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排列与组合:有序、无序和先选后排

排列组合的分界线只有一句话:如果交换位置后算不同结果,就是排列;如果只关心选了哪些对象,不关心顺序,就是组合。

排列

从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个,按一定顺序排成一列,叫排列。排列数为

$$ A_n^m=n(n-1)\cdots(n-m+1)=\frac{n!}{(n-m)!}. $$

排列的本质是连续占位:第一个位置有 $n$ 种,第二个位置有 $n-1$ 种,直到第 $m$ 个位置。

组合

从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个,只看取出的集合,不看顺序,叫组合。组合数为

$$ C_n^m=\frac{A_n^m}{m!}=\frac{n!}{m!(n-m)!}. $$

组合可以理解为“先按顺序取,再除去内部 $m!$ 种排列重复”。

先选后排

很多题不是纯排列或纯组合,而是两步:

  1. 先选对象:用组合。
  2. 再安排位置:用排列。

例如从 8 人中选 3 人站成一排:

$$ C_8^3A_3^3=A_8^3. $$

两种写法等价,但“先选后排”更容易解释过程。

组合数性质

$$ C_n^m=C_n^{n-m}. $$

这表示“选出 $m$ 个”和“留下 $n-m$ 个”是一回事。

$$ C_n^m+C_n^{m-1}=C_{n+1}^m. $$

这表示从 $n+1$ 个元素中选 $m$ 个时,按某个特殊元素是否被选中分类。

最小例子

班里 10 人中选 3 人参加活动,有多少种选法?

查看解答

只关心哪 3 人被选中,不关心三人顺序,所以是组合:

$$ C_{10}^{3}=\frac{10\cdot9\cdot8}{3\cdot2\cdot1}=120. $$

表达检查

学生讲题时必须明确:

  1. 位置是否不同。
  2. 被选对象内部是否有顺序。
  3. 先选后排是否比直接套公式更清楚。
  4. 有没有把同一个选择重复计算。