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计数原理与排列组合:分层训练题库

这页不是为了刷题量,而是为了训练学生把计数过程讲清楚。每道题讲解时都要回答四件事:数的对象是什么,分类还是分步,有序还是无序,为什么不重不漏。

A. 两个计数原理

题 1:分类加法

从 4 本小说和 5 本科普书中选 1 本阅读,有多少种选法?

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选 1 本书可以分成两类:选小说或选科普书。两类互斥,所以用加法原理:

$$ 4+5=9. $$

题 2:分步乘法

某密码由 2 个大写字母和 1 个数字组成,字母从 A、B、C、D 中选,数字从 0 到 9 中选,允许重复,有多少个密码?

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密码由三个位置共同确定,所以分三步。第一个字母 $4$ 种,第二个字母 $4$ 种,数字 $10$ 种:

$$ 4\cdot4\cdot10=160. $$

题 3:无重复两位数

用数字 $1,2,3,4,5,6$ 组成无重复数字的两位奇数,有多少个?

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个位决定奇偶,所以先选个位。个位可为 $1,3,5$,有 $3$ 种;十位不能与个位重复,有 $5$ 种:

$$ 3\cdot5=15. $$

题 4:四位数

用数字 $0,1,2,3,4,5$ 组成无重复数字的四位数,有多少个?

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千位不能为 $0$,有 $5$ 种;百位还剩 $5$ 种;十位 $4$ 种;个位 $3$ 种:

$$ 5\cdot5\cdot4\cdot3=300. $$

题 5:路线问题

从甲地到乙地有 3 条路,从乙地到丙地有 4 条路;另有从甲地直接到丙地的 2 条路。从甲地到丙地共有多少种走法?

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分成两类:经过乙地,或不经过乙地。经过乙地时分两步,有 $3\cdot4=12$ 种;直接走有 $2$ 种。总数:

$$ 12+2=14. $$

B. 排列与组合

题 6:无序选人

从 9 人中选 4 人组成小组,有多少种选法?

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只关心选出哪些人,不关心顺序,所以是组合:

$$ C_9^4=126. $$

题 7:有序职位

从 9 人中选 4 人分别担任组长、副组长、记录员、汇报员,有多少种安排?

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四个职位不同,所以有顺序,是排列:

$$ A_9^4=9\cdot8\cdot7\cdot6=3024. $$

题 8:全排列

7 名学生站成一排,有多少种站法?

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7 个不同对象排成一列:

$$ 7!=5040. $$

题 9:三角形计数

平面上有 8 个点,任意三点不共线,可以构成多少个三角形?

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一个三角形由 3 个点确定,点的顺序不重要,所以:

$$ C_8^3=56. $$

题 10:圆桌排列

6 人围坐一张圆桌,旋转后视为同一种坐法,有多少种?

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圆排列固定一个人作为参照,其余 5 人排成一列:

$$ (6-1)!=120. $$

C. 特殊位置与数字排列

题 11:含 0 的偶数

用数字 $0,1,2,3,4,5$ 组成无重复数字的三位偶数,有多少个?

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先处理个位。

若个位为 $0$,百位有 $5$ 种,十位有 $4$ 种,共 $20$ 个。

若个位为 $2$ 或 $4$,有 $2$ 种;百位不能为 $0$ 且不能等于个位,有 $4$ 种;十位有 $4$ 种,共 $2\cdot4\cdot4=32$ 个。

总数:

$$ 20+32=52. $$

题 12:不在首位

5 人排队,甲不站在第一位,有多少种排法?

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用总数减反面。总排法 $5!$;甲站第一时其余 4 人任排,有 $4!$ 种:

$$ 5!-4!=96. $$

题 13:两人不在两端

6 人排队,甲、乙都不站在两端,有多少种排法?

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先安排两端,两端只能从另外 4 人中选并排列,有 $A_4^2$ 种。剩下 4 人排中间,有 $4!$ 种:

$$ A_4^2\cdot4!=12\cdot24=288. $$

题 14:首位限制密码

从 6 个不同字母中取 3 个排成密码,不允许重复,且第一个字母不能是 A,有多少种?

