第十三章 排列组合与概率
一、基础知识1.加法原理:做一件事有n 类办法,在第1类办法中有m 1种不同的方法,在第2类办法中有m 2种不同的方法,……,在第n 类办法中有m n 种不同的方法,那么完成这件事一共有N=m 1+m 2+…+m n 种不同的方法。
2.乘法原理:做一件事,完成它需要分n 个步骤,第1步有m 1种不同的方法,第2步有m 2种不同的方法,……,第n 步有m n 种不同的方法,那么完成这件事共有N=m 1×m 2×…×m n 种不同的方法。
3.排列与排列数:从n 个不同元素中,任取m(m ≤n)个元素,按照一定顺序排成一列,叫做从n 个不同元素中取出m 个元素的一个排列,从n 个不同元素中取出m 个(m ≤n)元素的所有排列个数,叫做从n 个不同元素中取出m 个元素的排列数,用表示,=n(n-1)…(n-m+1)=
m
n A m
n A ,其中m,n ∈N,m ≤n,
)!
(!
m n n -注:一般地=1,0!=1,=n!。
n A n
n A 4.N 个不同元素的圆周排列数为=(n-1)!。
n
A n n
5.组合与组合数:一般地,从n 个不同元素中,任取m(m ≤n)个元素并成一组,叫做从n 个不同元素中取出m 个元素的一个组合,即从n 个不同元素中不计顺序地取出m 个构成原集合的一个子集。从n 个不同元素中取出m(m ≤n)个元素的所有组合的个数,叫做从n 个不同元素中取出m 个元素的组合数,用表示:
m
n C .
)!
(!!
!)1()1(m n m n m m n n n C m n -=+--=
6.组合数的基本性质:(1);(2);(3)
;(4)m
n n
m
n C C -=1
1--+=n n m n m n C C C k
n k n C C k
n =--11;(5);(6)
n n
k k
n n n
n
n
C C C C 20
10
==+++∑= 111++++-=+++k m k k m k k k k k C C C C 。
k n m n m k k n C C C --=7.定理1:不定方程x 1+x 2+…+x n =r 的正整数解的个数为。
1
1--n r C [证明]将r 个相同的小球装入n 个不同的盒子的装法构成的集合为A ,不定方程x 1+x 2+…+x n =r 的正整数解构成的集合为B ,A 的每个装法对应B 的唯一一个解,因而构成映射,不同的装法对应的解也不同,因此为单射。反之B 中每一个解(x 1,x 2,…,x n ),将x i 作为第i 个盒子中球的个数,i=1,2,…,n ,便得到A 的一个装法,因此为满射,所以是一一映射,将r 个小球从左到右排成一列,每种装法相当于从r-1个空格中选n-1个,将球分n 份,共有种。故定
1
1--n r C
理得证。
推论1 不定方程x 1+x 2+…+x n =r 的非负整数解的个数为.
1r
r n C -+推论2 从n 个不同元素中任取m 个允许元素重复出现的组合叫做n 个不同元素的m 可重组合,其组合数为.
1m
m n C -+8.二项式定理:若n ∈N +,则(a+b)n =.
n
n n r r n r n n n n n n
n b C b a C b a C b a C a C +++++---2221
1
其中第r+1项T r+1=叫二项式系数。
r
n r r
n r
n C b a
C ,-9.随机事件:在一定条件下可能发生也可能不发生的事件叫随机事件。在大量重复进行同一试验时,事件A 发生的频率
总是接近于某个常数,在它附近摆动,这个常数叫做事件A 发n
m
生的概率,记作p(A),0≤p(A)≤1.
10.等可能事件的概率,如果一次试验中共有n 种等可能出现的结果,其中事件A 包含的结果有m 种,那么事件A 的概率为p(A)=
.n
m 11.互斥事件:不可能同时发生的两个事件,叫做互斥事件,也叫不相容事件。如果事件A 1,A 2,…,A n 彼此互斥,那么A 1,A 2,…,A n 中至少有一个发生的概率为p(A 1+A 2+…+A n )= p(A 1)+p(A 2)+…+p(A n ).
12.对立事件:事件A ,B 为互斥事件,且必有一个发生,则A ,B 叫对立事件,记A 的对立事件为。由定义知p(A)+p()=1.
A A 13.相互独立事件:事件A (或
B )是否发生对事件B (或A )发生的概率没有影响,这样的两个事件叫做相互独立事件。
14.相互独立事件同时发生的概率:两个相互独立事件同时发生的概率,等于每个事件发生的概率的积。即p(A?B)=p(A)?p(B).若事件A 1,A 2,…,A n 相互独立,那么这n 个事件同时发生的概率为p(A 1?A 2? … ?A n )=p(A 1)?p(A 2)? … ?p(A n ).
