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高三党 | 高中数学21种排列组合模型

高三党 | 高中数学21种排列组合模型
1.相邻问题捆绑法

题目中规定相邻的几个元素捆绑成一个组,当作一个大元素参与排列.

例 1. A,B,C,D,E 五人并排站成一排,如果 A,B 必须相邻且 B 在 A 的右边,那么不同的排法种数有

A、60 种  B、48 种  C、36 种  D、24 种

解析:把 A,B 视为一人,且 B 固定在 A 的右边,则本题相当于 4 人的全排列,A44 = 24 种,答案:D.
2.相离问题插空排

元素相离(即不相邻)问题,可先把无位置要求的几个元素全排列,再把规定的相离的几个元素插入上述几个元素的空位和两端.

例 2. 七人并排站成一行,如果甲乙两个必须不相邻,那么不同的排法种数是

A、1440 种  B、3600 种  C、4820 种  D、4800 种

解析:除甲乙外,其余 5 个排列数为 A55 种,再用甲乙去插 6 个空位有 A26 种,不同的排法种数是 A55A26 = 3600 种,选 B.
3.定序问题缩倍法

在排列问题中限制某几个元素必须保持一定的顺序,可用缩小倍数的方法.

例 3. A,B,C,D,E 五人并排站成一排,如果 B 必须站在 A 的右边(A,B 可以不相邻)那么不同的排法种数是

A、24 种  B、60 种  C、90 种  D、120 种

解析:B 在 A 的右边与 B 在 A 的左边排法数相同,所以题设的排法只是 5 个元素全排列数的一半,即 12A55 = 60 种,选 B.
4.标号排位问题分步法

把元素排到指定位置上,可先把某个元素按规定排入,第二步再排另一个元素,如此继续下去,依次即可完成.

例 4. 将数字 1,2,3,4 填入标号为 1,2,3,4 的四个方格里,每格填一个数,则每个方格的标号与所填数字均不相同的填法有

A、6 种  B、9 种  C、11 种  D、23 种

解析:先把 1 填入方格中,符合条件的有 3 种方法,第二步把被填入方格的对应数字填入其它三个方格,又有三种方法;第三步填余下的两个数字,只有一种填法,共有 3×3×1 = 9 种填法,选 B.
5.有序分配问题逐分法

有序分配问题指把元素分成若干组,可用逐步下量分组法.

例 5.(1)有甲乙丙三项任务,甲需 2 人承担,乙丙各需一人承担,从 10 人中选出 4 人承担这三项任务,不同的选法种数是

A、1260 种  B、2025 种  C、2520 种  D、5040 种

解析:先从 10 人中选出 2 人承担甲项任务,再从剩下的 8 人中选 1 人承担乙项任务,第三步从另外的 7 人中选 1 人承担丙项任务,不同的选法共有 C210C18C17 = 2520 种,选 C.

(2)12 名同学分别到三个不同的路口进行流量的调查,若每个路口 4 人,则不同的分配方案有

A、C412C48C44 种  B、3C412C48C44 种  C、C412C48A33 种  D、C412C48C44A33 种

答案:A.
6.全员分配问题分组法

例 6.(1)4 名优秀学生全部保送到 3 所学校去,每所学校至少去一名,则不同的保送方案有多少种?

解析:把四名学生分成 3 组有 C24 种方法,再把三组学生分配到三所学校有 A33 种,故共有 C24A33 = 36 种方法.

说明:分配的元素多于对象且每一对象都有元素分配时常用先分组再分配.

(2)5 本不同的书,全部分给 4 个学生,每个学生至少一本,不同的分法种数为

A、480 种  B、240 种  C、120 种  D、96 种

答案:B.
7.名额分配问题隔板法

例 7. 10 个三好学生名额分到 7 个班级,每个班级至少一个名额,有多少种不同分配方案?