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总排列数为 $A_6^3$。第一个字母为 A 时,后两位从其余 5 个中排列,有 $A_5^2$ 种。故:

$$ A_6^3-A_5^2=120-20=100. $$

题 15:大于 5000

用数字 $1,2,3,4,5,6,7$ 组成无重复数字的四位数,且大于 5000,有多少个?

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千位必须为 $5,6,7$,有 $3$ 种。其余三位从剩下 6 个数字中排列:

$$ 3A_6^3=3\cdot120=360. $$

D. 相邻与不相邻

题 16:两人相邻

6 人排成一排,甲、乙必须相邻,有多少种?

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把甲乙捆成一个整体,与其余 4 人共 5 个单位排列,内部甲乙有 $2!$ 种:

$$ 5!\cdot2!=240. $$

题 17:两人不相邻

6 人排成一排,甲、乙不相邻,有多少种?

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总排法 $6!$。甲乙相邻按捆绑法有 $5!\cdot2!$ 种。所以:

$$ 6!-5!\cdot2!=720-240=480. $$

题 18:三名女生不相邻

5 名男生和 3 名女生排成一排,要求任意两名女生不相邻,有多少种?

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先排 5 名男生,有 $5!$ 种,形成 6 个空位。从 6 个空位中选 3 个放女生并排列,有 $A_6^3$ 种:

$$ 5!\cdot A_6^3=120\cdot120=14400. $$

题 19:三人全相邻

7 人排队,甲、乙、丙三人必须站在一起,有多少种?

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把甲乙丙捆成一个整体,与其余 4 人共 5 个单位排列,整体内部 $3!$ 种:

$$ 5!\cdot3!=720. $$

题 20:中间隔一人

6 人排成一排,甲、乙之间恰好隔 1 人,有多少种?

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甲乙所在位置必须形如 $(1,3),(2,4),(3,5),(4,6)$,共有 4 组。甲乙顺序有 2 种;中间那个人从另外 4 人中选;剩下 3 人任排:

$$ 4\cdot2\cdot4\cdot3!=192. $$

E. 分组分配与隔板法

题 21:正整数分配

10 个相同球分给 3 个不同盒子,每个盒子至少 1 个,有多少种分法?

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设三个盒子分别得到 $x_1,x_2,x_3$ 个,且 $x_i\ge1$,$x_1+x_2+x_3=10$。隔板法:

$$ C_{10-1}^{3-1}=C_9^2=36. $$

题 22:允许为空

10 个相同球分给 3 个不同盒子,允许某盒为空,有多少种分法?

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非负整数解 $x_1+x_2+x_3=10$ 的个数为

$$ C_{10+3-1}^{3-1}=C_{12}^2=66. $$

题 23:不同物品分配

8 本不同书分给甲、乙、丙三人,每本书必须分出,允许有人没有书,有多少种分法?

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每本书独立选择给甲、乙、丙中的一人,共

$$ 3^8=6561 $$

种。

题 24:每人至少一本

8 本不同书分给甲、乙、丙三人,每人至少一本,有多少种分法?

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用容斥。总数 $3^8$。某一人没有书时,每本书只能给另外 2 人,有 $2^8$ 种,共 $3\cdot2^8$。两人没有书时,所有书给同一人,有 $1$ 种,共 $3$ 种。故:

$$ 3^8-3\cdot2^8+3=6561-768+3=5796. $$

题 25:平均分成无标签组

6 个不同学生分成 3 个无标签小组,每组 2 人,有多少种?

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先依次选组:

$$ C_6^2C_4^2C_2^2. $$

但三个小组没有标签,组间顺序被重复计算了 $3!$ 次,所以:

$$ \frac{C_6^2C_4^2C_2^2}{3!}=\frac{15\cdot6\cdot1}{6}=15. $$

F. 正难则反与容斥

题 26:至少一女

6 名男生、4 名女生中选 4 人,至少有 1 名女生,有多少种?

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反面是全为男生:

$$ C_{10}^4-C_6^4=210-15=195. $$

题 27:整除计数

1 到 100 中,能被 2 或 5 整除的数有多少个?

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能被 2 整除有 $50$ 个,能被 5 整除有 $20$ 个,同时被 2 和 5 整除即被 10 整除有 $10$ 个。所以:

$$ 50+20-10=60. $$

题 28:相对顺序

5 人排队,甲必须在乙前面,有多少种?