15.独立重复试验:若n 次重复试验中,每次试验结果的概率都不依赖于其他各次试验的结果,则称这n 次试验是独立的.
16.独立重复试验的概率:如果在一次试验中,某事件发生的概率为p,那么在n 次独立重复试验中,这个事件恰好发生k 次的概率为p n (k)=?p k (1-p)n-k .
k
n C 17.离散型随机为量的分布列:如果随机试验的结果可以用一个变量来表示,那么这样的变量叫随机变量,例如一次射击命中的环数ξ就是一个随机变量,ξ可以取的值有0,1,2,…,10。如果随机变量的可能取值可以一一列出,这样的随机变量叫离散型随机变量。
一般地,设离散型随机变量ξ可能取的值为x 1,x 2,…,x i ,…,ξ取每一个值x i (i=1,2,…)的概率p(ξ=x i )=p i ,则称表
ξx 1x 2x 3…x i …p
p 1
p 2
p 3
…
p i
…
为随机变量ξ的概率分布,简称ξ的分布列,称E ξ=x 1p 1+x 2p 2+…+x n p n +…为ξ的数学期望或平均值、均值、简称期望,称D ξ=(x 1-E ξ)2?p 1+(x 2-E ξ)2?p 2+…+(x n -E ξ)2p n +…为ξ的均方差,简称方差。叫随机变量ξ的标准差。
ξD
18.二项分布:如果在一次试验中某事件发生的概率是p ,那么在n 次独立重复试验中,这个事件恰好发生k 次的概率为p(ξ=k)=, ξ的分布列为
k
n k
k
n q
p C -ξ0
1
…x i
…N
p
n n q
p C 001
11-n n q
p C …
k
n k k n q
p C -…
n
n n p
C 此时称ξ服从二项分布,记作ξ~B(n,p).若ξ~B(n,p),则E ξ=np,
D ξ=npq,以上q=1-p.
19.几何分布:在独立重复试验中,某事件第一次发生时所做试验的次数ξ也是一个随机变量,若在一次试验中该事件发生的概率为p ,则p(ξ=k)=q k-1p(k=1,2,…),ξ的分布服从几何分布,E ξ=
,D ξ=(q=1-p).p 1
2p
q 二、方法与例题1.乘法原理。
例1 有2n 个人参加收发电报培训,每两个人结为一对互发互收,有多少种不同的结对方式?[解] 将整个结对过程分n 步,第一步,考虑其中任意一个人的配对者,有2n-1种选则;这一对结好后,再从余下的2n-2人中任意确定一个。第二步考虑他的配对者,有2n-3种选择,……这样一直进行下去,经n 步恰好结n 对,由乘法原理,不同的结对方式有(2n-1)×(2n-3)×…×3×1=
.
)
!(2)!
2(n n n ?2.加法原理。
例2 图13-1所示中没有电流通过电流表,其原因仅因为电阻断路的可能性共有几种?[解] 断路共分4类:1)一个电阻断路,有1种可能,只能是R 4;2)有2个电阻断路,有-1=52
4C 种可能;3)3个电阻断路,有=4种;4)有4个电阻断路,有1种。从而一共有1+5+4+1=113
4C 种可能。3.插空法。
例3 10个节目中有6个演唱4个舞蹈,要求每两个舞蹈之间至少安排一个演唱,有多少种不同的安排节目演出顺序的方式?
[解] 先将6个演唱节目任意排成一列有种排法,再从演唱节目之间和前后一共7个位置6
6A 中选出4个安排舞蹈有种方法,故共有=604800种方式。
4
7A 4
76
6A A ?4.映射法。例4 如果从1,2,…,14中,按从小到大的顺序取出a 1,a 2,a 3使同时满足:a 2-a 1≥3,a 3-a 2≥3,那么所有符合要求的不同取法有多少种?
[解] 设S={1,2,…,14},={1,2,…,10};T={(a 1,a 2,a 3)| a 1,a 2,a 3∈S,a 2-a 1≥3,a 3-a 2≥'S 3},={()∈
},若
,
令
'T '
3'
2'
1,,a a a '
3'2'1'3'2'1,',,|'a a a S a a a S <<∈'),,('
3'2'1T a a a ∈,则(a 1,a 2,a 3)∈T,这样就建立了从到T 的映射,它显然
4,2,'
33'22'11+=+==a a a a a a 'T
是单射,其次若(a 1,a 2,a 3)∈T,令,则,从4,2,'33'22'11-=-==a a a a a a '),,('
3'2'1T a a a ∈而此映射也是满射,因此是一一映射,所以|T|==120,所以不同取法有120种。3
10|'|C T =5.贡献法。
例5 已知集合A={1,2,3,…,10},求A 的所有非空子集的元素个数之和。[解] 设所求的和为x ,因为A 的每个元素a ,含a 的A 的子集有29个,所以a 对x 的贡献为29,又|A|=10。所以x=10×29.
