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- 2021-06-10 发布
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组 合
【学习目标】
1.理解组合的概念.
2.能利用计数原理推导组合数公式.
3.能解决简单的实际问题.
4.理解组合与排列之间的联系与区别.
【要点梳理】
要点一:组合
1.定义:
一般地,从个不同元素中取出()个元素并成一组,叫做从个不同元素中取出个元素的一个组合.
要点诠释:
① 从排列与组合的定义可知,一是“取出元素”;二是“并成一组”,“并成一组”即表示与顺序无关.
排列与元素的顺序有关,而组合与元素的顺序无关,这是它们的根本区别.
② 如果两个组合中的元素相同,那么不管元素的顺序怎样都是相同的组合;只有当两个组合中的元素不完全相同时,才是不同的组合.因此组合问题的本质是分组问题,它主要涉及元素被取到或未被取到.
要点二:组合数及其公式
1.组合数的定义:
从个不同元素中取出()个元素的所有组合的个数,叫做从个不同元素中取出个元素的组合数.记作.
要点诠释:
“组合”与“组合数”是两个不同的概念:
一个组合是指“从n个不同的元素中取出m(m≤n)个元素并成一组”,它不是一个数,而是具体的一件事;组合数是指“从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有组合的个数”,它是一个数.
例如,从3个不同元素a,b,c中取出2个元素的组合为ab,ac,bc,其中每一种都叫做一个组合,而数字3就是组合数.
2.组合数的公式及推导
求从n个不同元素中取出m个元素的排列数,可以按以下两步来考虑:
第一步,先求出从这n个不同元素中取出m个元素的组合数;
第二步,求每一个组合中m个元素的全排列数.
根据分步计数原理,得到.
因此
这里n,m∈N+,且m≤n,这个公式叫做组合数公式.因为,所以组合数公式还可表示为:.
要点诠释:
组合数公式的推导方法是一种重要的解题方法!在以后学习排列组合的混合问题时,一般都是按先取后排(先组合后排列)的顺序解决问题。
3. 组合数公式:
(1)( 、,且)
(2) ( 、,且)
要点诠释:
上面第一个公式一般用于计算,但当数值、较大时,利用第二个式子计算组合数较为方便,在对含有字母的组合数的式子进行变形和论证时,常用第二个公式.
要点三:组合数的性质
性质1:(、,且)
性质2:(、,且)
要点诠释:
规定:.
要点四、纯组合问题常见题型
(1)“含有”或“不含有”某些元素的组合题型:
“含”,则先将这些元素取出,再由另外元素补足;“不含”,则先将这些元素剔除,再从剩下的元素中去选取.
如:现从5位男同学、4位女同学中选出5名代表,若男甲、女A都必须当选,有多少种不同的选法?由于男甲、女A必须当选,只需从剩下7人中任选3人即可满足题目的要求,故有种不同的选法.
(2)“至少”或“最多”含有几个元素的题型:
解这类题必须十分重视“至少”与“最多”这两个关键词的含义,谨防重复与漏解.用直接法和间接法都可以求解,但通常用直接法分类复杂时,考虑逆向思维,用间接法处理.
如(1)中,将问题改为至少有一名女同学当选,有多少种不同的选法?则在全部的选法中,排除全部男生当选的情况即可,故有种不同的选法.
(3)分堆问题
①平均分堆,其分法数为:.
例如 将6本不同的书平均分成三份,每份两本,求不同的分法数.
依据上述公式,其分法为(种).
②分堆但不平均,其分法数为.
例如,将12本不同的书分成五份,分别为2本、2本、2本、3本、3本,求不同的分法数.
依据上述公式,分到指定位置数为.
其中两本的有三堆,故除以3!;3本的有两堆,要除以2!,故分法数为.
(4)定序问题.
对于某些元素的顺序固定的排列问题,可先全排,再除以定序元素的全排,或先在总位置中选出定序元素的位置而不参加排列,然后对其他元素进行排列.
例:5人站成一排,如果甲必须站在乙的左边,则不同的排法有多少种?
法一: 5人不加限制的排列方法有种,“甲在乙的左边”和“甲在乙的右边”的排法是相对的,所以甲必须在乙的左边的排法有(种).
法二: 第一步,在5个位置中选2个位置给甲、乙二人有种选法;
第二步,剩下三个位置由剩下三人全排,有种排法,共有(种);
法三: 从5个位置选3个位置由除甲、乙两人之外的三人排列有种(剩下两个位置,甲、乙随之确定).
