球盒模型三要素:
- 小球是否相同
- 盒子是否相同
- 是否允许空盒
根据上述三要素,球盒模型一共有8种类型:
- n个相同小球,m个不同盒子,不允许空盒子 —— n同球,m异盒,无空
- n个相同小球,m个不同盒子,允许有空盒子 —— n同球,m异盒,可空
- n个相同小球,m个相同盒子,不允许空盒子 —— n同球,m同盒,无空
- n个相同小球,m个相同盒子,允许有空盒子 —— n同球,m同盒,可空
- n个不同小球,m个相同盒子,不允许空盒子 —— n异球,m同盒,无空
- n个不同小球,m个相同盒子,允许有空盒子 —— n异球,m同盒,可空
- n个不同小球,m个不同盒子,不允许空盒子 —— n异球,m异盒,无空
- n个不同小球,m个不同盒子,允许有空盒子 —— n异球,m异盒,可空
其中n≥mn≥mn≥m,即球比盒子多。
球盒模型解决方法
同球异盒
- 5同球,3异盒,无空
隔板法:
公式:C5−13−1=C42=6C_{5-1}^{3-1} = C_4^2 = 6C5−13−1=C42=6
解释:5个小球有4个空,插2块板子将小球分成3堆,有6种可能。
- 5同球,3异盒,可空
虚拟球 + 隔板法:有几个盒子,就加几个虚拟球
公式:C8−13−1=C72=21C_{8-1}^{3-1} = C_7^2 = 21C8−13−1=C72=21
同球同盒
- 5同球,3同盒,无空
使用隔板法,由于盒子相同,会产生重复方案。正确做法是使用正整数拆分的方法:
5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 2 + 2,共2种拆分方法,由于盒子相同,所以不用考虑拆分顺序。
- 5同球,3同盒,可空
由于盒子可空,应使用自然数数拆分的方法:
5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 2 + 2 = 0 + 0 + 5 = 0 + 1 + 4 = 0 + 2 + 3,共5种拆分方法。
异球同盒
- 5异球,3同盒,无空
因为不允许空盒子,那么5个球放到3个盒子的拆分方案只有2种:
5 = 3 + 1 + 1 = 1 + 2 + 2
因为5个球是不同的,可以分上面两种情况讨论:
- C53×C21÷P22C_5^3 × C_2^1 ÷ P_2^2C53×C21÷P22
- C51×C42÷P22C_5^1 × C_4^2 ÷ P_2^2C51×C42÷P22
情况(1)解释:从5个不同的球中挑出3个放入1个盒子,再从剩下的2个球中挑出1个放入一个盒子。因为盒子相同,且有两个盒子的都是放入1个球,存在重复方案,所以除以P22P_2^2P22。
情况(2)解释:从5个不同的求中挑出1个放入一个盒子,在从剩下的4个球中挑出2个放入一个盒子,最后剩下两个放入一个盒子。。因为盒子相同,且有两个盒子的都是放入2个球,存在重复方案,所以除以P22P_2^2P22。
最终方案数为:C53×C21÷P22+C51×C42÷P22=25C_5^3 × C_2^1 ÷ P_2^2 + C_5^1 × C_4^2 ÷ P_2^2 = 25C53×C21÷P22+C51×C42÷P22=25
- 5异球,3同盒,可空
因为允许空盒子,那么5个球放到3个盒子的拆分方案只有5种:
5 = 1 + 1 + 3 = 1 + 2 + 2 = 0 + 0 + 5 = 0 + 1 + 4 = 0 + 2 + 3
因为5个球是不同的,可以分上面5种情况讨论:
- C53×C21÷P22C_5^3 × C_2^1 ÷ P_2^2C53×C21÷P22
- C51×C42÷P22C_5^1 × C_4^2 ÷ P_2^2C51×C42÷P22
- C55C_5^5C55
- C51×C44C_5^1 × C_4^4C51×C44
- C52×C33C_5^2 × C_3^3C52×C33
情况(1)、(2)的总方案数已经算过,为25种
情况(3)解释:从5个不同的球中选出5个放入一个盒子,其它盒子放球。
情况(4)解释:从5个不同的球中选出1个放入一个盒子,再选出4个放入一个盒子
情况(5)解释:从5个不同的球中选出2个放入一个盒子,再选出3个放入一个盒子
总方案数: 25+1+5+10=4125 + 1 + 5 + 10 = 4125+1+5+10=41
异球异盒
- 5异球,3异盒,无空
这个问题可以分两步解决:
- 第一步,不考虑盒子,先安排球。因为不允许空盒子,那么5个球放到3个盒子的拆分方案只有2种:5 = 3 + 1 + 1 = 1 + 2 + 2,方案数为:C53×C21÷P22+C51×C42÷P22=25C_5^3 × C_2^1 ÷ P_2^2 + C_5^1 × C_4^2 ÷ P_2^2 = 25C53×C21÷P22+C51×C42÷P22=25。
- 第二步,将3个盒子进行排列,方案数为P33=6P_3^3 = 6P33=6。
总方案数为25×6=15025 × 6 = 15025×6=150。
- 5异球,3异盒,可空
对每个球来说,都有3种可能:
- 放到1号盒子
- 放到2号盒子
- 放到3号盒子
总方案数为35=2433^5=24335=243。
总结
根据是否同球、是否同盒、是否可空三要素,球盒模型一共分8种类型,如果设n = 5, m = 3:
- n个相同小球,m个不同盒子,不允许空盒子 —— n同球,m异盒,无空 —— 隔板法
- n个相同小球,m个不同盒子,允许有空盒子 —— n同球,m异盒,可空 —— 加入虚拟球的隔板法
- n个相同小球,m个相同盒子,不允许空盒子 —— n同球,m同盒,无空 ——拆正整数之和
- n个相同小球,m个相同盒子,允许有空盒子 —— n同球,m同盒,可空 ——拆自然数之和
- n个不同小球,m个相同盒子,不允许空盒子 —— n异球,m同盒,无空 —— 按拆正整数之和之和的方法分类讨论
- n个不同小球,m个相同盒子,允许有空盒子 —— n异球,m同盒,可空 —— 按拆自然数之和之和的方法分类讨论
- n个不同小球,m个不同盒子,不允许空盒子 —— n异球,m异盒,无空 —— 先安排不同的小球,在对盒子进行全排列
- n个不同小球,m个不同盒子,允许有空盒子 —— n异球,m异盒,可空 —— mnm^nmn