[另解] A 的k 元子集共有个,k=1,2,…,10,因此,A 的子集的元素个数之和为
k
C 1010×29。
=+++=+++)(101029919091010210110C C C C C C 6.容斥原理。
例6 由数字1,2,3组成n 位数(n ≥3),且在n 位数中,1,2,3每一个至少出现1次,问:这样的n 位数有多少个?
[解] 用I 表示由1,2,3组成的n 位数集合,则|I|=3n ,用A 1,A 2,A 3分别表示不含1,不含2,不含3的由1,2,3组成的n 位数的集合,则|A 1|=|A 2|=|A 3|=2n ,|A 1A 2|=|A 2A 3|=|A 1 A 3|=1。|A 1A 2A 3|=0。 所以由容斥原理|A 1A 2A 3|=
=3×2n -3.所以满足
||||||3213
1
A A A A A A
j
i j i i i
+-∑∑≠=条件的n 位数有|I|-|A 1A 2A 3|=3n -3×2n +3个。
7.递推方法。
例7 用1,2,3三个数字来构造n 位数,但不允许有两个紧挨着的1出现在n 位数中,问:能构造出多少个这样的n 位数?
[解] 设能构造a n 个符合要求的n 位数,则a 1=3,由乘法原理知a 2=3×3-1=8.当n ≥3时:1)如果n 位数的第一个数字是2或3,那么这样的n 位数有2a n-1;2)如果n 位数的第一个数字是1,那么第二位只能是2或3,这样的n 位数有2a n-2,所以a n =2(a n-1+a n-2)(n ≥3).这里数列{a n }的特征方程为x 2=2x+2,它的两根为x 1=1+,x 2=1-,故a n =c 1(1+)n + c 2(1+)n ,由3333a 1=3,a 2=8得,所以3
223,3
23221-=
+=c c ].
)31()31[(3
4122++--+=
n n n a 8.算两次。
例8 m,n,r ∈N +,证明: ①
.0
2
2
110
m r n r m
n r m n r
m n r C C C C C C C C C m n ++++=--+ [证明] 从n 位太太与m 位先生中选出r 位的方法有种;另一方面,从这n+m 人中选出k r
m n C +位太太与r-k 位先生的方法有种,k=0,1,…,r 。所以从这n+m 人中选出r 位的方法有
k
r m k
n C C -种。综合两个方面,即得①式。
110m r n r m n r m n C C C C C C +++- 9.母函数。
例9 一副三色牌共有32张,红、黄、蓝各10张,编号为1,2,…,10,另有大、小王各
一张,编号均为0。从这副牌中任取若干张牌,按如下规则计算分值:每张编号为k 的牌计为2k 分,若它们的分值之和为2004,则称这些牌为一个“好牌”组,求好牌组的个数。[解] 对于n ∈{1,2,…,2004},用a n 表示分值之和为n 的牌组的数目,则a n 等于函数f(x)=(1+)2?(1+)3????…?(1+)3的展开式中x n 的系数(约定|x|<1),由于f(x)=[ 0
2x 12x 10
2x x
+11
(1+)(1+)?…?(1+)]3=
3 =3
。0
2x 12x 10
2x
)1()1)(1(11123x x x --+)1()
1)(1(11122
2x x x ---而0≤2004<211,所以a n 等于
的展开式中x n 的系数,又由于=22)1)(1(1x x --2
2)1)(1(1x x --?=(1+x 2+x 3+…+x2k+…)[1+2x+3x 2+…+(2k+1)x 2k +…],所以x 2k 在展开式中的211x -2
)
1(1
x -系数为a 2k =1+3+5++(2k+1)=(k+1)2,k=1,2,…,从而,所求的“好牌”组的个数为a 2004=10032=1006009.10.组合数的性质。
k
n C 例10 证明:是奇数(k ≥1).k m C 12-[证明] =令i=k
m C
1
2-?-??-?-=???+----k
k
k k m m m m m m 222211221)112()22)(12( i
t 2?p i (1≤i ≤k),p i 为奇数,则,它的分子、分母均为奇数,i i t m i
t i
t m p p p p m i i i i
i -=-=--22222因是整数,所以它只能是若干奇数的积,即为奇数。k
m C 12-例11 对n ≥2,证明:.
