组合数学_第1章_排列与组合
第1章 排列与组合
1.1 排列与组合
定义：设A={\(a_1\),\(a_2\),\(a_3\),…\(a_n\)}是\(n\)个不同元素的集合，\(m\)满足\(0≤m≤n\),任取A中个（不重复的）元素，按次序排列，称为从\(n\)个中取\(m\)个的（无重）排列，用\(P_n^m\)或\(P(n,m)\)表示。当\(m=\)n时，称为全排列。一般不说可重即无重。
定义：当从\(n\)个元素中取出\(m\)个而不考虑它的顺序时，称为从\(n\)个中取\(r\)个的组合。用\(C_n^m\)或\(C(n,m)\)表示。
若在每一种组合的基础上，再将盒子标号区别，且对盒子进行排列，便得到\(n\)取\(r\)的排列，所以有\(P(n,m)=C(n,m) \cdot n!\)
例题：试求由{1,3,5,7}组成的数字不重复出现的整数的总和？
解：这样的整数可以是1位数、2位数、3位数、4位数，其数目为\(P_4^1+P_4^2+P_4^3+P_4^4=4+12+24+24=64\)，即求这64个数的和。统计各自在个位、十位、百位、千位上数值的总和，设它们的总和分别为\(S_1\)、\(S_2\)、\(S_3\)、\(S_4\)，则问题所求的和\(S=S_1+10S_2+100S_3+1000S_4\)
（1）\(S_1\)的计算
一位数中个位数之和为\((1+3+5+7)P_3^0=16\)，
两位数中个位数之和为\((1+3+5+7)P_3^1=48\)（1在个位，十位有\(P_3^1\)种选择，3、5、7在个位同样如此）
三位数中个位数之和为\((1+3+5+7)P_3^2=96\)，
四位数中个位数之和为\((1+3+5+7)P_3^3=96\)，
故\(S_1=(1+3+5+7)(P_3^0+P_3^1+P_3^2+P_3^3)=(16+48+96+96)=256\)
（2）\(S_2\)的计算，即计算在十位数的和
\(S_2=(1+3+5+7)(P_3^1+P_3^2+P_3^3)=16 \times 15=240\)
（3）\(S_3\)的计算
\(S_3=(1+3+5+7)(P_3^2+P_3^3)=16 \times 12=192\)
（4）\(S_4\)的计算
\(S_2=(1+3+5+7)P_3^3=16 \times 6=96\)
故\(S=256+240 \times 10+192 \times 100 + 96 \times 1000=117856\)
1.2 加法法则与乘法法则
[加法法则] 设事件A有\(m\)种产生方式，事件B有\(n\)种产生方式，则事件A或B之一有\(m+n\)种产生方式。
[乘法法则] 设事件A有\(m\)种产生方式，事件B有\(n\)种产生方式，则事件A与B有\(m \cdot n\)种产生方式。
1.3 一一对应
“一一对应”概念是一个在计数中极为基本的概念。一一对应既是单射又是满射。在组合计数时往往借助于一一对应实现模型转换。比如要对A集合计数，但直接计数有困难，于是可设法构造一易于计数的B，使得A与B一一对应。
例题：某保密装置须同时使用若干把不同的钥匙才能打开。现有7人，每人持若干把钥匙。须4人到场才能开锁。问：（1）至少有多少把不同的钥匙？（2）每人至少持几把钥匙？
解：由题知，要保证任意3个人到场都开不了锁，任意4个人到场才能开锁。
（1）任意3个人缺的钥匙都不同，如果甲乙丙缺的钥匙和甲乙丁缺的钥匙一样，那么他们4个人就不能开门了。也就是说，任意3个人都会缺一把钥匙，且他们缺的钥匙不一样。故至少有\(C_7^3\)种
（2）任意4个人都不缺钥匙，任意一人对于其他6人中的3人，都至少有一把不同的钥匙能配合着开门。即其他6人中的3人都缺一把钥匙，缺\(C_6^3\)把，需要第四个人至少有\(C_6^3\)把钥匙。故每人至少持\(C_6^3\)把钥匙。
1.4 多重排列
自由多重：\(\stackrel{}{ } \mathbf{M}=\left\{\infty a_1, \infty a_2, \cdots, \infty a_n\right\}\)
受限多重：\(\mathbf{M}=\left\{\mathbf{k}_1 a_1, \mathbf{k}_2 a_2, \cdots, \mathbf{k}_n a_n\right\}\)
在自由情况下，从\(n\)中取\(m\)个作多重排列，排列数\(n^m\)
