组合数学 第一章 排列组合4允许重复的排列与组合及不相邻的组合
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组合数学第1章答案1.1 从{}5021,,,⋅⋅⋅中找两个数{}b a ,,使其满足(1) 5||=-b a ;(2)5||≤-b a解:(1)根据5||=-b a 可得 55-=-=-b a b a 或 则有种种4545 共有90种。
(2)根据5||≤-b a 得 )50,,2,1(,55{⋅⋅⋅∈+≤≤-b a b a b则:当5≤b 时,有 1=b , 61≤≤a , 则有 6种 2=b , 71≤≤a , 则有7种 3=b , 81≤≤a , 则有8种 4=b , 91≤≤a , 则有 9种 5=b , 101≤≤a , 则有10种 当455≤<b 时,有 6=b , 111≤≤a , 则有 11种 7=b , 122≤≤a , 则有 11种. . . . . . . . . 45=b , 5040≤≤a , 则有11种 当5045≤<b 时,有 46=b , 5041≤≤a , 则有 10种 47=b , 5042≤≤a , 则有 9种 48=b , 5043≤≤a , 则有 8种 49=b , 5044≤≤a , 则有 7种 50=b , 5045≤≤a , 则有 6种故:共 种520)678910(21140=+++++⨯1.2 (1)先把女生进行排列,方案为5!,然后把女生看成1个人和7个男生进行排列,总方案数为5!×8!(2)女生不相邻,则先把男生进行排列,方案为7!再把女生插入男生之间的8个空位种的任意5个,总方案数为7!×58P(3)应该是A 女生x 女生y 女生z B,或是B 女生x 女生y 女生z A 的形式,从5个女生中选出3人进行排列,方案为35P ,考虑A,B 可以换位,方案为2×35P ,然后把这个看成一个整体,和剩下的2个女生,5个男生,一共7个人进行排列,总方案数2×35P ×8!1.3 m 个男生,n 个女生,排成一行,其中m,n 都是正整数,若 (a )男生不相邻(m ≤n+1);(b )n 个女生形成一个整体; (c )男生A 和女生B 排在一起; 分别讨论有多少种方案。
第1章 排列与组合1.1 从{1,2,…,50}中找一双数{a,b},使其满足:()5;() 5.a ab b a b -=-≤[解] (a) 5=-b a将上式分解,得到55a b a b -=+⎧⎨-=-⎩a =b –5,a=1,2,…,45时,b =6,7,…,50。
满足a=b-5的点共50-5=45个点. a = b+5,a=5,6,…,50时,b =0,1,2,…,45。
满足a=b+5的点共45个点. 所以,共计2×45=90个点. (b) 5≤-b a(610)511(454)1651141531+⨯+⨯-=⨯+⨯=个点。
1.2 5个女生,7个男生进行排列,(a) 若女生在一起有多少种不同的排列? (b) 女生两两不相邻有多少种不同的排列?(c) 两男生A 和B 之间正好有3个女生的排列是多少?[解] (a) 女生在一起当作一个人,先排列,然后将女生重新排列。
(7+1)!×5!=8!×5!=40320×120=4838400(b) 先将男生排列有7!种方案,共有8个空隙,将5个女生插入,故需从8个空中选5个空隙,有58C 种选择。
将女生插入,有5!种方案。
故按乘法原理,有:7!×58C ×5!=33868800(种)方案。
(c) 先从5个女生中选3个女生放入A ,B 之间,有35C 种方案,在让3个女生排列,有3!种排列,将这5个人看作一个人,再与其余7个人一块排列,有(7+1)! = 8!由于A ,B 可交换,如图**A***B** 或 **B***A**故按乘法原理,有:2×35C ×3!×8!=4838400(种)1.3 m 个男生,n 个女生,排成一行,其中m ,n 都是正整数,若(a) 男生不相邻(m ≤n+1); (b) n 个女生形成一个整体; (c) 男生A 和女生B 排在一起; 分别讨论有多少种方案.[解] (a) 先将n 个女生排列,有n!种方法,共有n+1个空隙,选出m 个空隙,共有mn C 1+种方法,再插入男生,有m!种方法,按乘法原理,有:n!×mn C 1+×m!=n!×)!1(!)!1(m n m n -++×m!=)!1()!1(!m n n n -++种方案。