422n
n n n C <<[证明] 1)当n=2时,22<=6<42;2)假设n=k 时,有2k <<4k ,当n=k+1时,因为
24C k
k C 2.
1
)12(2!)!1()!12(2)!1()!1()]!1(2[21
)1(2k
k k k C k k k k k k k k C ?++=?++?=+++=
++又<4,所以2k+1<.
1
)12(22++<
k k 1
21)1(22442+++<< 例12 若n ∈N, n ≥2,求证:. 3112? ? ??+ n [证明] 首先其次因为 ,2111112210>?++?+?+=?? ? ??+n n n n n n n n C n C n C C n ,所以 2+)2(111)1(1!1!)1()1(1≥--=-≤+--=?k k k k k k k n k n n n n C k k k n =?? ? ??+n n 11得证。.3131113121211121122 <-=--++-+-+++? n n n n C n C n n n n 例13 证明: ). (1 10 n m h C C C m n h k n k h m k n ≤≤=?++=--∑[证明] 首先,对于每个确定的k ,等式左边的每一项都是两个组合数的乘积,其中是h m k n C --(1+x)n-k 的展开式中x m-h 的系数。是(1+y)k 的展开式中y k 的系数。从而?就是h k C h m k n C --h k C (1+x)n-k ?(1+y)k 的展开式中x m-h y h 的系数。于是, 就是展开式中x m-h y h 的系数。 h k n k h m k n C C ?∑=--0 ∑=-++n k k k n y x 0 )1()1(另一方面, = = ∑=-++n k k k n y x 0 )1()1(y x y C x C y x y x n k k k n n k k k n n n --= +-++-+∑∑+=++=+++1 11 1 1 1) 1()1()1()1(?=(x k-1+x k-2y+…+y k-1),上式中,x m-h y h 项的系数恰为。∑+=+1 1 n k k k n x C y x y x k k --∑+=+101n k k n C 1 1++m n C 所以 . 1 10 ++=--=?∑m n n k h k h m k n C C C 12.概率问题的解法。 例14 如果某批产品中有a 件次品和b 件正品,采用有放回的抽样方式从中抽取n 件产品,问:恰好有k 件是次品的概率是多少?[解] 把k 件产品进行编号,有放回抽n 次,把可能的重复排列作为基本事件,总数为(a+b)n (即所有的可能结果)。设事件A 表示取出的n 件产品中恰好有k 件是次品,则事件A 所包含的基 本事件总数为?a k b n-k ,故所求的概率为p(A)=k n C . )(n k n k k n b a b a C +-例15 将一枚硬币掷5次,正面朝上恰好一次的概率不为0,而且与正面朝上恰好两次的概率相同,求恰好三次正面朝上的概率。 [解] 设每次抛硬币正面朝上的概率为p ,则掷5次恰好有k 次正面朝上的概率为(1-p)5-k k p C 5k (k=0,1,2,…,5),由题设 ,且0 53225)1()1(p p C p p C -=-3 1 = p 次正面朝上的概率为. 3434032312 3 35=?? ? ?????? ??C 例16 甲、乙两个乒乓球运动员进行乒乓球比赛,已知每一局甲胜的概率为0.6,乙胜的概率 为0.4,比赛时可以用三局二胜或五局三胜制,问:在哪一种比赛制度下,甲获胜的可能性大?[解] (1)如果采用三局两胜制,则甲在下列两种情况下获胜:A 1—2:0(甲净胜二局),A 2—2:1(前二局甲一胜一负,第三局甲胜). p(A 1)=0.6×0.6=0.36,p(A 2)=×0.6×0.4×1 2C 0.6=0.288. 因为A 1与A 2互斥,所以甲胜概率为p(A 1+A 2)=0.648.(2)如果采用五局三胜制,则甲在下列三种情况下获胜:B 1—3:0(甲净胜3局),B 2—3:1(前3局甲2胜1负,第四局甲胜),B 3—3:2(前四局各胜2局,第五局甲胜)。因为B 1,B 2,B 2互斥,所以甲胜概率为p(B 1+B 2+B 3)=p(B 1)+p(B 2)+p(B 3)=0.63+×0.62×0.4×0.6+×0.62×23C 2 4C 0.42×0.6=0.68256.由(1),(2)可知在五局三胜制下,甲获胜的可能性大。 例17 有A ,B 两个口袋,A 袋中有6张卡片,其中1张写有0,2张写有1,3张写有2;B 袋中有7张卡片,其中4张写有0,1张写有1,2张写有2。