在受限情况下，\(k_1\)个\(a_1\)，\(k_2\)个\(a_2\)，…，\(k_m\)个\(a_m\)的排列数，设\(k_1+k_2+...+k_m=n\)，设此排列数为\(P(n;k_1,k_2,...,k_m)\)
这是一种元素重复的排列！
例题：用长度为\(1\times1\),\(1\times2\),\(1 \times 3\)的方砖铺设\(1 \times 7\)的模块，有几种方式？
解：（1）用7块\(1 \times 1\)的砖，有\(1\)种方式。
（2）用5块\(1 \times 1\)的砖，1块\(1 \times 2\)的砖，有\(\frac{6!}{5!}=6\)种方式
（3）用4块\(1 \times 1\)的砖，1块\(1 \times 3\)的砖，有\(\frac{5!}{4!}=5\)种方式
（4）用3块\(1 \times 1\)的砖，2块\(1 \times 2\)的砖，有\(\frac{5!}{3! \cdot {2!}}=10\)种方式
（5）用2块\(1 \times 1\)的砖，1块\(1 \times 2\)的砖，1块\(1 \times 3\)的砖，有\(\frac {4!} {2!}=12\)种方式
（6）用1块\(1 \times 1\)的砖，3块\(1 \times 2\)的砖，有\(\frac{4!}{3!}=4\)种方式
（7）用1块\(1 \times 1\)的砖，2块\(1 \times 3\)的砖，有\(\frac{3!}{2!}=3\)种方式
（8）用2块\(1 \times 2\)的砖，1块\(1 \times 3\)的砖，有\(\frac{3!}{2!}=3\)种方式
总共有1+6+5+10+12+4+3+3=44种方式
延伸1：特定排列也会产生多重排列结果
例题：10男10女乘车出游，每车2男2女，几种方案？假设车辆无区别
解：（1）多队分组？\(\frac{(10 !)^2}{5 ! \times 2^{10}}\)
（2）若有一对男女要求同车呢？\(\frac{(9 !)^2}{4 ! \times 2^8}\)
（3）若有两队男女要求同车呢？这要求同车的两队男女可以在一辆车上，也可以在两辆车上。如果在一辆车上，那么只需要将剩下的8男8女分配在四辆车上；如果不在一辆车上，那么需要从剩下的8男8女中选出2男2女与他们同车，然后再分配剩下的6男6女。\(\frac{(8 !)^2}{4 ! \times 2^8}+\left(P_8^2\right)^2 \frac{(6 !)^2}{3 ! \times 2^6}\)
延伸2：多重排列与组合
多重排列既可以看作排列的拓展，也可以看作组合的拓展。
例题：\(2n\)个物品两两配对（同一组之内两两配对，也就是分组）？分成两组配对呢？若是两组物品，每组\(n\)个不同的物品，两两配对呢？
解：（1）分为\(n\)组，每组2个。“组”是没有区别的。\(\frac{(2n !)}{n ! \times 2^{n}}\)
（2）\(\frac{(2n !)}{2 ! \times (n!)^{2}}\)
（3）记两组分别为A、B，A组的第一个物品和B组的物品配对有n种选择，A组的第二个物品和B组的物品配对有n-1种选择，...，以此类推。共有\(n!\)种方案。\(n!\)
1.5 圆周排列
定义：从\(n\)个对象中取\(m\)个沿一圆周的排列，用\(Q_n^m\)或\(Q(n,m)\)表示
\(Q_n^m\)与\(P_n^m\)的关系是\(Q_n^{m}=\frac {P_n^m} m\)，特别地，有\(Q_n^{n}=\frac {P_n^n} n=(n-1)!\)
例题：主人夫妇邀请另外三对夫妇共进晚餐，围一圆桌均匀而坐。（1）随意入座。（2）男女相间入座。（3）男女相间入座，且每对夫妻都相邻。（4）男女相间入座，但每对夫妻不全相邻。（5）男女相间入座，但每对夫妻都不相邻。（6）男女相间入座，但主人夫妇不相邻。
解：（1）\(Q_8^8\)
（2）\(Q_4^4 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1\)
（3）\(Q_4^4 \times 2\)
（4）\(Q_4^4 \times 4 \times 3 \times 2 \times 1 - Q_4^4 \times 2\)
（5）\(Q_4^4 \times 2\)
（6）\(Q_4^4 \times 2 \times 3 \times 2 \times 1\)
