Тема 3.1. Элементы комбинаторики. Основные понятия и термины по теме: Формула бинома Ньютона. Треугольник Паскаля План изучения темы: 1. Формулы числа перестановок, сочетаний, размещений. 2. Решение комбинаторных задач. Формула бинома Ньютона. Свойства биномиальных коэффициентов. Треугольник Паскаля. Краткое изложение теоретических вопросов: Комбинаторика– раздел математики, в котором исследуется, сколько всевозможных комбинаций (вариантов), подчиненных тем или иным условиям их образования, можно составить из элементов данного множества. Важную роль в комбинаторике играет понятия факториал. Слово факториал произошло от латинского factor (делающий, производящий). Запомните! Факториал числа — это произведение натуральных чисел от 1 до самого числа (включая данное число). Обозначается факториал восклицательным знаком «!». Примеры: 3! = 1 · 2 · 3 = 6 6! = 1 · 2 · 3 · 4 · 5 · 6 = 720 Факториал определён только для натуральных чисел и нуля. Запомните! Факториал нуля и единицы это 1. 0! = 1 1! = 1 Термин факториал ввел в 1800 году францзузский математик Аргобаст Луи Франсуа Антуан. Обозначение «n!» придумал чуть позже немецкий математик Кристиан Крамп в 1808 году. Интересные факториалы проверьте сами: 145 = 1! + 4! + 5! = 1 + 24 + 120 = 145 40 585 = 4! + 0! + 5! +8! + 5! Для того, чтобы узнать количество комбинаций, обладающих определенными свойствами, можно сначала перечислить их и затем пересчитать. В большинстве случаев такой способ определения комбинаций занимает много времени, поэтому в комбинаторике, которая обслуживает теорию вероятностей, рассматривают несколько видов комбинаций: перестановки, размещения и сочетания. Эти виды комбинаций можно пересчитать по специальным формулам или с помощью основных правил комбинаторики, т.е. без непосредственного перечисления вариантов. Правило суммы. Если элемент первого типа можно выбрать k1 способами, элемент второго типа – k2 способами, …, элемент s-ого типа – ks способами, то один элемент можно выбрать k1 + k2 + … + ks способами. Правило произведения. Если элемент первого типа можно выбрать k1 способами, элемент второго типа – k2 способами, …, элемент s-ого типа – ks способами, то выбрать по одному элементу каждого типа можно k 1 × k2 × … × ks способами. Пример 1. В мешке 6 груш, 4 яблока, 3 киви и 7 мандаринов. Сколькими способами можно выбрать один фрукт? Решение. По правилу суммы: 6 + 4 + 3 + 7 = 20 способами. Пример 2. На каникулы школьник получил задание: выучить доказательство любой из шести теорем, прочитать один из семи романов, написать сочинение по одной из четырех тем. Сколькими способами можно выполнить задание? Решение. По правилу произведения: 6 × 7 × 4 = 168 способами. Определение 1. Размещениями без повторений называют упорядоченные k-элементные подмножества n-элементного множества, содержащие различные элементы. Их количество обозначают символом 𝐴𝑘𝑛 (буква А от французского слова arrangement – размещение). Определение 2. Размещениями с повторениями называют всевозможные упорядоченные k-элементные подмножества n-элементного множества. Их количество обозначают символом 𝐴⃐𝑘𝑛 . Теорема 1. Число размещений без повторений (с повторениями) вычисляется по 𝑛! формуле 𝐴𝑘𝑛 = (𝑛−𝑘)! = 𝑛 ∙ (𝑛 − 1) ∙ ⋯ ∙ (𝑛 − 𝑘 + 1), ( 𝐴⃐𝑘𝑛 = 𝑛𝑘 ) Всякий упорядоченный набор имеющий k элементов, взятых из наперед заданных n элементов без повторений, будем называть размещением из n по k. Математически, такое размещение обозначается следующим образом: 𝐴𝑘𝑛 . Введем далее формулу для нахождения значения такого размещения в виде теоремы. Значение размещения из n по k находится следующим образом: 𝐴𝑘𝑛 = 𝑛! (𝑛−𝑘)! Пример: В вагоне метро свободно четыре посадочных места. На станции в него зашло 3 человека. Сколькими способами они могут разместиться сидя в этом вагоне? Решение. Здесь нам нужно разместить три человека на четыре свободных сидячих места. Значит, эта задача на нахождение размещения из четырех по три. Получим : 4! 𝐴34 = (4−3)! = 24 Ответ: 24. Перестановки Всякий упорядоченный набор имеющий n элементов, взятых из наперед заданных n элементов без повторений, будем называть перестановкой из n. Математически, такая перестановка обозначается следующим образом: 𝑃𝑛 . . Введем далее формулу для нахождения значения такой перестановки в виде теоремы. Значение перестановки из n находится следующим образом: 𝑃𝑛 = 𝑛! Пример: Нам нужно повесить на доску три объявления на три свободных места. Сколькими способами мы можем повесить эти три объявления? Решение. Здесь нам нужно разместить три объявления на столько же свободных мест. Значит, эта задача на нахождение перестановок из трех. Получим P3=3!=6 Ответ: 6. Всякий неупорядоченный набор имеющий k элементов, взятых из наперед заданных n элементов без повторений, будем называть сочетанием из n по k. Математически, такое сочетание обозначается следующим образом: 𝐶𝑛𝑘 𝑛! Считается по формуле: 𝐶𝑛𝑘 = (𝑛−𝑘)!𝑘! Пример: В корзине лежат 12 разных зерен для высадки цветов. Нам нужно посадить всего 4. Сколькими способами мы можем выбрать, какие посадить? Решение. Здесь, по сути, нам просто нужно вытащить из корзины 4 наугад попавшиеся зерна. То есть здесь мы имеем дело с сочетанием из 12 зерен по 4. 𝑛! 12 Получаем: 𝐶𝑛𝑘 = (𝑛−𝑘)!𝑘! = (12−4)!4! = 495 Ответ: 495.