从A 袋中取出1张卡片,B 袋中取2张卡片,共3张卡片。求:(1)取出3张卡片都写0的概率;(2)取出的3张卡片数字之积是4的概率;(3)取出的3张卡片数字之积的数学期望。 [解](1);(2);(3)记ξ为取出的321127162 411=??=C C C C p 634 2 7 161211132212=???+?=C C C C C C C p 张卡片的数字之积,则ξ的分布为 ξ0 2 4 8 p 4237 63263442 1所以.63 3242186344632242370=?+?+?+? =ξE 三、基础训练题 1.三边长均为整数且最大边长为11的三角形有_________个。 2.在正2006边形中,当所有边均不平行的对角线的条数为_________。 3.用1,2,3,…,9这九个数字可组成_________个数字不重复且8和9不相邻的七位数。4.10个人参加乒乓球赛,分五组,每组两个人有_________种分组方法。5.以长方体的顶点为顶点的三棱锥的个数是_________。6.今天是星期二,再过101000天是星期_________。7.由展开式所得的x 的多项式中,系数为有理数的共有_________项。 100 3) 23(+x 8.如果凸n 边形(n ≥4)的任意三条对角线不共点,那么这些对角线在凸n 边形内共有_________个交点。 9.袋中有a 个黑球与b 个白球,随机地每次从中取出一球(不放回),第k(1≤k ≤a+b)次取到黑球的概率为_________。 10.一个箱子里有9张卡片,分别标号为1,2,…,9,从中任取2张,其中至少有一个为奇数的概率是_________。 11.某人拿着5把钥匙去开门,有2把能打开。他逐个试,试三次之内打开房门的概率是_________。 12.马路上有编号为1,2,3,…,10的十盏路灯,要将其中三盏关掉,但不能同时关掉相 邻的两盏或三盏,也不能关掉两端的路灯,则满足条件的关灯方法种数是_________。13.a,b,c,d,e 五个人安排在一个圆桌周围就坐,若a,b 不相邻有_________种安排方式。14.已知i,m,n 是正整数,且1(1+n)m .i n i i m i A m A n <15.一项“过关游戏”规定:在第n 关要抛掷一颗骰子n 次,如果这n 次抛掷所得到的点数之和大于2n ,则算过关。问:(1)某人在这项游戏中最多能过几关?(2)他连过前三关的概率是多少?(注:骰子是一个在各面上分别有1,2,3,4,5,6点数的均匀正方体)四、高考水平训练题 1.若n ∈{1,2,…,100}且n 是其各位数字和的倍数,则这种n 有__________个。 2.从{-3,-2,-1,0,1,2,3,4}中任取3个不同元素作为二次函数y=ax 2+bx+c 的系数,能组成过原点,且顶点在第一或第三象限的抛物线有___________条。 3.四面体的顶点和各棱的中点共10个点,在其中任取4个不共面的点,有_________种取法。4.三个人传球,从甲开始发球,每次接球后将球传给另外两人中的任意一个,经5次传球后,球仍回到甲手中的传法有_________种。 5.一条铁路原有m 个车站(含起点,终点),新增加n 个车站(n>1),客运车票相应地增加了58种,原有车站有_________个。 6.将二项式的展开式按降幂排列,若前三项系数成等差数列,则该展开式中x n x x ???? ? ?+4 21的幂指数是整数的项有_________个。 7.从1到9这九个自然数中任取两个分别作为对数的真数和底数,共可得到_________种不同的对数值。8.二项式(x-2)5的展开式中系数最大的项为第_________项,系数最小的项为第_________项。9.有一批规格相同的均匀圆棒,每根被划分成长度相同的5节,每节用红、黄、蓝三色之一涂色,可以有_________种颜色不同的圆棒?(颠倒后相同的算同一种) 10.在1,2,…,2006中随机选取3个数,能构成递增等差数列的概率是_________。11.投掷一次骰子,出现点数1,2,3,…,6的概率均为 ,连续掷6次,出现的点数之和6 1 为35的概率为_________。 12.某列火车有n 节旅客车厢,进站后站台上有m(m ≥n)名旅客候车,每位旅客随意选择车厢上车,则每节车厢都有旅客上车的概率是_________。 13.某地现有耕地10000公顷,规划10年后粮食单产比现在增加22%,人均粮食占有量比现在提高10%,如果人口年增长率为1%,那么耕地平均每年至多只能减少多少公顷(精确到1公顷)?(粮食单产= ) 耕地面积 总产量 五、联赛一试水平训练题