解析:10 个名额分到 7 个班级,就是把 10 个名额看成 10 个相同的小球分成 7 堆,每堆至少一个,可以在 10 个小球的 9 个空位中插入 6 块木板,每一种插法对应着一种分配方案,故共有不同的分配方案为 C69 = 84 种.
8.限制条件的分配问题分类法

例 8. 某高校从某系的 10 名优秀毕业生中选 4 人分别到西部四城市参加中国西部经济开发建设,其中甲同学不到银川,乙不到西宁,共有多少种不同派遣方案?

解析:因为甲乙有限制条件,所以按照是否含有甲乙来分类,有以下四种情况:
①若甲乙都不参加,则有派遣方案 A48 种;②若甲参加而乙不参加,先安排甲有 3 种方法,然后安排其余学生有 A38 方法,所以共有 3A38;③若乙参加而甲不参加同理也有 3A38 种;④若甲乙都参加,则先安排甲乙,有 7 种方法,然后再安排其余 8 人到另外两个城市有 A28 种,共有 7A28 方法. 所以共有不同的派遣方法总数为 A48 + 3A38 + 3A38 + 7A28 = 4088 种.
9.多元问题分类法

元素多,取出的情况也多种,可按结果要求分成不相容的几类情况分别计数,最后总计.

例 9.(1)由数字 0,1,2,3,4,5 组成没有重复数字的六位数,其中个位数字小于十位数字的共有

A、210 种  B、300 种  C、464 种  D、600 种

解析:按题意,个位数字只可能是 0、1、2、3 和 4 共 5 种情况,分别有 A55、A14A13A33、A13A13A33、A12A13A33 和 A13A33 个,合并总计 300 个,选 B.

(2)从 1,2,3,⋯,100 这 100 个数中,任取两个数,使它们的乘积能被 7 整除,这两个数的取法(不计顺序)共有多少种?

解析:被取的两个数中至少有一个能被 7 整除时,他们的乘积就能被 7 整除,将这 100 个数组成的集合视为全集 I,能被 7 整除的数的集合记做 A = {7,14,21,⋯98} 共有 14 个元素,不能被 7 整除的数组成的集合记做 ∁IA = {1,2,3,4,⋯,100} 共有 86 个元素;由此可知,从 A 中任取 2 个元素的取法有 C214,从 A 中任取一个,又从 ∁IA 中任取一个共有 C114C186,两种情形共符合要求的取法有 C214 + C114C186 = 1295 种.

(3)从 1,2,3,⋯,100 这 100 个数中任取两个数,使其和能被 4 整除的取法(不计顺序)有多少种?

解析:将 I = {1,2,3⋯,100} 分成四个不相交的子集,能被 4 整除的数集 A = {4,8,12,⋯100};能被 4 除余 1 的数集 B = {1,5,9,⋯97},能被 4 除余 2 的数集 C = {2,6,⋯,98},能被 4 除余 3 的数集 D = {3,7,11,⋯99},易见这四个集合中每一个有 25 个元素;从 A 中任取两个数符合要;从 B,D 中各取一个数也符合要求;从 C 中任取两个数也符合要求;此外其它取法都不符合要求;所以符合要求的取法共有 C225 + C125C125 + C225 种.
10.交叉问题集合法

某些排列组合问题几部分之间有交集,可用集合中求元素个数公式 n(A∪B) = n(A) + n(B) − n(A∩B).

例 10. 从 6 名运动员中选出 4 人参加 4×100 米接力赛,如果甲不跑第一棒,乙不跑第四棒,共有多少种不同的参赛方案?

解析:设全集 = {6 人中任取 4 人参赛的排列},A = {甲跑第一棒的排列},B = {乙跑第四棒的排列},根据求集合元素个数的公式得参赛方法共有:
n(I) − n(A) − n(B) + n(A∩B) = A46 − A35 − A35 + A24 = 252 种.
11.定位问题优先法

某个或几个元素要排在指定位置,可先排这个或几个元素;再排其它的元素。

例 11. 1 名老师和 4 名获奖同学排成一排照相留念,若老师不站两端则有不同的排法有多少种?

解析:老师在中间三个位置上选一个有 A13 种,4 名同学在其余 4 个位置上有 A44 种方法;所以共有 A13A44 = 72 种.
12.多排问题单排法

把元素排成几排的问题可归结为一排考虑,再分段处理.