例题：5个红球，6个蓝球，7个黄球串成一个项链，多少种方案？假定同色球无区别。若取其中三个球串成一环，有几种方案？
解：\(\frac {18!} {{5!} \times {6!} \times {7!} \times 18 \times 2}\)，除以2是因为项链的正反两面是相同的。3个相同颜色：3种；3个不同颜色：1种；3个两种颜色：\(P(3,2)\)（一种颜色两个球，一种颜色一个球），共\(3+1+P_3^2\)种方案。
例题：\(n\)个人围着桌子均匀而坐，如果是正方形的桌子呢？如果是正\(k\)边形呢？
解：正方形的桌子，每边都是\(\frac {n} {4}\)人，每边都是全排列，有\(\frac {P_n^n} {4}\)种方案。如果是正\(k\)边形的桌子，有\(\frac {P_n^n} {k}\)种方案。
1.6 多重组合
定义：多重组合是指从\(A=\{1,2,...,n\}\)中取\(m\)个元素\(\{a_1,a_2,...,a_m\}\)，\(a_i\epsilon A\)，\(i=1,2,...,m\)，而且允许\(a_i=a_j\)。用\(\overline{C_n^m}\)表示。
定理：从\(n\)个不同元素中取\(m\)个作允许重复的组合，其组合数为\(C_{n+m-1}^m\)
注意：允许重复的组合的典型模型是\(m\)个相同的球放进\(n\)个不同的盒子里，每个盒子可多于一个球，也可空盒。而后一问题又可以转换为\(m\)个相同的球与\(n-1\)个相同的盒壁的排列的问题。
易知所求计数为\(\frac {(n+m-1)!} {m!(n-1)!}=C_{n+m-1}^m\)
例题：\((x+y+z)^4\)有多少项？
解：问题相当于4个无标志的球放入3个有标志\(x\),\(y\),\(z\)的盒子，根据定理可知有\(C(3+4-1,4)=C(6,4)=15\)
定理：线性方程\(x_1+x_2+...+x_n=m\)，\(n\)和\(m\)都是整数，\(n \ge 1\)，则此方程的非负整数解的个数为：\(C_{n+m-1}^{m}\)，即为简单的整数拆分。
例题：（1）将1000000分解成xyz三个正因数的乘积，有几种方法？（2）将1000000分解成三个相同的正因数的乘积，有几种方法？（3）将1000000分解成三个正因数的乘积，其中恰有两个相同有几种方法？（4）将1000000分解成三个不同的正因数的乘积，有几种方法？
解：\(100000=2^6 \cdot 5^6，x=2^{x_1}5^{x_2}，y=2^{y_1}5^{y_2}，z=2^{z_1}5^{z_2}\)
（1）\(x_1+y_1+z_1=6，x_2+y_2+z_2=6，(C_{3+6-1}^{6})^2=28^2=784\)
（2）1种
（3）\(2x_1+z_1=6，2x_2+y_2=6\)
| \(x_1\) | \(y_1=x_1\) | \(z_1\) | \(x_2\) | \(y_2=x_2\) | \(y_2\) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 6 | 0 | 0 | 6 |
| 1 | 1 | 4 | 1 | 1 | 4 |
| 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 3 | 3 | 0 | 3 | 3 | 0 |
去掉两边都是2，2，2的情况，还剩\(4 \times 4-1=15\)种
（4）\(\frac {784-1-15}{3!}=123\)
例题：20本书放到5个书架上，可以有空架。（1）书有区别，书架有区别，不考虑书顺序。（2）书有区别，书架有区别。（3）书没区别，书架有区别。（4）书有区别，书架有区别，每个书架放4本，不考虑书的顺序。（5）书有区别，书架没区别，每个书架放4本，不考虑书的顺序。（6）书没区别，书架有区别，每个书架放4本。
解：（1）因为不考虑书的顺序，所以任意一本书在5个书架上都可以随便放。\(5^{20}\)
（2）相当于24本书做全排列，其中选4本做书架的隔板隔离成5个书架，隔板没有区别。\(\frac {24!}{4!}\)
（3）\(C_{5+20-1}^{20}=C_{24}^{20}\)
（4）\(\frac {20!} {(4!)^5}\)
（5）\(\frac {20!} {5!(4!)^5}\)
