排列数与组合数-组合数学

排列数(C)与组合数(A)

排列数A^m_n指的是在n个数中每次选取m不同的数 排列 的方案的数量(m<=n),例如:A^{3}_{2} :有以下6种不同的排列:(1,2),(1,3),(2,1),(2,3),(3,1),(3,2)。

组合数C^m_n指的是在n个数中每次选取m个不同的数的 组合 的方案和数量(m<=n),例如:C^3_2:有一下3种不同的组合:(1,2)(或者2,1),(1,3)(或者3,1),(2,3)(或者3,2)。

排列数A^m_n的公式为A^m_n=\frac{n!}{(n-m)!}

组合数C^m_n的公式为C^m_n=\frac{n!}{m!(n-m)!}

注意,!是一个运算。例如n!表示1*2*3*...*n,表示从1乘到n,但注意,0!=1(定义,不是公理)。(“ * ”是相乘的意思)。

有两个基本原理是排列与组合的基础:它们是加法原理乘法原理

加法原理:做一件事,完成它可以有n类方法(也就是说只允许完成一种方法),在第一类办法中有m_1不同的方法,第二类方法中有m_2不同的方法,……,第n类方法中有m_n不同的方法。那么,完成这件事一共有m_1+m_2+......m_n不同的方法

乘法原理:做一件事,完成它需要完成n个步骤,做第一步时有m_1不同的方法去完成它,做第二步时有m_2不同的方法取完成它,做第三步时……到做第n步时,有m_n不同的方法去完成它。那么,完成这件事一共有m_1*m_2*.....*m_n不同的方法

如果需要更加清晰的带图的解释请在评论区留言,我会抽时间补充解释的,但现在假装你们懂了。。。

那我们开始解释这两个公式。

先解释排列数:

首先理解排列是什么意思:

排列:从n个不同元素中任意取出m个元素(m<=n)(不能重复),按照一定的顺序排成一列,叫做从n个不同元素中取出m个元素的一个排列。那么从排列的意义可知,如果两个排列相同,必须是排列的顺序、排列的元素都相同。

顺便回个头看看排列数的定义:从n个不同元素中取出m个元素(m<=n)的所有不同排列个数

再来理解一下分子n!是什么意思:

n!,运用了乘法原理,表示这n个数的全排列的数量。(全排列:当m=n时的排列)。

全排列的数量为什么是“n!” ?

证明:首先我们在待放入n个数的空排列中放入第一个元素1。此时仅有一种排列那就是1。第二步,我们在这个只有一个元素的排列中放入第二个元素2,可以发现,第二个元素有2个位子可以放入,分别是1左边或1右边,得到两个排列(2,1)和(1,2)。第三步,我们放入元素3,可以发现,我们有第三个元素有3个位子可以放入(每一个排列的左边,中间,右边),在上一次的两种排列中,那两种排列每一个排列都有三种情况可以放置元素3。因为第二次放置的时候得出的两个排列是完全不同的,所以我们可以得到在第三次放入后不同的排列一共有3+3也就是2*3=6种完全不同排列。放入元素4的时候同理,答案为6+6+6+6即6*4即2*3*4种不同的全排列,相当于1*2*3*4也就是4!......到n时同理。(疏通一下思路:当前的每一种排列都是由上一种排列而来的,而第一种排列为1(特指全排列))证毕。(不要问我为什么我要在完全不同上加粗写红字,因为它非常重要)

再来解释分母(n-m)!  :

n-m得到的数字是选取了m个数字后剩余的数字。那么,它的意思很明显了,就是把n!这个全排列的方案数变成只有m个数字的排列的方案数(有空我会再来写一下为什么这样(可怜一下我这个作业都没写完的初中生吧)。自己证明了最好)。

那么好了,A^m_n=\frac{n!}{(n-m)!}就表示为了从n个数中选取m个数的不同排列的数量了。

再来瞄一眼组合数:

组合数的公式C^m_n=\frac{n!}{m!(n-m)!}和排列数公式A^m_n=\frac{n!}{(n-m)!}差不多,只不过组合数的分母多乘了m!。

再来一下组合的定义吧:在n个不同元素中,任取m个元素(m<=n)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。

从组合的定义可知:如果两个组合不相同,必须要满足两个组合内的元素不相同,而此时,当两个组合内的元素顺序不同时,我们任把这两个组合看成相同组合。

再来谈谈组合数的定义:从n个不同元素中取出m个元素(m<=n)个元素的所有不同组合个数

现在,让我们从公式入手:C^m_n=\frac{n!}{m!(n-m)!}。可以看出来,组合数的公式只和排列数的公式多了一个m!。不过你有可能会问了,为什么组合数要多除以1个m!呢?这就跟组合的定义有关了。组合不像排列,在排列中排列不同元素就是不同的排列,而在组合中排列不同的元素是相同的组合。多除以了m!相当与把这个A^m_n中的重复组合的序列去掉只留下一个得到C^m_n

理理思路:组合数其实是排列数的一个变式,所以我\frac{n!}{(n-m)!}不解释了(算了还是说一下这表明了n个数中选取m个数的不同排列的数量),除以m!后相当与把其中拥有相同元素的排列放进了回收站去掉只留下一个。

所以,C^m_n=\frac{n!}{m!(n-m)!}就表示从n个不同元素中取出m个元素(m<=n)个元素的所有不同组合个数

补充一下:

我们可以这样理解排列数:在我们求出组合数C时,好比求处了有m个数的组合的一个组合,在将组合数C*m!,相当于将这m个数排列一下。

总结一下:

组合数学的内涵很深,我在这里仅仅普及了一下这玩意而已。后续几天,我会专门抽时间分析此类问题。

 

 

 

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