例 12.(1)6 个不同的元素排成前后两排,每排 3 个元素,那么不同的排法种数是

A、36 种  B、120 种  C、720 种  D、1440 种

解析:前后两排可看成一排的两段,因此本题可看成 6 个不同的元素排成一排,共 A66 = 720 种,选 C.

(2)8 个不同的元素排成前后两排,每排 4 个元素,其中某 2 个元素要排在前排,某 1 个元素排在后排,有多少种不同排法?

解析:看成一排,某 2 个元素在前半段四个位置中选排 2 个,有 A24 种,某 1 个元素排在后半段的四个位置中选一个,有 A14 种,其余 5 个元素任排 5 个位置上有 A55 种,故共有 A24A14A55 = 5760 种排法.
13.“至少”“至多” 问题用间接排除法或分类法

抽取两类混合元素不能分步抽.

例 13. 从 4 台甲型和 5 台乙型电视机中任取 3 台,其中至少要甲型和乙型电视机各一台,则不同的取法共有

A、140 种  B、80 种  C、70 种  D、35 种

解析 1:逆向思考,至少各一台的反面就是分别只取一种型号,不取另一种型号的电视机,故不同的取法共有 C39 − C34 − C35 = 70 种,选 C.
解析 2:至少要甲型和乙型电视机各一台可分两种情况:甲型 1 台乙型 2 台;甲型 2 台乙型 1 台,故不同的取法有 C25C14 + C15C24 = 70 台,选 C.
14.选排问题先取后排

从几类元素中取出符合题意的几个元素,再安排到一定的位置上,可用先取后排法.

例 14.(1)四个不同球放入编号为 1,2,3,4 的四个盒中,则恰有一个空盒的放法有多少种?

解析:“先取” 四个球中二个为一组,另二组各一个球的方法有 C24 种,“再排” 在四个盒中每次排 3 个有 A34 种,故共有 C24A34 = 144 种.

(2)9 名乒乓球运动员,其中男 5 名,女 4 名,现在要进行混合双打训练,有多少种不同的分组方法?

解析:先取男女运动员各 2 名,有 C25C24 种,这四名运动员混和双打练习有 A22 中排法,故共有 C25C24A22 = 120 种.
15.部分合条件问题排除法

在选取的总数中,只有一部分合条件,可以从总数中减去不合条件数,即为所求.

例 15.(1)以正方体的顶点为顶点的四面体共有

A、70 种  B、64 种  C、58 种  D、52 种

解析:正方体 8 个顶点从中每次取四点,理论上可构成 C48 四面体,但 6 个表面和 6 个对角面的四个顶点共面都不能构成四面体,所以四面体实际共有 C48 − 12 = 58 个.

(2)四面体的顶点和各棱中点共 10 点,在其中取 4 个不共面的点,不同的取法共有

A、150 种  B、147 种  C、144 种  D、141 种

解析:10 个点中任取 4 个点共有 C410 种,其中四点共面的有三种情况:①在四面体的四个面上,每面内四点共面的情况为 C46,四个面共有 4C46 个;②过空间四边形各边中点的平行四边形共 3 个;③过棱上三点与对棱中点的三角形共 6 个. 所以四点不共面的情况的种数是 C410 − 4C46 − 3 − 6 = 141 种.
16.圆排问题线排法

把 n 个不同元素放在圆周 n 个无编号位置上的排列,顺序(例如按顺时钟)不同的排法才算不同的排列,而顺序相同(即旋转一下就可以重合)的排法认为是相同的,它与普通排列的区别在于只计顺序而首位、末位之分,下列 n 个普通排列:

a1,a2,a3⋯,an;a2,a3,a4,⋯,an,⋯;an,a1,⋯,an−1 在圆排列中只算一种,因为旋转后可以重合,故认为相同,n 个元素的圆排列数有 n!n 种. 因此可将某个元素固定展成线排,其它的 n−1 元素全排列.

例 16. 5 对姐妹站成一圈,要求每对姐妹相邻,有多少种不同站法?