(5)指标问题用“隔板法”:
如,将10个保送生预选指标分配给某重点中学高三年级六个班,每班至少一名,共有多少种分配方案?
将10个名额并成一排,名额之间有9个空,用5块隔板插入9个空,就可将10个名额分为6部分,每一种插法就对应一种分配法,故有种方案.
注意:隔板法与插空法是不同的,要予以“区分”.隔板法只适用于相同元素的分配问题.
要点五、组合组合的综合应用
处理排列、组合综合题时,应遵循四大原则:
(1) 先特殊后一般的原则
(1) 先取后排的原则
(2) 先分类后分步的原则
(3) 正难则反、等价转化原则.
【典型例题】
类型一、 组合概念及组合数公式
例1.下面的问题是排列问题?还是组合问题?并计算结果。
(1)从1,3,5,9中任取两个数相加,可以得到多少个不同的和?
(2)从1,3,5,9中任取两个数相除,可以得到多少个不同的商?
(3)10个同学毕业后互相通了一次信,一共写了多少封信?
(4)10个同学毕业后见面时,互相握了一次手,共握了多少次手?
【思路点拨】 排列与顺序有关,组合与顺序无关.
【解析】
(1)组合问题,可以得到个不同的和;
(2)排列问题,可以得到个不同的商;
(3)排列问题,一共写了封信;
(4)组合问题,共握了次手.
【总结升华】
区分排列与组合问题,关键是利用排列与组合的定义,组合是“只选不排、并成一组,与顺序无关”.
举一反三:
【变式1】(1)从1,3,5,7中任取两个数相除,可以得到多少个不同的商?
(2)从1,3,5,7中任取两个数相乘,可以得到多少个不同的积?
以上两个问题有何区别?
【答案】问题(1)是排列问题,问题(2)是组合问题.
【变式2】计算:(1);(2).
【答案】(1)方法一:;
方法二:;
(2) 方法一:;
方法二:.
类型二、 组合应用题
例2. 课外活动小组共13人,其中男生8人,女生5人,并且男、女生各指定一名队长.现从中选5人主持某种活动,依下列条件各有多少种选法?
(1)只有一名女生当选;
(2)两队长当选;
(3)至少有一名队长当选:
(4)至多有两名女生当选;
(5)既要有队长,又要有女生当选.
【思路点拨】要正确理解题意中的关键性词语, 从“在”与“不在”“至少”中寻求解题思路.
【解析】(1)一名女生,四名男生,故共有种.
(2)将两队长作为一类,其他11人作为一类,故共有种.
(3)至少有一名队长含有两类:只有一名队长和两名队长.
故共有种,或采用排除法:种.
(4)至多有两名女生含有三类:有两名女生、只有一名女生、没有女生.
故共有种.
(5)分两类:第一类女队长当选:;
第二类女队长不当选:.
故共有种.
【总结升华】
本题属有限制条件的组合问题,“含”与“不含”,“最多”与“至少”是常见题型.“含有”一般先将这些元素取出,不足部分由另外的元素补充,“不含”可将这些元素剔除,再从剩下的元素中去取.解“最多”与“至少”问题,是用直接法还是排除法,要具体问题具体分析,一般是正难则反.
举一反三:
【变式】200件产品中有5件是次品,现从中任意抽取4件,
按下列条件,各有多少种不同的抽法(只要求列式)?
(1)都不是次品;(2)至少有1件次品;(3)不都是次品.
【答案】(1)都不是次品,即全部为正品.共有抽法种.
(2)至少有1件次品,包括1件、2件、3件、4件次品的情况.
共有抽法种[或种].
(3)不都是次品,即至少有1件正品.
共有抽法种[或种].
【高清课堂:组合370707 例题6】
例3. 有六本不同的书分给甲、乙、丙三名同学,按下列条件,各有多少种不同的分法?
(1)每人各得两本;
(2)甲得一本,乙得两本,丙得三本;
(3)一人一本,一人两本,一人三本;
(4)甲得四本,乙得一本,丙得一本;
(5)一人四本,另两人各一本.
【思路点拨】本题是首先是要把六本不同的书分成3组,然后再分配到甲、乙、丙三人手中。
【解析】 (1)共有分法(种).
