Комбинаторика

Рассмотрим следующую задачу.

Задача. 6 карточек пронумерованы числами 1, 2, 3, 4, 5, 6. Карточки наугад выкладываем в ряд. Сколько при этом можно получить различных шестизначных чисел?

Решение. Сначала слева направо пронумеруем места в ряду, куда выкладываем карточки: первое место, второе, третье, четвертое, пятое, шестое. На первое место можно положить одну из 6 карточек. Для этого есть 6 способов. В каждом из этих 6 способов на второе место можно положить одну из оставшихся 5 карточек. Таким образом, существует способов, чтобы положить карточки на первое и второе места. В каждом из этих 30 способов на третье место можно положить одну из оставшихся 4 карточек. Следовательно, существует способов, чтобы положить карточки на первое, второе и третье места. В каждом из этих 120 способов на четвертое место можно положить одну из оставшихся 3 карточек. Отсюда вытекает, что существует способов, чтобы положить карточки на первое, второе, третье и четвертое места. В каждом из этих 360 способов на пятое место можно положить одну из оставшихся 2 карточек. Следовательно, существует способов, чтобы положить карточки на первое, второе, третье, четвертое и пятое места. После этого у нас остается одна единственная карточка, которую мы и кладем на шестое место. Таким образом, при выкладывании карточек можно получить 720 различных шестизначных чисел. Ответ: 720.

Замечание 1. В задаче мы рассмотрели 6 пронумерованных карточек и установили, что количество способов выкладывания этих карточек в ряд равно 6!

Если бы у нас было пронумерованных карточек, то количество способов выкладывания их в ряд равнялось бы

Замечание 2. Каждое расположение пронумерованных карточек в ряд является перестановкой из элементов, к изучению которых мы сейчас и переходим.

Определение 1. Пусть - натуральное число. Рассмотрим произвольное множество, содержащее элементов. Говорят, что на этом множестве задано упорядочение (отношение порядка), если его элементы пронумерованы числами 1, 2, 3, …,.

Множество с заданным упорядочением называют упорядоченным множеством.

Определение 2. Рассмотрим множество, содержащее элементов. Перестановкой из элементов называют любое упорядочение этого множества.

Число перестановок из элементов обозначают символом

В соответствии с Замечанием 1, справедлива формула:

Замечание 3. Введенные в данном разделе перестановки называют также перестановками без повторений.

Размещения

Рассмотрим следующую задачу.

Задача. 9 карточек пронумерованы числами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Из этих карточек четыре наугад взятых карточки выкладываем в ряд. Сколько при этом можно получить различных четырехзначных чисел?

Решение. Сначала слева направо пронумеруем места в ряду, куда выкладываем карточки: первое место, второе, третье, четвертое.

На первое место можно положить одну из 9 карточек. Для этого есть 9 способов. В каждом из этих 9 способов на второе место можно положить одну из оставшихся 8 карточек. Таким образом, существует

способа, чтобы положить карточки на первое и второе места. В каждом из этих 72 способов на третье место можно положить одну из оставшихся 7 карточек. Следовательно, существует способа, чтобы положить карточки на первое, второе и третье места. В каждом из этих 504 способов на четвертое место можно положить одну из оставшихся 6 карточек. Отсюда вытекает, что существует различных способа, чтобы выложить в ряд 4 карточки из набора, состоящего из 9 пронумерованных карточек. Таким образом, при выкладывании карточек можно получить 3024 различных четырехзначных числа.

Ответ: 3024.

При решении задачи мы провели подсчет числа способов раскладывания карточек, который является частным случаем общего метода подсчета числа размещений и заключается в следующем.

Определение 1. Рассмотрим множество, содержащее элементов, и все его упорядоченные подмножества, содержащие элементов. Каждое из этих подмножеств называют размещением из элементов по элементов.

Если обозначить символом число размещений из элементов по элементов, то будет справедлива формула:

В соответствии с определением факториала, формулу (1) можно также записать в виде:

Сочетания

Пусть имеется n объектов (карандашей, конфет, бутылок — чего угодно), из которых требуется выбрать ровно k различных объектов. Тогда количество вариантов такого выбора называется числом сочетаний из n элементов по k. Это число обозначается C_n^k и считается по специальной формуле.

У бармена есть 6 сортов зеленого чая. Для проведения чайной церемонии требуется подать зеленый чай ровно 3 различных сортов. Сколькими способами бармен может выполнить заказ?

Тут все просто: есть n = 6 сортов, из которых надо выбрать k = 3 сорта. Число сочетаний можно найти по формуле:

В группе из 20 студентов надо выбрать 2 представителей для выступления на конференции. Сколькими способами можно это сделать?

Опять же, всего у нас есть n = 20 студентов, а выбрать надо k = 2 студента. Находим число сочетаний:

Обратите внимание: красным цветом отмечены множители, входящие в разные факториалы. Эти множители можно безболезненно сократить и тем самым значительно уменьшить общий объем вычислений.