1,3)(4,1,3)

  2. 三个偶数
    (0,2,4),(0,2,6)(0,2,4),(0,2,6)(0,2,4),(0,2,6)

一共是4+2+1+2=94+2+1+2=94+2+1+2=9种。
所以,这题的答案是:60−9=5160-9=51609=51种。
(由于是例题,我就不写标准过程了,get到思路即珂)
(所以,概念是水的,到做题的时候还是要灵活)

例2. 一个正六边形上的六个顶点A,B,C,D,E,FA,B,C,D,E,FA,B,C,D,E,F排成一个环(按顺时针顺序分别为:A,F,E,D,C,BA,F,E,D,C,BA,F,E,D,C,B)。一只青WAWAWA从点AAA出发,要跳555步。当然,如果跳到了点DDD(提示:DDDAAA对面),不管跳了几步,都会停止。问不同的跳法多少。

解:
考虑到DDD只珂能3,53,53,5步到达,分两种情况:

  1. 三步到DDD。此时有222种。
  2. 三步没到DDD,走555步。
    考虑到走每一步都有两个邻接点珂以选,所以走kkk步的不同走法数是2k2^k2k
    333步共888种。但是不能到DDD,那就只剩下8−2=68-2=682=6种。
    然后再走两步的情况是444种。那么此时就是6∗4=246*4=2464=24种。

故共有2+24=262+24=262+24=26种。

  1. 有一个数列a1,a2,a3,a4,a5a_1,a_2,a_3,a_4,a_5a1,a2,a3,a4,a5,五个数都是−1,0或1-1,0或11,01。请统计1≤∣a1∣+∣a2∣+∣a3∣+∣a4∣+∣a5∣≤31\le|a_1|+|a_2|+|a_3|+|a_4|+|a_5|\le31a1+a2+a3+a4+a53的不同的aaa有多少?
    解:(不就353^535么,暴力枚举。。。)
    观察到每个数都是−1,0,1-1,0,11,0,1,那么绝对值就只有000111两种了。
    因为绝对值的和间于[1,3][1,3][1,3]之间,那么就自然想到分三种情况:
    1. 有一个±1\pm1±1,别的都000
      分两步。
      1.1 找位置:一个数,五个空,C51C_{5}^{1}C51个不同的位置
      1.2 确定了位置情况下,方案数:每个都+1,−1+1,-1+1,1两种,总共就是21=22^1=221=2
      此时就是5∗2=105*2=1052=10种。
    2. 有两个±1\pm1±1,别的都000
      和1类似,情况数就是C52∗22=10∗4=40C_{5}^{2}*2^2=10*4=40C5222=104=40
    3. C53∗23=10∗8=80C_{5}^{3}*2^3=10*8=80C5323=108=80

根据加法原理,1.2.3.加起来,答案就是10+40+80=13010+40+80=13010+40+80=130种。

4.某工厂要挑333个钳工,333个车工(车工=老司机)。现在有121212人可供挑选,555个是钳工,555个是车工,222个啥都会。求方案数。
解:
如果没有那两个啥都会的,那我们肯定会求:C53∗C53=100C_5^3*C_5^3=100C53C53=100种。
珂是那两个啥都会的是妨碍咱的渣渣。所以,有一个很明显的思路:枚举这两个人的状态,用加法原理加起来。
1. 忽略这俩人。此时100100100种,上已求
2. 一个做钳工,另一个忽略。此时,选一个人去做钳工有C21=2C_2^1=2C21=2种,钳工里面有555个人(除了选出来那个),还要在选两个,就是C52=10C_5^2=10C52=10种,然后选333个车工C53=10C_5^3=10C53=10种,就是2∗10∗10=2002*10*10=20021010=200种。
3. 一个做车工,另一个忽略。和2.本质上是一样的,也是200200200种。
4. 都去当钳工。钳工还要选111个,C51=5C_5^1=5C51=5种,算上车工C53=10C_5^3=10C53=10种,就是505050种。
5. 都去当车工。和4.本质上是一样的,也是505050种。
6. 一个车工,一个钳工。首先排列就有222种,“钳车"或"车钳”。然后钳工,车工都还要选222人,就是C52∗C52=100C_5^2*C_5^2=100C52C52=100种,一共就2∗100=2002*100=2002100=200种。

加起来,就是100+200+200+50+50+200=800100+200+200+50+50+200=800100+200+200+50+50+200=800种。

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