（6）\(1\)
定理：线性方程\(x_1+x_2+...+x_n=m\)，\(n\)和\(m\)都是整数，\(n \ge 1\)，若\(x_i \ge 1\)，则此方程的非负整数解的个数为：\(C_{n+m-n-1}^{m-n}=C_{m-1}^{m-n}=C_{m-1}^{n-1}\)。可以理解为\(m\)个无区别的球放到\(n\)个有区别的盒子里，每个盒子不允许空盒。
例题：将12个红球、1个蓝球和1个绿球分给4个人，每人至少分得1个球，多少种方案？
解：先考虑分蓝球和绿球，当蓝球和绿球分别在两个人手中时，即\(P_4^2\)，再分剩下的12个红球，\(x_1+x_2+x_3+x_4=12,x_1 \ge 0,x_2 \ge 0,x_3 \ge 1,x_4 \ge 1\)，再给\(x_3\)和\(x_4\)各一个红球，问题转换为\(x_1+x_2+x_3+x_4=10,x_1 \ge 0,x_2 \ge 0,x_3 \ge 0,x_4 \ge 0\)，即\(C_{4+10-1}^{10}\)，此时有\(P_4^2 \cdot C_{4+10-1}^{10}\)种方案，也可以理解为，将14个无区别的球给四个人，每人至少一个球，再选择四人中的两人，一人有蓝，一人有绿；同理可得，当蓝球和绿球再一个人手中时，即\(4\)种，剩下12个红球\(x_1+x_2+x_3+x_4=9,x_1 \ge 0,x_2 \ge 0,x_3 \ge 0,x_4 \ge 0\)，即\(C_{4+9-1}^{9}\)，此时有\(4 \cdot C_{4+9-1}^{9}\)种方案。综上，共有\(P_4^2 \cdot C_{4+10-1}^{10}+4 \cdot C_{4+9-1}^{9}=P_4^2 \cdot C_{13}^{10}+4C_{12}^{9}\)种方案。
定理：从\(A=\{1,2,...,n\}\)中取\(m\)个作不相邻的组合，即不存在相邻两个数\(j\)和\(j+1\)的组合，球盒模型为有区别的\(n\)个球排成一行，从中取\(m\)个不相邻的球，其组合数为\(C_{n-r+1}^{r}\)，
简单的整数有序拆分问题：（1）所谓简单是指整数拆分的每项基数都是1，即\(5=3\times1+2\times1\)；（2）所谓有序是指拆分出的元素有顺序，即盒子有区别，5=2+3和5=3+2看作不一样。
1.8 组合意义
简单格路问题：从(0, 0)点出发沿\(x\)轴或\(y\)轴的正方向每步走一个单位，最终走到(m, n)点，有多少条路径？
可以用来证明如下公式：
例题：从(0,0)点到(m,n)点，其中\(m\lt n\)，要求中间所经过的路径上的点(a,b)恒满足\(a\lt b\)。问有多少种不同的路径？
解：由题知，不接触“对角线”\(y=x\)，从(0,0)点的第一步必须到(0,1)点，而不是到(1,0)点。问题可转化为求从(0,1)点到(m,n)点满足要求的路径数。从(0,1)点到(m,n)点的格路，有的接触\(y=x\)，有的不接触。对每一条接触\(y=x\)的格路\(S\)（实线），设最后一个接触点为\(P_k\)，做一条从(1,0)到(m,n)的格路（虚线），该格路从(1,0)到\(P_k\)的部分与\(S\)关于\(y=x\)的对称，余下的部分与\(S\)重合。
容易看出从(0,1)到(m,n)接触\(y=x\)的格路与(1,0)到(m,n)的格路(必穿过\(y=x\))一一对应。
则所求的路径数=(0,1)到(m,n)的所有路径数-(1,0)到(m,n)的所有路径数。即\(\left(\begin{array}{c}\mathbf{m+n-1} \\ \mathbf{m}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}\mathbf{m+n-1} \\ \mathbf{m-1}\end{array}\right)\)
若条件改为可接触但不可穿过，则限制线要向下或向右移一格，即\(y=x-1\)，(0,0)关于\(y=x-1\)对称的点为(-1,-1)。所求格路数为\(\left(\begin{array}{c}\mathbf{m+n} \\ \mathbf{m}\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}\mathbf{m+n} \\ \mathbf{m-1}\end{array}\right)\)