(2)共有分法(种).
(3)由于没指明谁得几本,在(2)的基础上,对甲、乙、丙作全排.
∴共有分法(种).
(4)共有分法(种).
(5)由于没指明谁得四本,在(4)的基础上,还有种分法.
∴共有分法(种).
【总结升华】一般地,平均分成n堆(组),必须除以n!;如若部分平均分成m堆(组),必须除以m!。
在(5)中,区别在谁得四本上,另外两人都得一本是没有区别的;而(3)中谁得一本、两本、三本都是有区别的.这就是乘以和的区别.本类题是分组后分配问题,要将分组和分配分得很清楚。
举一反三:
【变式1】 4个不同的球,4个不同的盒子,把球全部放入盒内.
(1)恰有1个盒不放球,共有几种放法?
(2)恰有1个盒内有2个球,共有几种放法?
(3)恰有2个盒不放球,共有几种放法?
【答案】(1)为保证“恰有1个盒不放球”,先从4个盒子中任意取出去一个,问题转化为“4个球,
3个盒子,每个盒子都要放入球,共有几种放法?”即把4个球分成2,1,1的三组,
然后再从3个盒子中选1个放2个球,其余2个球放在另 外2个盒子内,由分步乘法
计数原理,共有
(2)“恰有1个盒内有2个球”,即另外3个盒子放2个球,每个盒子至多放1个球,也即
另外3个盒子中恰有一个空盒,因此,“恰有1个盒内有2个球”与“恰有1个盒不放球”
是同一件事,所以共有144种放法.
(3)确定2个空盒有种方法.4个球放进2个盒子可分成(3,1)、(2,2)两类,第一类
有序不均匀分组有种方法;第二类有序均匀分组有种方法. 故共有
种.
【变式2】(1)4名乒乓球选手,分为两组举行双打比赛,共有多少种分组方法?
(2)10名篮球队员,分成两队各5人,有多少种分组方法?
(3)将1,2,3,4,5,6六个数字平分为3份,每份两个数字,共有多少种不同的分组方法?
【答案】(1)看似简单,容易认为有种分法.具体排一下:1、2~3、4,1、3~2、4,1、
4~2、3,2、3~1、4,2、4~1、3,3、4~1、2,即会发现各重复一次,总共
分组方法不是6种,而只有3种,一般规律是.
(2)与(1)同理,共有种分组方法.种中含1,2,3,4,5,又含6,7,8,9,10.
当取1,2,3,4,5时,相应的另一组是6,7,8,9,10.当取6,7,8,9,10时,相应的另一组是1,2,3,4,5.显然也是各重复一次.
(3)此题易误认为有方法种.分析一下下面的6种分组方法:1、2,3、4,5、6;
1、2,5、6,3、4;3、4,1、2,5、6;5、6,1、2,3、4;5、6,3、4,1、2.这实际上是同一种分组法,即这中间各有组是重复的同一种分组方法,所以,共有分组方法应是种.
【变式3】把一同排6张座位编号为1,2,3,4,5,6的电影票全部分给4个人,每人至少分1张,至多分2张,且这两张票具有连续的编号,那么不同的分法种数是( )
A.168 B.96 C.72 D.144
【答案】D
本题是典型的分组搭配问题(不平均分组),注意对该类问题的两种处理方法—--“先分(分组)后给(分配)”和“边分(分组)边给(分配)”的把握.
本题把一同排6张座位编号为1,2,3,4,5,6的电影票分为4组的方法数为6种,每一种分组的分配方法均为,故本题的方法数为种.故选(D).
【变式4】(2019 太原校级模拟)某宾馆安排A、B、C、D、E五人入住3个房间,每个房间至少住1人,且A、B不能住同一房间,则不同的安排方法有( )种。
A.24 B.48 C.95 D.114
【答案】
5个人住三个房间,每个房间至少住1人,则有(3,1,1)和(2,1,1)两种,
当为(3,1,1)时,有种,A、B住同一房间有种,故有60―18=42种,
当为(2,2,1)时,有种,A、B住同一房间有种,故有90―18=72种,
根据分类计数原理共42+72=114种,故选D。
例4. 在一个晚会上有相声、唱歌、诗歌朗诵、小品、小提琴独奏节目各一个,要求相声节目必须排在小提琴独奏前,小品排在小提琴独奏后,这台晚会的节目有多少种不同的排法?