组合数学一.前言我们已经在数学课上学习了有关排列与组合的一些知识。
实际上,这些只是组合数学这一数学大家庭中的沧海一粟。
广义的组合数学等价于整个离散数学,囊括了离散计数、图论、整数规划等等繁杂且深奥的内容。
组合数学来源于实际,不少的讨论引人入胜,也有不少的讨论让人抓狂。
本文将结合部分我们做过的数学作业中的题目,对他们进行深入讨论,并给出更通用更简便的解法,并推及一般。
二.基础知识1.一一对应生活中有许多有关“一一对应”的例子:“一个萝卜一个坑”,立方烷的二氯代物同分异构体数等于立方烷的六氯代物同分异构体数。
一一对应是对于两个集合而言的。
如果两个集合构成了一一对应关系,那么这两个集合的元素数量一定相等。
这是一一对应最基本的性质。
一般的,若满足性质α的集合A 与满足性质β的集合B 构成一一对应关系,则一定有:∀a ∈A ,∃!b ∈B ,a →b∀b ∈B ,∃!a ∈A ,b →a其中∃!的含义为“存在唯一的”。
上面的两个关系式为使A 和B 一一对应的充要条件。
我们知道组合数的一个性质:C n +m m =C n +m n ,下面我们用一一对应的观点解释这一性质。
有(n+m)个人排成一队,选取m 个人向前一步,并将行从前向后编号1和2,这所有的情况构成集合A 。
同样的,选取n 个人向前一步,并将行从前向后编号1和2,这所有的情况构成集合B 。
对于A 中的任何一种情况,将行编号调换,一定可以得到一个B 中的元素;同样的,对于B 中的任何一种情况,将行编号调换,一定可以得到一个A 中的元素。
所以集合A 与集合B 构成了一一对应关系。
那么A 的元素数量一定等于B 的元素数量。
一一对应是计数问题的一个利器。
它可以将较难的计数问题转化为另一个较简单的计数问题。
使用一一对应时,一定要确定两个对象满足了上述的两个要求。
2.组合的几何意义1)组合的几何意义C n +m m 表示在一个n 行m 列的方格图中,从左下角走到右上角,期间只能向上或向右走的方案数。
第一章 什么是组合§1 排列组合组合数学主要研究有限集合的计数,结构的存在性,以及性质。
几个计数原理设A 是有限多个元素的集合,用A 表示A 的元素个数a) 分类与加法原理设12=r A A A A …,i j A A =∅ ,i j ≠,则称{}1i A i r ≤≤为A 的一个分类,显然1=rii A A=∑(加法原理)b) 分步骤乘法原理设12r A A A 、、…是有限集令{}12123=(,,)|,1r r i i B A A A a a a a a A i r ⨯⨯⨯=∈≤≤…,…,(笛卡尔乘积),称B 为12r A A A ,,…,的积,显然B 的每个元素123(,,)r a a a a ,…,是有序数对,是按步骤确定的且1=rii B A=∏(乘法原理)【例1】{}{}121,2,3,4,A A ==则(){}121,3,(2,4),(1,4),(2,4)A A ⨯= 【例2】求120的因数的个数解:3120=235⨯⨯,312|120235aaan n ∴⇔=⋅⋅,其中12303,01,01a a a ≤≤≤≤≤≤ 令{}{}{}1230,1,2,3,0,1,0,1A A A ===,记120的因数的集合为B 故123||=||=422=16B A A A ⨯⨯⨯⨯.【例3】有限集{}123n a a a a , , ,…,的一个有序列123r i i i i a a a a , , ,…,称为123n a a a a , , ,…,的一个r 排列,其中i j a a ≠,i j ≠,所有r 排列的个数记为(,)(1)(1)P n r n n n r =--+……,令(,)!P n n n =,则!(,)()!n P n r n r =-,规定:0!=1.c) 双射原理设A 、B 是两个集合,对应:f A B →,对A 中的每个元素a ,有唯一的元素()b f a =,a D ∈,与之对应,则称f 为一个映射.映射:srr→→不是映射.1. 如果1212,(),a a A a a ∀∈≠有12()()f a f a ≠,则称f 是单射.显然,这时有A B ≤.2. 如果,b B ∀∈有,a A ∈使(),f a b =则称f 为满射.3. 如果f 既是单射又是满射,则称f 为双射.这时=A B .