计数原理

前言

一、计数原理

  • 分类加法计数原理:(N=m_1+m_2+cdots m_n)

  • 分步乘法计数原理:(N=m_1 imes m_2 imescdots imes m_n)

  • 区别:加法原理中,各种方法相互独立,用其中任何一种方法都可以完成这件事;乘法原理中各个步骤中的方法是相互依存的,只有各个步骤都完成才能做完这件事;

二、解题策略:

①分清要完成的事情是什么,具体题目中需要我们认真分析确定。

②分清完成该事件是分类完成,还是分步完成;

③有无特殊条件的限制;

④检验是否有重复或遗漏。

二、廓清关系

  • 计数原理和排列组合的关系

计数原理统管排列组合,排列组合简化计数原理的步骤。

如5人排成一排,应该用乘法计数原理,(Delta;;Delta;;Delta;;Delta;;Delta)

位置1有5种(或(C_5^1)),位置2有4种(或(C_4^1)),位置3有3种(或(C_3^1)),

位置4有2种(或(C_2^1)),位置5有1种(或(C_1^1));

故共有不同的排列方法(N=5 imes 4 imes 3 imes 2 imes 1=120)种,

(N=C_5^1 imes C_4^1 imes C_3^1 imes C_2^1 imes C_1^1=120)种,

但如果有了排列的模型,就可以简化为(N=A_5^5=120)种。

三、典例剖析

例1

乘积((a_1+a_2)(b_1+b_2+b_3)(c_1+c_2+c_3+c_4)(d_1+d_2+d_3+d_4))的展开式中共有不同的项的个数为_____个。

分析:使用分步乘法计数原理,$N=C_2^1cdot C_3^1cdot C_4^1cdot C_4^1=96 $个。

引申例((x^2+2x+3y)^5)的展开式中,含(x^5y^2)的项的系数是多少?

法1:将三项式转化为二项式的形式来处理。

((x^2+2x+3y)^5=[(x^2+2x)+3y]^5),其通项公式为(T_{r+1}=C_5^r(x^2+2x)^{5-r}(3y)^r)

由此式可知令(r=2),则有(T_{2+1}=C_5^2(x^2+2x)^{5-2}(3y)^2=9C_5^2(x^2+2x)^3y^2)

以下确定(x)的次数,再令((x^2+3x)^3)的通项公式为(T_{k+1}=C_3^k(x^2)^{3-k}(2x)^k=2^kC_3^kx^{6-k})

由此式可知令(k=1),则(T_{1+1}=C_3^1(x^2)^{3-1}(2x)^1=2 imes3 x^5)

故含有(x^5y^2)的项的系数应该是(9C_5^2 imes2 imes3=540).

法2:排列组合法,

((x^2+2x+3y)^5=(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y)(x^2+2x+3y))

先分析(x^5y^2)的项的构成方式,在本题中,只能是2次(x^2),1次(x),2次(y)构成,

故按照多项式乘法法则可知,我们可以先从5个因式中任意选取二个有(C_5^2)种,在取出的这个因式种只选取项(x^2)

然后再从剩余的3个因式中任意选取一个有(C_3^1)种,在取出的这个因式中只选取项(2x)

最后将剩余的2个因式全部选取,有(C_2^2)种,在取出的每个因式种只选取项(3y)

故有(C_5^2cdot x^2 cdot x^2 cdot C_3^1cdot 2xcdot C_2^2cdot 3ycdot 3y)

(=C_5^2cdot C_3^1cdot C_2^2cdot 2cdot 9cdot x^5y^2=540x^5y^2)

例2

【映射个数和函数个数模型】给定集合(A={1,2,3}),集合(B={a,b,c,d}) ,求映射(f:A ightarrow B)的个数和映射(f:B ightarrow A)的个数。

分析:依据映射的概念,映射(f:A ightarrow B)需要给集合(A)中的每一个元素(原像),都找一个确定的对应对象(像)。

此时注意,原像必须有与之对应的唯一的像,但是像不一定必须有原像和她对应。

我们分步完成:先给元素(1)分配对象,每次取一个有(a、b、c、d)四种选择;

再给元素(2)分配对象,每次取一个也有(a、b、c、d)四种选择;

最后给元素(3)分配对象,每次取一个也有(a、b、c、d)四种选择,

允许出现元素(1、2、3)都对应到元素(a)上而其他元素没有原像与之对应的情形出现;

利用乘法原理,映射(f:A ightarrow B)共有(4 imes 4 imes4=4^3)个,即((cardB)^{cardA})个。

同理,映射(f:B ightarrow A)共有(3^4)个,即((cardA)^{cardB})个。

【引申】:若集合(B)为数集,则能构成的函数(f:A ightarrow B)共有(4 imes 4 imes4=4^3)个,

能构成的函数(f:B ightarrow A)共有(3^4)个,若集合(B)不为数集,则所求的函数个数都是(0)个。

原因是:函数是非空数集到非空数集的映射。

例3

(x)(y)是两个正整数,则满足(x+yleq 10)的数对((x,y))的个数有多少?

分析:使用分类计数原理,

(x=1)时,(y=1,2,3,4,5,6,7,8,9),有数对9个;

(x=2)时,(y=1,2,3,4,5,6,7,8),有数对8个;

同理可得,当(x=3,4,5,6,7,8,9)时分别有数对(7,6,5,4,3,2,1)个,

根据加法计数原理,共有数对(9+8+cdots 2+1=45)个。

例4

正整数(180)的正约数的个数有_____________个。

分析:(180=2^2 imes 3^2 imes 5),其正约数的构成是(2^icdot 3^jcdot 5^k)形式的数,其中(i=0,1,2)(j=0,1,2)(k=0,1),故其不同的正约数有(3 imes 3 imes 2=18)个。

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