【思路点拨】本题是部分元素顺序一定排序问题,可以用定序法.
【解析】先把这5个节目排成一排占5个位置,先在这5个位置中选3个位置按从前到后为相声、小提琴独奏、小品顺序安排这三个节目有种不同方法,再在其余2个位置上安排唱歌和诗歌朗诵有种不同方法,根据分步计数原理,符合要求的节目排法有=20种.
【总结升华】
对部分不同元素定序(或部分相同元素)排列的问题,常用方法还有定序法,先从所有位置中按“特殊元素”个数选出若干位置,并把这些特殊元素按指定顺序排上去,再将普通元素在其余位置上全排列.
举一反三:
【变式1】 甲乙丙丁戊站成一排照相,要求甲必须站在乙的左边,丙必须站在乙的右边,有多少种不同的排法?
【答案】先把甲乙丙按指定顺序拍成一排只有1种排法,再在甲乙丙的两端和之间5个空档中选1个位置让丁站有种不同的方法, 再在这4人之间和两端5个空档中选1个位置让戊站有种不同
【变式2】(2015·朝阳区模拟)各大学在高考录取时采取专业专愿优先的录取原则。一考生从某大学所给的7个专业中,选择3个作为自己的第一、二、三专业志愿,其中甲、乙两个专业不能同时兼报,则该考生不同的填报专业志愿的方法有( )
A.210种 B.180种 C.120种 D.95种
【答案】
从7个专业选3个,有种选法,
甲乙同时兼报的有种选法,
则专业共有35-5=30种选法,
则按照专业顺序进行报考的方法为,
故选B
例5. 某校召开学生会议,要将10个学生代表名额,分配到某年级的6个班中,若每班至少1个名额,又有多少种不同分法?
【思路点拨】把10相同的名额分配到6个不同的班级中,适合隔板法。
【解析】将10个学生代表名额,分配到某年级的6个班中,每班至少1个名额,可分以下两步完成。
第一步:每班先给1个名额,仅有1种给法;
第二步:将剩余的4个名额分到这6个班里,
由隔板法知,此时,有C种不同分法。由分步计数原理知,共有C种不同分法。
C=C==126(种)。
所以某校召开学生会议,要将10个学生代表名额,分配到某年级的6个班中,若每班至少1个名额,有126种不同分法.
【总结升华】 名额与名额是没有差别的,而班级与班级是有差别的,故适合隔板法。
举一反三:
【变式】将20个相同的小球放入编号分别为1,2,3,4的四个盒子中,要求每个盒子中的球数不少于它的编号数,求放法总数。
【答案】解法1:先在编号1,2,3,4的四个盒子内分别放0,1,2,3个球,剩下14个球,有1种方法;再把剩下的球分成4组,每组至少1个,放法有(种)。
解法2:第一步先在编号1,2,3,4的四个盒子内分别放1,2,3,4个球,剩下10个球,有1种方法;第二步把剩下的10个相同的球放入编号为1,2,3,4的盒子里,放法有(种)。
类型三、 排列组合的综合应用
例6. 某篮球队有12名队员,有6名打前锋,4名打后卫,甲、乙两人既能打前锋又能打后卫(出场阵容为3名前锋,2名后卫)共有多少种出场阵容?
【思路点拨】 本题中的甲、乙两名队员为“多面手”,应优先考虑.甲、乙两人是否上场,且上场后是前锋还是后卫,以此为分类标准.
【解析】 以2名既能打前锋又能打后卫的队员是否上场.且上场后是前锋还是后卫作分类标准:
①甲、乙都不上场有(种);
②甲、乙有一名上场,作前锋有种,作后卫有种,共(种);
③甲、乙都上场,都作前锋有种,都作后卫有种,一个作前锋一个作后卫有种,共有(种).
据分类计数原理,共有120+340+176=636(种).
【总结升华】对于有关元素为“多面手”的问题,应该按照“多面手”有没有被选入,选中的“多面手”作何用,进行分类.
举一反三:
【高清课堂:组合370707 例题4】
【变式】由12个人组成文娱小组,其中5个人只会跳舞,5个人只会唱歌,两个人既会跳舞又会唱歌。若从中选出4个会跳舞和4个会唱歌的人去排演节目,共有多少种不同的选法?