【例4】设{}123r A a a a a = , , ,…,,计算A 的所有子集的个数(组合证明) 解:设B 表示A 的所有子集所成的子集(或者用幂集2A表示) 设f :{}{}{}{}0,10,10,10,1r B →⨯⨯⨯个……令x B ∈,123={}t i i i i x a a a a , , ,…,,1t r ≤≤,=0t 时表示∅,121t i i r ≤≤≤≤≤…i 12()(0000),t i i i f x =⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅111如果=0x ,则令()(000)f x =⋅⋅⋅⋅⋅⋅ 易知f 是双射.由双射原理和乘法原理得:=2r B 补充:例如{}1,2A =,{}{1}{2}{1,2}B =∅,,,在上述映射下,有={0,1}{0,1}B ⨯,()(0,0)f ∅=,({1})(1,0)f =,({2})(0,1)f = 【例5】{}123n a a a a , , ,…,的r 个元素所成的集合成为A 的一个r 组合所有这样的r 组合的个数记为(,)!n P n r r r ⎛⎫= ⎪⎝⎭,称之为二项式系数.一般来讲0r ≥,特别的当=0r 时,10n ⎛⎫= ⎪⎝⎭,今后,令(1)(1)!x x x x r r r ⎛⎫-⋅⋅⋅-+= ⎪⎝⎭,0r ≥且x 为任意实数. 注意12!是没有意义的.【例6】 1)!(0)!()!n n n n r r r n r ⎛⎫=≥≥ ⎪-⎝⎭为正整数, 2)()n n r n r ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭对称性 3)111n n n r r r --⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 4) ++201nn n n n ⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭……循环排列(圆排列):从{}123n a a a a , , ,…,中取出r 个元素作圆排列的个数为(,)!=()!P n r n r r n r -,当n r =时,!(1)!n n n =-如:1,2,3三个元素作圆排列,一共有3!23=种不同的排列方法.§3 重集设123k a a a a , , ,…,是个不同的元素,我们用{}1122k k n a n a n a ⋅⋅⋅ , ,…,表示有1122k k n a n a n a 个 ,个 ,…,个的集合称为一个重集,这里0(1)i n i k ≤≤∞≤≤ 注:=0i n 表示i a 不出现,=i n ∞表示i a 取之不尽这个集合的r 元子集称为一个r 组合,r 元有序集合称为一个r 排列.【例1】{}123231a a a ⋅⋅⋅ , ,的5组合有:{}1223a a ⋅⋅ ,、{}12321a a a ⋅⋅⋅ ,2 ,、{}123131a a a ⋅⋅⋅ ,,3个;6排列共有6!60231=⋅⋅!!!个.§4 重集的排列a){}12k a a a ∞⋅∞⋅∞⋅ , ,…,的n 排列的个数等同于{}12k n a n a n a ⋅⋅⋅ , ,…,的n 排列的个数=n kb){}1122k k n a n a n a ⋅⋅⋅ , ,…,的全排列(这里1i n ≤≤∞)的个数为1212!k k n n n n n n n n ⎛⎫ ⎪⎝⎭…!!…!,其中1ki i n n ==∑ 注:12k n n n n ⎛⎫⎪⎝⎭…称为多项式系数,这里只有当12k n n n n =+++…时才有意义.证明:要得到{}1122k k n a n a n a ⋅⋅⋅ , ,…,一个n 排列,我们只需从n 个有序位置中选取1n 个位置来放1a ,共有1n n ⎛⎫⎪⎝⎭种方法,再在余下的1n n -个位置中选2n 个位置来放2a ,共有12n n n -⎛⎫⎪⎝⎭种方法,继续下去,由乘法原理,n 排列的个数等于12121131212111211212312312112)!()!()!!!()!!()!!()!()!!k k k k k k k n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n ----------⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭-------=⋅⋅-----------=………(…………!!…!c) 多重集合的组合。
第一章排列和组合习题1,用1,2,3,4,5这5个数字组成4位数。
