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《同中学生谈排列组合》苏淳 读书札记

引:“我们要把厚书读薄,再把薄书读厚.”
进一步的系统化将在读完这本书后,以表格或者思维导图的形式出现.


一、乘法原理

乘法原理讨论分阶段办事过程中的计数问题.

用集合论观点解释:
把分阶段进行的事情看作一种多重选取过程,每一个过程都是自某个集合挑选一个元素,然后考虑有多少种不同的挑选方式.

【应用】数的整除,因数分解问题

【例3】2160的正约数个数.
2160 = 2^4 * 3^3 * 5^1
则任意约数形式为2^i * 3^j * 5 ^k (0<=i<=4, 0<=j<=3, 0<=k<=1)
所以约束个数为(4+1)(3+1)(1+1)=32.

【例5】从题目中抽象出模型.

【例6】 一个结论:[u,v]=n, 令n的因子r的个数为n(r),有k个因子.
则符合要求的数对个数为 (2n(r)+1)*..*(2n(r)+1).
需要注意的是最大公约数,是去两数某因子的最大值.

【例7】补集思想.(排除法)
在整除性问题中,确定前n-1位,然后分类讨论第n位的情况.

【例8】看了,未懂.


二、重复排列

【定义】如果在同一个n阶集合(有n个元素)中依次进行k次选取,而且选过的元素还可以再选,则一共有n^k中不同的选取方式(即重复排列方式).

【应用】空间解析几何、集合子集性质的讨论

【例5】立方体{(x,y,z):0<=x,y,z<=a}顶点坐标.

证 显然每个顶点(x,y,z)的三个坐标都是集合{0,a}的元素,所以共有2^3个不同的顶点.坐标略.

【例6】在三维欧氏空间给出9个格点(坐标值为整数),求证其中必有两点中点坐标为格点.

证 若两点A(x1,y1,z1)和B(x2,y2,z2)的中点为格点,必有x1和x2,y1和y2,z1和z2和为偶数,即两者奇偶性相同.
考虑考虑欧氏空间格点奇偶性情况可知,每个坐标值都是{奇数,偶数}中一个元素,所以格点有8种不同的奇偶性.从而,原命题由抽屉原理可证.


【例7】n阶集合共有2^n个子集,2^n-1个真子集.

【例9】棋盘问题,从左下角走到右上角,n+1行,m+1列,求证f(m,n)<=2^(mn).

证 道路将城市分成mn个方块,而路线又将方块分成两个子集(其中一个可能为空),显然不同子集个数为2^(mn).即f(m,n)<=2^(mn),当且仅当m=n=1时等号成立.

三、排列

【定义】从n个不同的元素中有次序地选取k(1<=k<=n)个,叫做从n个不同元素中取出k个元素的一个排列.

【应用】组数问题中的“无重复数字”问题.

【例4】利用补集思想处理无重复数字问题.考虑不参加组数的数字整除情况和所有数字整除情况(联系1.7)

【例5】逐位讨论.

【例7】注意到k个数字取自不同行列(联想皇后问题),所以子集个数为k!,每个子集的和分行列讨论,累加即可.

【例10】有2n个人参加收发电报培训,每两人结为一对互发互收,有多少种不同的结对方式.(搭配问题)

解 (2n-1)(2n-3)...3*1=(2n)!/(2^n*n!)
需要注意的是求和使用的思想: 先求出全部数的积,然后去掉里面的偶数.也是一种间接的方法.

四、加法原理

【集合的分划】
若把一个集合B分成一些子集B1,B2,...,Bk,使得
(i)B1∪B2∪...∪Bk = B;
(ii)B1∩B2=∅ ,...,Bk-1∩Bk=∅.

满足这两条性质的子集B1,B2,...,Bk,叫做B的一个分划.

【定义】 |B|=|B1|+|B2|+...+|Bk| 加法公式
这种通过分划计数的原理叫做加法原理.

【例1】现有长度分别为1,2,...,n的细木棍各一根,可以以它们为边构成多少种不同的三角形?

解 以c的长度对这些三角形分类,将c=k的三角形集合记做Bk,则构成了集合B的一个分划.
在Bk中,三角形三边分别为a<b<k,其中k为定值,于是可将(a,b)对应于平面中的格点.通过限制条件a<k,b<k,a+b>k我们可以知道,符合条件的格点在a=b,a+b=k,b=k三条直线围成的三角形内,
所以若k为偶数,有|Bk|=1/4*(k-2)^2
若k为奇数,有|Bk|=1/4(k-1)(k-3)
从而可以求得|B|.(二阶等差数列求和不熟)

【例2】求方程x^2-[x]^2=(x-x[x])^2在区间[1,n]中根的数目.

将区间[k,k+1)中根的集合记做Bk.
若x∈[k,k+1),记k=[x],p=x-[x](0<=p<1),可得2kp=[2kp+p^2].
显然等式两边为整数,所以p=0,1/2k,...,2k-1/2k,故而|Bk|=2k。
由加法原理可知,|B|=n^2-n+1

五、带限制条件的排列问题

(i) 间接方法
【排除法】先假定不存在限制条件,求出所有情况的数目;再考虑受到限制条件,而不允许出现的情况数目.

(ii) 直接方法
【优限法】优先解决受限对象(受限对象或受限元素)的安置,然后再考虑一般对象的安置问题.

【插入法】首先安排一般元素,然后将首先元素插入到允许的位置上.(某些元素相邻或者不相邻)

【视一法】首先要把要求相邻排列的元素看成一个整体,同其他元素一同排列,然后再考虑这个整体内部的元素间的排列问题.

【例8】10个节目中有6个演唱,4个舞蹈,要求每两个舞蹈之间至少安排一个演唱.

解 反过来看问题,原命题等价于在任意两演唱(边界情况的话一个)中安排或不安排一个舞蹈,而这样的可能位置共7个.所以共6!*P(7,4)种顺序.

六、组合

【定义】从n个不同物件中无次序地(不计顺序地)选取k个,叫做从n个物件中选k个的一个组合.
如果考虑k个物件的选取顺序,可得P(n,k)=C(n,k)*k!
从而得到组合的计算公式C(n,k)=n!/k!(n-k)!

(i)C(n,n-k)=C(n,k)
(ii)C(n,k)+C(n,k-1)=C(n+1,k)

posted on 2010-09-20 21:57 Climber.pI 阅读(747) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 数学读书笔记


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