隔板法题型整理

参考博文:「隔板法」详解

理解隔板法

隔板法就是在 (n) 个元素间的 (n-1) 个空插入 (k-1) 个板子,把 (n) 个元素分成 (k) 组的方法。方案数为 (mathrm{C}_{n-1}^{k-1})

应用隔板法必须满足的 3 个条件:

  1. (n) 个元素是相同的
  2. (k) 个组是互异的
  3. 每组至少分得一个元素

例如,把 10 个相同的球放入 3 个不同的箱子,每个箱子至少一个,有 (mathrm{C}_9^2) 种情况。

隔板法应用

普通隔板法

例 1. 求方程 (x+y+z=10) 的正整数解的个数。

分析:将 (10) 个求排成一排,球与球之间形成 (9) 个空隙,将两个隔板插入这些空隙中(每空至多插一块隔板),规定由隔板分成的左、中、右三部分的球数分别为 (x)(y)(z) 的值,则隔板法与解的个数之间建立了一一对应关系,故解的个数为 (mathrm{C}_{n-1}^{ m-1} = mathrm{C}_9^2 = 36)

增减元素隔板法

例 2. 求方程 (x+y+z=10) 的非负整数解的个数。

分析:注意到 (x)(y)(z) 可以为零,故例 1 解法中的限定「每空至多插一块隔板」就不成立了,怎么办呢?只要预先给 (x)(y)(z) 各添加一个球,这样原问题就转化为求 ((x+1)+(y+1)+(z+1)=13) 的解的个数了,则问题就等价于把 (13) 个相同小球放入 (3) 个不同箱子,每个箱子至少一个,方案数为 (mathrm{C}_{n+m-1}^{m-1}=mathrm{C}_{12}^2=66)

例 3. 把 (10) 个相同的小球放到 (3) 个不同的箱子,第一个箱子至少 (1) 个,第二个箱子至少 (3) 个,第 (3) 个箱子可以为空,有几种情况?

我们可以在第二个箱子先放入 (10) 个小球中的 (2) 个,小球剩 (8) 个放 (3) 个箱子,然后在第三个箱子放入 (8) 个小球之外的 (1) 个小球(即补充了一个球),则问题转化为把 (9) 个相同小球放 (3) 不同箱子,每箱至少 (1) 个,几种方法?(mathrm{C}_8^2=28)

也可转化为例 2 的形式,即求方程 (x+y+z=10) ((xge 1,yge 3,zge 0)) 的整数解的个数。构造新变量 (a=y-2, b=z+1),现在 (x,a,b)(ge 1) 了,因此可以运用隔板法。原方程化为 (x+a+b=10-2+1=9),隔板法求得方案数 (mathrm{C}_{9-1}^{2-1}=mathrm{C}_8^2=28)

例 4. 将 20 个相同的小球放入编号分别为 1,2,3,4 的四个盒子中,要求每个盒子中的球数不少于它的编号数,求放法总数。

分析:先在编号 (1,2,3,4) 的四个盒子内分别放 (0,1,2,3) 个球,剩下 (14) 个球,再把剩下的球分成 (4) 组,每组至少 (1) 个,由例 (1) 知方法有 (mathrm{C}_{13}^3=286)(种)。

添板插板法(添加盒子法)

例 5. 有一类自然数,从左往右的第三个数字开始,每个数字都恰好是它左边两个数字之和,直至不能再写为止,如 1459,58,21369 等。这类数共有几个?

分析:因为前 2 位唯一确定了整个序列,只要求出前两位的所有情况即可,设前两位为 (a)(b)

显然 (a + b le 9),且 (a) 不为 (0),但 (b) 可以为 0(例如 202246)。这里恼人的地方在于这个不等号,(a+b) 的总数是不确定的。怎么办?

这里可以构造第三个盒子 (c) 来放剩下的球,即 (a+b+c=9) ((age1,bge0,cge0))。老套路,转化为 (a+(b+1)+(c+1)=11),使得(egin{cases} age1 \ (b+1)ge1 \ (c+1)ge1 end{cases})

题目等价于,11 个球放入 3 个不同的箱子,每个箱子至少放一个,(mathrm{C}_{10}^2)

选板法

例 6. 有 10 粒糖,如果每天至少吃一粒(多不限),吃完为止,求有多少种不同吃法?

分析:o_o_o_o_o_o_o_o_o_o(o 代表 10 个糖,_ 代表 9 个空)

所以 10 块糖,9 个空,插入 9 块隔板,每个板都可以选择放或不放,相邻两板间的糖一天吃掉,这样共有 (2^9=512) 啦。

分类插板法

例 7. 小梅有 15 块糖,如果每天至少吃 3 块,吃完为止,那么共有多少种不同的吃法?

分析

此问题不能用插板法的原因在于没有规定一定要吃几天,因此我们需要对吃的天数进行分类讨论。显然最多吃 5 天,最少吃 1 天。

  1. 吃 1 天或是 5 天,各一种吃法,一共 (2) 种情况
  2. 吃 2 天,每天预先吃 2 块,即问 11 块糖,每天至少吃 1 块,吃 2 天,几种情况? (mathrm{C}_{10}^1=10)
  3. 吃 3 天,每天预先吃 2 块,即问 9 块糖,每天至少 1 块,吃 3 天?(mathrm{C}_8^2=28)
  4. 吃 4 天,每天预先吃 2 块,即问 7 块糖,每天至少 1 块,吃 4 天?(mathrm{C}_6^3=20)

所以一共是 (2+10+28+20=60) 种。

*逐步插板法

实际上是逐步插空法,属于插空而不是插板法。

例 8. 在一张节目单中原有 6 个节目,若保持这些节目相对次序不变,再添加 3 个节目,共有几种情况?

分析:可以用一个节目去插 7 个空位,再用第二个节目去插 8 个空位,用最后个节目去插 9 个空位,所以一共是 (mathrm{C}_7^1 mathrm{C}_8^1 mathrm{C}_9^1=504) 种。

综合例题

(n) 个不同的盒子,在每个盒子中放一些球(可以不放),使得总球数不大于 (m),求方案数。

分析:总球数 (le m),所以我们可以增加一个盒子放 (m) 个球中没被选中的球。所以题目等价于 (m) 个球放入 (n+1) 个盒子中,盒子有里球数可以为 (0),添元素插板法,每一个盒子都增加一个球,即 (m+n+1) 个球放入 (n+1) 个盒子,(mathrm{C}_{m+n}^n) 为答案。

原文地址:https://www.cnblogs.com/1024th/p/12897359.html