(1)如果这些数字可重复使用,能组成多少个4位数?(2)如果每位上的数字互异,能组成多少个4位数?(3)如果这些数字可重复使用,能组成多少个4位偶数?(4)如果每位上的数字互异,能组成多少个4位偶数?2,6男6女围坐在一个圆桌周围。
如果男女交替围坐,有多少种方式?3,15人围坐在一个圆桌周围,如果B拒绝挨着A 坐,有多少种方式?如果B拒绝坐在A的右侧,有多少种方式?4,从拥有10名男会员和12名女会员的一个俱乐部选出一个由4人组成的委员会。
如果至少要包含2名女委员,有多少种选取方法?此外,如果俱乐部还有一名特定男士和一名特定女士拒绝进入该委员会,形成委员会的方式又有几种?如果该男士和该女士只拒绝两人一起进入委员会,又如何?5,从15个球员的集合中选11人组成足球队,其中有5个人只能踢后卫,8个人只能踢边卫,2个人既能踢后卫又能踢边卫。
假设要组成的足球队需有7个人踢边卫,4个人踢后卫,试确定足球队可能的组队方法数。
6,学校有100名学生和A、B、C三座宿舍,它们分别能容纳25、35、40人。
(1)为学生安排宿舍有多少种方法?(2)设100个学生有50名男生和50名女生,而宿舍A是全男生宿舍,宿舍B是全女生宿舍,宿舍C男女兼收,则有多少种方法为学生安排宿舍?7,教室有两排座位,每排8个。
现有学生14人,其中5人总坐前排,4人总坐后排。
有多少种方法将学生分派到座位上?8,在一个聚会上有15位男士和20位女士。
(1) 有多少种方式形成15对男女?(2)有多少种方式形成10对男女?9,用围绕一个圆桌的循环排到方式给5位男士、5位女士和1条狗安排座位。
如果男士不坐在男士旁边,女士也不坐在女士旁边,那么能有多少种安排方法?10,有4杖纪念章,6本纪念册,赠送给10位同学,每人得一件,共有多少种送法?11,(1)从1,2,…,100中选出两个数,使它们的差正好是7,有多少种方法?(2) 如果要求选出的两个数之差小于等于7,又有多少种方法?12,确定多重集{3,4,5}S a b c = 的11-排列的个数、10-排列的个数。
1.1 题(宗传玉)从{1,2,……50}中找两个数{a ,b},使其满足 (1)|a-b|=5; (2)|a-b|≤5; 解:(1):由|a-b|=5⇒a-b=5或者a-b=-5,由列举法得出,当a-b=5时,两数的序列为(6,1)(7,2)……(50,45),共有45对。
当a-b=-5时,两数的序列为(1,6),(2,7)……(45,50)也有45对。
所以这样的序列有90对。
(2):由题意知,|a-b|≤5⇒|a-b|=1或|a-b|=2或|a-b|=3或|a-b|=4或|a-b|=5或|a-b|=0;由上题知当|a-b|=5时 有90对序列。
当|a-b|=1时,两数的序列有(1,2),(3,4),(2,1)(1,2)……(49,50),(50,49)这样的序列有49*2=98对。
当此类推当|a-b|=2,序列有48*2=96对,当|a-b|=3时,序列有47*2=94对,当|a-b|=4时,序列有46*2=92对,当|a-b|=0时有50对所以总的序列数=90+98+96+94+92+50=520 1.2题(王星) 解:(a )可将5个女生看作一个单位,共八个单位进行全排列得到排列数为: 8!×5!,(b )用x 表示男生,y 表示空缺,先将男生放置好,共有8个空缺, Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y X Y 在其中任取5个得到女生两两不相邻的排列数: C (8,5)×7!×5!(c )先取两个男生和3个女生做排列,情况如下:6. 若A ,B 之间存在0个男生, A ,B 之间共有3个人,所有的排列应为 P6=C(5,3)*3!*8!*21.若A ,B 之间存在1个男生, A ,B 之间共有4个人,所有的排列应为 P1= C(5,1)*C(5,3)*4!*7!*22.若A ,B 之间存在2个男生,A ,B 之间共有5个人,所有的排列应为 P2=C(5,2)*C(5,3)*5!*6!*23.2.若A ,B 之间存在3个男生,A ,B 之间共有6个人,所有的排列应为 P3=C(5,3)*C(5,3)*6!*5!*24.若A ,B 之间存在4个男生,A ,B 之间共有7个人,所有的排列应为 P4=C(5,4)*C(5,3)*7!*4!*25.若A ,B 之间存在5个男生,A ,B 之间共有8个人,所有的排列应为 P5=C(5,5)*C(5,3)*8!*3!*2 所以总的排列数为上述6种情况之和。
