这一招在做什么
计数只有一个要求:每个对象恰好数一次——不漏掉,也不重复。四件工具就够用了:
- 一件事要一步接一步做完:每一步的选法数相乘(乘法原理)。上面那棵树,每长一层,末梢就翻几倍。
- 一件事分成互不重叠的几类:各类的个数相加(加法原理)。
- 如果每个对象都被数了 遍:总数除以 。
- 如果几类有重叠:把多数的部分减回去(容斥)。
先猜后证
去博物馆:可以坐公交( 条线路任选一条),也可以坐地铁( 条线路任选一条)。到了以后,再从 个入口里选一个进去。一共有多少种走法?
“公交或地铁”是分类, 种到法;“到了以后接着选入口”是分步,再乘 。合起来 。
下面这棵树里,虚线是“或”,实线是“接着”。把它一层层长出来,数数末梢。
跟着做一遍:排队
从甲、乙、丙、丁 个人里选 个人,排成一排照相。有多少种排法?
例:4 个人里选 3 个排成一排
第 1 / 5 步- 把事情拆成几步
一排有三个位置。先定左边的人,再定中间的,最后定右边的——这是分步,要用乘法。树现在只有一个根。
注意第二步的理由:选法的内容随第一步而变(甲站了左边,中间就是乙丙丁),但选法的个数始终是 。乘法原理只需要“个数不变”。
数重了:除一下
如果只是选 个人去值日,不讲顺序呢?“甲乙”和“乙甲”是同一个小组。
下面左边是所有讲顺序的排法,右边是真正不同的小组。点任意一张卡片,看它在左边有几个“同伴”。
先猜后证
从 个人里选 个人组成一个小组(不讲顺序)。讲顺序的排法有 种。小组有多少种?
个人自己内部可以排成 种顺序,所以每个小组在 种排法里出现了 次:
这种“不讲顺序”的选法叫组合。排列数除以“内部排队的方法数”就得到组合数。
同一个办法还能对付“围成一圈”。 个人围着圆桌坐,转一转算同一种坐法:
街道上数路线
从 A 走到 B,只许向右或向上。到某个路口的路线,最后一步要么从左边来,要么从下边来——两类互不重叠,所以
先猜后证
先猜一个小的:横 格、竖 格的街区,从左下角走到右上角(只向右或向上),有几条路线?
边上的路口都只有 条路;中间是 ;再往后 、;终点 。
下面是大一点的街区。一个路口一个路口地点,把数填到 B。填出来的这张数表,就是斜着放的杨辉三角。
换一个角度:横 格、竖 格,每条路线都恰好走 步,其中 步向上。哪 步向上一旦选定,路线就定了,所以路线数是 ——和一格一格加出来的一样。
例:中间有一个路口在修路
第 1 / 5 步- 路障处写 0
路口 封了:经过它的路线一条也不算,所以它的数是 。最下面一行和最左面一列照旧是 。
数多了:减回去
中,是 的倍数或 的倍数的数有多少个?两类有重叠,直接相加会把重叠部分数两遍。
在下面的图里,给每一项选“加”或“减”。每个数旁边的小标签告诉你它现在被数了几次——目标是圈里的每个数恰好一次。
三个集合时,事情多了一层。先自己试试:
先猜后证
中,是 、、 之中至少一个数的倍数的,有多少个?
加上三个单独的:。减去两两重叠的:,剩 。可是 这个数被加了 次、又被减了 次,现在一次也没数到——得加回来:。
什么时候不灵
“数重了就除”有一个前提:每个对象被重复数的次数相同。
Break it
反例实验室:去掉一个条件
结论:总数 ÷ 重复次数 = 真正的个数 ← 还成立吗?
用字母 A、A、B 拼三个字母的“单词”。先把两个 A 当成不同的 A₁、A₂,有 种排法。每个单词都被数了 次,所以是 个。
颗黑珠、 颗白珠串成一个手串,转一转算同一种。有人这样算:“ 颗珠子排成一圈,把位置编号有 种;每个手串能转 下,所以是 种。”
点开右边的每一种手串,看看它们各被数了几次。
“黑白黑白”相间的那一串只占了 张卡片,另一串占了 张——次数不一样,就不能一除了之。真正不同的手串只有 种,只能分类去数。
练一练
食堂的套餐要从 种主食、 种汤、 种水果里各选一样。一共能配出多少种套餐?
支球队进行单循环赛(每两队之间恰好比一场)。一共要比多少场?
横 格、竖 格的街区,从左下角 A 走到右上角 B,只能向右或向上。路口 在施工,不能经过。有多少条路线?
中,既不是 的倍数、也不是 的倍数的数有多少个?
用数字 组成没有重复数字的三位偶数,一共有多少个?