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在所有 $5!$ 种排法中,甲在乙前和乙在甲前对称,各占一半:

$$ \frac{5!}{2}=60. $$

题 29:非空子集

含 6 个元素的集合有多少个非空子集?

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每个元素都有选或不选两种状态,共 $2^6$ 个子集。去掉空集:

$$ 2^6-1=63. $$

题 30:每盒不超过 3 个

7 个相同球分给 3 个不同盒子,允许为空,但每盒不超过 3 个,有多少种分法?

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先数非负整数解 $x_1+x_2+x_3=7$,共 $C_9^2=36$。

不合法情况是某个盒子至少 4 个。令 $y_i=x_i-4\ge0$,则剩余和为 $3$,对固定盒子有 $C_5^2=10$ 种。三个盒子共 $30$ 种。两个盒子同时至少 4 个不可能,因为总数只有 7。

所以合法数为

$$ 36-30=6. $$

G. 二项式定理

题 31:二项式系数

求 $(1+x)^8$ 中 $x^2$ 项的系数。

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通项为 $C_8^r x^r$。令 $r=2$,系数为

$$ C_8^2=28. $$

题 32:项的系数

求 $(2x-1)^5$ 中 $x^3$ 项的系数。

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通项为

$$ C_5^r(2x)^{5-r}(-1)^r. $$

令 $5-r=3$,得 $r=2$。系数为

$$ C_5^2\cdot2^3\cdot(-1)^2=80. $$

题 33:常数项

求 $\left(x+\frac1x\right)^{10}$ 的常数项。

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通项为

$$ C_{10}^r x^{10-r}\left(\frac1x\right)^r=C_{10}^r x^{10-2r}. $$

令 $10-2r=0$,得 $r=5$,常数项为

$$ C_{10}^5=252. $$

题 34:带负号的系数

求 $(1-2x)^6$ 中 $x^4$ 项的系数。

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通项为 $C_6^r(-2x)^r$。令 $r=4$,系数为

$$ C_6^4(-2)^4=15\cdot16=240. $$

题 35:系数和

求 $(2x-3)^5$ 展开式所有项系数之和。

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所有系数和等于把 $x=1$ 代入:

$$ (2\cdot1-3)^5=(-1)^5=-1. $$

题 36:奇偶项系数和

求 $(1+x)^6$ 中偶次项系数和与奇次项系数和。

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设偶次项系数和为 $E$,奇次项系数和为 $O$。

$$ E+O=f(1)=2^6=64, $$
$$ E-O=f(-1)=0. $$

所以

$$ E=O=32. $$

题 37:负指数常数项

求 $\left(x^2-\frac1x\right)^9$ 的常数项。

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通项为

$$ C_9^r(x^2)^{9-r}\left(-\frac1x\right)^r=C_9^r(-1)^r x^{18-3r}. $$

令 $18-3r=0$,得 $r=6$。常数项为

$$ C_9^6(-1)^6=84. $$

题 38:指定幂

求 $(x+2)^7$ 中 $x^5$ 项的系数。

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通项为

$$ C_7^r x^{7-r}2^r. $$

令 $7-r=5$,得 $r=2$。系数为

$$ C_7^2\cdot2^2=84. $$

题 39:先化简

求 $(1+x)^5(1-x)^5$ 中 $x^3$ 项的系数。

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先合并:

$$ (1+x)^5(1-x)^5=(1-x^2)^5. $$

展开式只含偶次幂,所以 $x^3$ 项系数为 $0$。

题 40:最大二项式系数

$(a+b)^9$ 展开式中最大的二项式系数是多少?

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当 $n=9$ 时,中间两项二项式系数最大:

$$ C_9^4=C_9^5=126. $$

H. 计数与古典概型

题 41:至少与恰好

从 5 名男生、3 名女生中任选 2 人,恰好 1 名女生的概率是多少?

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总选法为 $C_8^2$。恰好 1 女 1 男,有 $C_3^1C_5^1$ 种。所以概率为

$$ \frac{C_3^1C_5^1}{C_8^2}=\frac{15}{28}. $$

题 42:掷骰子

同时掷两枚均匀骰子,点数和为 7 的概率是多少?

