解决排列组合问题的九种方法

排列组合是高中数学的重点和难点内容之一,也是求解概率问题的基础。排列组合问题不仅内容抽象、题型多样,而且解法灵活,不易掌握。解答排列组合问题时,要注意分析题型类别,抓住问题的本质,采取恰当的方法来处理问题。下面介绍求解排列组合问题的常用方法,供大家学习时参考。

一、为数不多问题枚举法

例1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?

分析先选出球号和盒子号相同的两个号码,有C25种选法,再将剩余的按照球号和盒子号都不同的条件一一枚举出来,结合分步计数原理求解即可。

解从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,所以剩下三个球只有2种装法,因此总共装法数为2C25=20种。

点评对于某些难以理解的排列组合问题,由于其结果数字不是很大,且不易用公式进行运算,此时利用枚举法(尤其是树***法)将其一一列举出来,会收到意想不到的结果。

二、复杂问题分类讨论法

点评解含有约束条件的排列组合问题,可按元素的性质进行分类,按事件发生的连续过程分步,做到标准明确。

三、特殊位置(元素)优先法

例3(2012年全国大纲卷・文7)6位选手依次演讲,其中选手甲不在第一个也不在最后一个演讲,则不同的演讲次序共有()

A.240种B.360种C.480种D.720种

分析本题可从元素进行分析,由于选手甲有特殊要求,所以可以先将甲的位置选定下来,再排剩余的5位选手的位置;亦可从位置进行分析,先从除甲以外的5个人当中选2人安排到第一个和最后一个位置,再排剩余的4个位置的人选。

解法1先排甲,有4种方法,剩余5人全排列有A55=120种,所以不同的演讲次序有4×120=480种,故答案选C。

解法2先从除甲以外的5个人当中选2人安排到第一个和最后一个位置,共有A25=20种方法,再将剩余的4人安排到中间4个位置,共有A44=24种方法,所以共有20×24=480种方法,故答案选C。

点评特殊位置优先法和特殊元素优先法是解决排列组合问题最常用、最基本的方法,若以元素分析为主,需先安排特殊元素,再处理其他元素。若以位置分析为主,需先满足特殊位置的要求,再处理其他位置。若有多个约束条件,往往是考虑一个约束条件的同时还要兼顾其他条件。

四、相邻问题捆绑法

分析将每个家庭的三个人捆在一起看成一个整体,从而9个人看成三个整体,同时考虑三个整体的排列和每个家庭内部的排列。

五、不相邻问题插空法

例55名成人带两个小孩排队上山,小孩不排在一起也不排在头尾,则不同的排法种数有()

A.A55・A24种B.A55・A25种

C.A55・A26种D.A77-4A66种

分析先排5个大人,再在大人中间的4个空隙中选2个将两个小孩安排进去。

解先排5个大人,有A55种排法;再排小孩,有A24种排法(插空法)。故有A24・A55种不同的排法,所以答案选A。

点评对于互不相邻问题,先排不受限制的元素,再把要求不相邻的元素插入这些元素的空间中,从而实现排列目标,这种方法就是插空法。它是解决元素不相邻问题的基本方法。

六、正难则反间接法

例6(2012山东省烟台市二模)甲、乙两人从4门课程中各选修2门,则甲、乙所选的课程中至少有1门相同的选法种数为_____(用数字作答)。

分析本题若从正面直接分类较为复杂,而其反面情况较少,于是可将甲乙两人所有的选法,减去两人所选两门都不同的选法。

解可先求出所有两人各选修2门的种数C24C24=36,再求出两人所选两门都不同的种数均为C24C22=6,故至少有1门相同的选法有36-6=30种。

点评从正面直接计算不复杂时就直接进行计算,若直接计算情况较为复杂时,可以先不考虑题设条件的限制求出方法数,再减去不符合条件的方法数即可求解,这就是间接法。这种思维方法在解题中有着广泛的应用。间接法主要适用于“至少”“至多”“并非”等类型的排列组合问题。

七、元素相同隔板法

例7有10个运动员名额,分给某校的高三7个班,每班至少一个名额,则不同的分配方案共有____种。

分析因为10个名额没有差别,欲将其分成7份,每份至少一个,可将它们排成一排,形成11个空隙,在中间9个空隙中选出6个插入6块隔板把它们隔开,即可把名额分成7个部分,对应分给7个班级,每一种插板方法对应一种分法,如下***所示。

解从9个空隙中选出6个插入6块隔板,共有C69=84种选法,故共有84种不同的分配方案。

点评相同元素的分配问题往往采取隔板法来处理。一般地,将n个相同的元素分成m份(n,m为正整数),每份至少一个元素,可以用m-1块隔板,插入n个元素排成一排的n-1个空隙中,所有分法数为Cm-1n-1。

八、顺序固定问题作除法

例8若把组成下列单词中的每个字母作各种排列,恰好有420种排法的单词是()

A.trousersB.successC.streetD.friend

分析因为相同的字母之间的排列与顺序无关,所以可先进行全排,再除以定序元素的全排,就可求出各选项中所含字母的排法。

解选项A中的排法为:A88A22A22=10 080种;选项B中排法为:A77A22A33=420种;选项C中排法为A66A22A22=180种;选项D中排法为:A77=5 040种。故答案选B。

点评解决某些元素位置固定的情况的一般思路是:先不考虑元素的限制,求出结果除以受限制元素的全排列数。本题中排列时相同字母之间是没有顺序的,可以看成固定顺序问题,利用这种相除法避免了分类带来的麻烦。

九、多排问题单排法

例98人排成前后两排,每排4人,其中甲乙在前排,丙在后排,共有多少种不同的排法?

分析原题可以转化为8个人排成一排,其中甲乙必须排在前4个位置中,而丙必须排在后4个位置中。

解8人排前后两排,相当于8人坐8把椅子,可以把椅子排成一排。先排前4个位置的特殊元素甲乙有A24种,再排后4个位置上的特殊元素丙有A14种,其余的5人在5个位置上任意排列有A55种,则共有A24A14A55种。

点评一般地,若把n个元素排成m排排列(n,m为正整数),可把每排首尾排成一排,对应每排的特殊要求,再分段考虑特殊元素,然后对其余元素作统一安排。

(作者单位:江苏省仪征市南京师范大学第二附属高级中学)

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