《组合数学》课程教学大纲课程名称:组合数学英文名称:Combinatorial Mathematics 课程代码: ZS1051001课程类别: 专业选修学分: 3 学时: 48开课单位: 理学院适用专业: 数学与应用数学(师范教育方向)制订人:审核人:审定人:一、课程性质与目的(一)课程的性质组合数学是高等师范院校数学与应用数学专业的专业选修课。
组合数学起源于古代的数学游戏和美学消遣,它以无穷的魅力激发人们的聪明才智和数学兴趣。
组合数学的离散性及其算法与计算机的结合已在现代科学技术中发挥出极为重要的作用。
它的一个重要组成部分——试验设计有着重大的应用价值,它的数学原理就是组合设计。
用组合设计的方法解决实际应用中的试验设计问题在西方发达国家已经得到了广泛的重视,并投入了大量的人力物力进行相关的研究与产品的开发。
所以说,组合数学是一门提高思维分析能力和自我构造算法本领的课程。
(二)课程的目的通过本课程的学习要求学生理解组合数学的基本概念与基本原理,掌握组合理论的基本方法和技巧,提高学生综合应用排列与组合、代数与编码、优化与规划的能力,为深入研究组合数学打好基础。
二、与相关课程的联系与分工本课程是数学与应用数学专业的专业选修课,它以数学分析、高等代数、概率论为基础,培养学生逻辑推理能力,科学计算能力,解决实际问题的能力,对离散问题的分析能力,为编程与编码作准备。
组合数学不仅在计算机软件科学技术中有着重要的应用价值,在企业管理,交通规划,战争指挥,金融分析,电子工程、数字通讯等诸多领域中也具有广泛而重要的应用。
三、教学内容及要求第一章排列与组合【教学要求】掌握加法法则与乘法法则,会利用排列与组合解决具体的实际问题。
【教学重点】加法法则与乘法法则;一一对应;排列与组合;组合意义的灵活运用;【教学难点】排列的生成算法;允许重复的组合与不相邻的组合;【教学内容】第一节加法法则与乘法法则第二节一一对应第三节排列与组合一、排列与组合的模型二、排列与组合问题的举例第四节圆周排列第五节排列的生成算法一、序数法二、字典序法三、换位法第六节允许重复的组合与不相邻的组合一、允许重复的组合二、不相邻的组合三、线性方程的整数解的个数问题四、组合的生成第七节组合意义的解释第八节应用举例第九节Stirling公式*一、Wallis公式*二、Stirling公式的证明第二章递推关系与母函数【教学要求】会利用递推关系与母函数解决实际问题。
不相邻组合定理不相邻组合定理是一种用于计算排列组合的数学定理,它在组合数学、概率论、统计学等领域中具有广泛的应用。
在数学的学习过程中,掌握不相邻组合定理对于解决一些复杂问题非常有帮助。
本文将详细介绍不相邻组合定理的概念、公式以及实际应用。
不相邻组合定理主要用于计算排列组合中不相邻元素的可能性。
在一个排列中,如果两个元素之间有其他元素存在,那么我们称这两个元素是相邻的。
相反,如果两个元素之间没有其他元素,那么我们称这两个元素是不相邻的。
不相邻组合定理就是用于计算排列中不相邻元素的可能性。
不相邻组合定理可以表示为:对于n个元素的排列,其中包含了k个不相邻元素的排列数为C(n-k+1,k)。
其中,C表示组合数,表示从n个元素中选择k个的组合数。
组合数可以通过排列数计算而得,C(n,k) = P(n,k) / k!,其中P(n,k)表示从n个元素中选择k个的排列数,k!表示k的阶乘。
不相邻组合定理的公式可以通过数学推导来得到。
假设有n个元素,我们将这n个元素排成一排。
其中,排列的第一个元素可以从n个元素中选择,第二个元素可以从剩下的n-2个元素中选择,第三个元素可以从剩下的n-4个元素中选择,以此类推。
因此,总的排列数为n(n-2)(n-4)...,直到剩下一个元素时停止。
另一方面,我们可以选择k个元素作为不相邻元素,这k个元素之间没有其他元素。
对于这k个元素的排列数,可以用C(k,k)表示,即从k个元素中选择k个元素的组合数。
综上所述,根据乘法原理,不相邻元素的排列数为n(n-2)(n-4).../k(k-2)(k-4)...,也可以表示为n·(n-2)···(n-2k+2)。
实际应用中,不相邻组合定理可以用于解决一些排列组合的问题。
例如,假设有7个元素,我们需要将其中3个元素选为不相邻元素,那么根据不相邻组合定理,排列数为C(7-3+1,3)=C(5,3)=5·4·3/3·2·1=10。