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样本点按有序数对计算,共 $6\cdot6=36$ 个。和为 7 的有

$$ (1,6),(2,5),(3,4),(4,3),(5,2),(6,1) $$

共 6 个,概率为

$$ \frac6{36}=\frac16. $$

题 43:同色球

袋中有 4 个红球、6 个蓝球,不放回取 2 个,求取出的两球同色的概率。

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总取法为 $C_{10}^2$。同色分为两类:两个红球或两个蓝球:

$$ \frac{C_4^2+C_6^2}{C_{10}^2} =\frac{6+15}{45} =\frac7{15}. $$

题 44:顺序概率

5 张不同卡片随机排成一列,A 卡在 B 卡前面的概率是多少?

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在所有排列中,A 在 B 前与 B 在 A 前一一对应,数量相同,所以概率为

$$ \frac12. $$

题 45:四位偶数概率

从 $0,1,\ldots,9$ 中组成无重复数字的四位数,随机取一个,求它是偶数的概率。

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总数:千位 $9$ 种,其余三位依次 $9,8,7$ 种,所以总数为

$$ 9\cdot9\cdot8\cdot7=4536. $$

偶数分两类。

个位为 $0$:千位 $9$ 种,百位 $8$ 种,十位 $7$ 种,共 $504$ 个。

个位为 $2,4,6,8$:个位 $4$ 种,千位从 $1$ 到 $9$ 中除去个位,有 $8$ 种,百位 $8$ 种,十位 $7$ 种,共 $1792$ 个。

偶数总数为 $2296$,概率为

$$ \frac{2296}{4536}=\frac{287}{567}. $$

I. 表达与完整性训练

题 46:解释错误

有人说:“6 人排队,甲乙不相邻,只要把所有排法除以 2 就行。”这个说法为什么错?

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“除以 2”只适用于甲乙相对顺序对称这类等分情况。甲乙相邻与不相邻不是对称等量事件。

正确做法是总数减相邻:

$$ 6!-5!\cdot2!=480. $$

讲题时要说清楚:反面是甲乙相邻,相邻要捆绑。

题 47:为什么要乘 $3!$

从 8 人中选 3 人并排成一排,为什么是 $C_8^3\cdot3!$,而不是 $C_8^3$?

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$C_8^3$ 只决定哪 3 人被选中,没有决定站的顺序。题目要求“排成一排”,所以选出的 3 人内部还要排列,有 $3!$ 种。

因此总数为

$$ C_8^3\cdot3!=A_8^3. $$

题 48:为什么先看个位

用数字 $1,2,3,4,5,6$ 组成无重复三位偶数。讲题时为什么建议先选个位?

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偶数的限制完全由个位决定,所以个位是特殊位置,应优先处理。

个位可为 $2,4,6$,有 $3$ 种;百位剩 $5$ 种;十位剩 $4$ 种:

$$ 3\cdot5\cdot4=60. $$

题 49:为什么要除以 2

6 人平均分成两个无标签小组,每组 3 人,为什么是 $\frac{C_6^3}{2}$?

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先选出其中一组,有 $C_6^3$ 种,剩下 3 人自动成为另一组。但两个小组没有名字,选出 A 组和选出它的补集会表示同一种分组,所以每种分组被数了 2 次。

因此结果为

$$ \frac{C_6^3}{2}=10. $$

题 50:综合表达题

7 人排成一排,要求甲乙相邻,丙丁不相邻,有多少种排法?

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先处理甲乙相邻,把甲乙捆成一个整体,内部有 $2!$ 种顺序。

此时需要排列的单位是:甲乙整体、丙、丁、另外 3 人,共 6 个单位。要求丙丁不相邻,先用总数减丙丁相邻:

$$ 6!-5!\cdot2!=720-240=480. $$

再乘甲乙整体内部顺序:

$$ 480\cdot2=960. $$

作业建议

  1. 入门复习:A、B 两组各选 3 题。
  2. 模型训练:C、D、E、F 各选 2 题。
  3. 二项式专题:G 组全做。
  4. 概率衔接:H 组选 3 题。
  5. 费曼讲题:I 组至少讲 2 题,要求完整说出“为什么这样数”。