解析:首先可让 5 位姐姐站成一圈,属圆排列有 A44 种,然后在让插入其间,每位均可插入其姐姐的左边和右边,有 2 种方式,故不同的安排方式 24×25 = 768 种不同站法.
说明:从 n 个不同元素中取出 m 个元素作圆形排列共有1mAmn 种不同排法.
17.可重复的排列求幂法

允许重复排列问题的特点是以元素为研究对象,元素不受位置的约束,可逐一安排元素的位置,一般地 n 个不同元素排在 m 个不同位置的排列数有 mn 种方法.

例 17. 把 6 名实习生分配到 7 个车间实习共有多少种不同方法?

解析:完成此事共分 6 步,第一步:将第一名实习生分配到车间有 7 种不同方案,第二步:将第二实习生分配到车间也有 7 种不同方案,依次类推,由分步计数原理知共有 76 种不同方案.
18.复杂排列组合问题构造模型法

例 18. 马路上有编号为 1,2,3⋯,9 九只路灯,现要关掉其中的三盏,但不能关掉相邻的二盏或三盏,也不能关掉两端的两盏,求满足条件的关灯方案有多少种?

解析:把此问题当作一个排对模型,在 6 盏亮灯的 5 个空隙中插入 3 盏不亮的灯 C35 种方法,所以满足条件的关灯方案有 10 种.
说明:一些不易理解的排列组合题,如果能转化为熟悉的模型如填空模型,排队模型,装盒模型可使问题容易解决.
19.元素个数较少的排列组合问题可以考虑枚举法

例 19. 设有编号为 1,2,3,4,5 的五个球和编号为 1,2,3,4,5 的盒子现将这 5 个球投入 5 个盒子要求每个盒子放一个球,并且恰好有两个球的号码与盒子号码相同,问有多少种不同的方法?

解析:从 5 个球中取出 2 个与盒子对号有 C25 种,还剩下 3 个球与 3 个盒子序号不能对应,利用枚举法分析,如果剩下 3,4,5 号球与 3,4,5 号盒子时,3 号球不能装入 3 号盒子,当 3 号球装入 4 号盒子时,4,5 号球只有 1 种装法,3 号球装入 5 号盒子时,4,5 号球也只有 1 种装法,所以剩下三球只有 2 种装法,因此总共装法数为 2C25 = 20 种.
20.复杂的排列组合问题也可用分解与合成法

例 20.(1)30030 能被多少个不同偶数整除?

解析:先把 30030 分解成质因数的形式:30030 = 2×3×5×7×11×13;依题意偶因数 2 必取,3,5,7,11,13 这 5 个因数中任取若干个组成成积,所有的偶因数为 C05 + C15 + C25 + C35 + C45 + C55 = 32 个.

(2)正方体 8 个顶点可连成多少队异面直线?

解析:因为四面体中仅有 3 对异面直线,可将问题分解成正方体的 8 个顶点可构成多少个不同的四面体,从正方体 8 个顶点中任取四个顶点构成的四面体有 C48 − 12 = 58 个,所以 8 个顶点可连成的异面直线有 3×58 = 174 对.
21.利用对应思想转化法

对应思想是教材中渗透的一种重要的解题方法,它可以将复杂的问题转化为简单问题处理.

例 21.(1)圆周上有 10 点,以这些点为端点的弦相交于圆内的交点最多有多少个?

解析:因为圆的一个内接四边形的两条对角线相交于圆内一点,一个圆的内接四边形就对应着两条弦相交于圆内的一个交点,于是问题就转化为圆周上的 10 个点可以确定多少个不同的四边形,显然有 C410 个,所以圆周上有 10 点,以这些点为端点的弦相交于圆内的交点有 C410 个.

(2)某城市的街区有 12 个全等的矩形组成,其中实线表示马路,从 A 到 B 的最短路径有多少种?

解析:可将图中矩形的一边叫一小段,从 A 到 B 最短路线必须走 7 小段,其中:向东 4 段,向北 3 段;而且前一段的尾接后一段的首,所以只要确定向东走过 4 段的走法,便能确定路径,因此不同走法有 C47 种.

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