【答案】
依题意有
按选出的8人中,会跳舞的四人中含几名全能的人分类
例7. 已知M、N是两个平行平面,在N内取4个点,在M内取5个点:这9个点中再无其他4点共面,则
(1)这些点最多能确定几个平面?
(2)以这些点为顶点,能作多少个三棱锥,多少个四棱锥?
【思路点拨】本题有直接发和排除法两种思路可选,但要注意直接法及排除法都容易将M、N这两个平面丢掉.另外,构成四棱锥底面的4个顶点必须共面,这点很容易忽视。
【解析】
直接法.
(1)在平面M内取2个点有种方法,在平面N内取1个点有种方法,这3个点肯定不共线,可构成个平面;在平面M内取1个点,在平面N内取2个点,可构成个平面,再有就是M、N这两个平面.
(2)在平面M内取3个点有种方法,在平面N内取1个点有种方法,这4个点可构成个三棱锥;在平面M内取2个点,在平面N内取2个点;还可在平面M内取1个点,在平面N内取3个点.
要构成四棱锥,由于底面的4个顶点必须共面,因此只能从平面M内取4个点(平面N内取1个点)或在平面N内取4个点(平面M内取1个点).
排除法.
(1)从9个点中任取3个点的方法有种,其中从平面M内4个点中任取3个点,即种,从平面N内5个点中任取3个点,即种,这及表示的都仅仅是平面M及平面N.
(2)从9个点中任取4个点的方法中去掉从平面M内4个点取4个及从平面N内5个点任取4个点这两类构不成三棱锥(仅是平面M或平面N)的情况.
从9个点中任取5个点的方法中去掉构不成四棱锥的三类情况:平面M中取3个点同时平面N中取2个点;平面M中取2个点同时平面N中取3个点;平面N中全取5个点.
解法一:(1)共有个平面;
(2)可构成个三棱锥;
可构成个四棱锥.
解法二:(1)能构成个平面;
(2)能构成个三棱锥;
能构成个四棱锥.
【总结升华】 有些排列组合问题,正面直接考虑比较复杂,而它的反面往往比较简捷,可以先求出它的反面,再从整体中淘汰.
举一反三:
【变式】 已知正方体ABCD-A1B1C1D1. (1)以正方体顶点为顶点的四面体有多少个?(2)从8个顶点中取出3个顶点,使至少有两个顶点在同一棱上,其取法种数为多少?(3)过8个顶点中任两点的直线与直线A1B异面的有多少条?
图2
A
B
C
D
B1
D1
C1
A1
【答案】 (1)从所有四点的组合中去掉共面的组合,6个表面四点共面,6个对角面四点共面. 所以共有四面体-12=58个.
(2)如图2, A1BD这样的三点不能满足题意,可以认为这个三点组合与顶点A对应,正方体有8个顶点,每个顶点对应一个不合题意的三点组合. 所以满足题意的三点取法共有-8=48种.
(3)在8个顶点取2个的组合中,去掉侧面ABB1A1中的两点组合有个,再去掉过A1不在面ABB1A1内的四条直线与过B的4条直线,还要去掉与之平行的D1C. 所以共有=13条.
例8.设有编号1,2,3,4,5的五个球和编号1,2,3,4,5的五个盒子,现将5个球投入这五个盒子内,要求每个盒子放一个球,并且恰好有两个球的编号与盒子的编号相同,有多少投法
【思路点拨】两个球的编号与盒子的编号相同即三个不同,可采用列表法。
【解析】从5个球中取出2个与盒子对号有种还剩下3球3盒序号不能对应,利用实际操作法,如果剩下3,4,5号球, 3,4,5号盒3号球装4号盒时,则4,5号球有只有1种装法,同理3号球装5号盒时,4,5号球有也只有1种装法,由分步计数原理有种
3号盒 4号盒 5号盒
【总结升华】
对于条件比较复杂的排列组合问题,不易用公式进行运算,往往利用穷举法或画出树状图会收到意想不到的结果
举一反三:
【变式】 同室4人各写一张贺年卡,先集中起来,然后每人从中拿一张别人送出的贺年卡,则4
张贺年卡不同的分配方式有().
(A)6种(B)9种(C)11种(D)23种
【答案】列举法(具体排、填方格)
设4人为A,B,C,D,他们自己所写的贺卡分别为a,b,c,d,满足条件的分配方式列举如下:
因此,共有3×3=9种不同的分配方式,故选B.