跳到正文
组合计数 · 第 2 章

组合

当顺序无关紧要时,先数有顺序的选法,再除掉重复的次数:这就是“选”。

你需要先会
在 YouTube 上打开
2.10%

组合基础

在本节中,你将能够 数出不计顺序的选法:把有顺序的选法数除以 k!。

考试前,你从一盒 6 支铅笔里抓了 3 支。先拿红色再拿蓝色,和先拿蓝色再拿红色,抓到的都是同样的 3 支铅笔。 那么一共有多少种不同的抓法?

在第 1 章里,顺序很重要。现在顺序不重要了。窍门是:先数出有顺序的选法,再除以每一组的排序方法数。 这个数就是 k!k!。

注意:从 6 样东西里选 2 样留下,就等于从中选 4 样放弃。

动手探索先玩,再学公式

从 5 个球中按顺序选 3 个:60 种有序选法;每组出现 6 次

总数 n5
选 k 个3
ABC
ABD
ABE
ACB
ACD
ACE
ADB
ADC
ADE
AEB
AEC
AED
BAC
BAD
BAE
BCA
BCD
BCE
BDA
BDC
BDE
BEA
BEC
BED
CAB
CAD
CAE
CBA
CBD
CBE
CDA
CDB
CDE
CEA
CEB
CED
DAB
DAC
DAE
DBA
DBC
DBE
DCA
DCB
DCE
DEA
DEB
DEC
EAB
EAC
EAD
EBA
EBC
EBD
ECA
ECB
ECD
EDA
EDB
EDC
5 × 4 × 3 = 60 种有序选法

从 5 个中按顺序选 3 个:60 种有序选法

认识概念

定义 2.1.1

组合是一组物体的一种选法,其中物体的顺序不重要。

注 2.1.2

通常,排列、顺序有关 等说法意味着这是一个排列问题;而 选、挑选、不计顺序 等说法意味着这是一个组合问题。

定理 2.1.3 · 组合数公式

从 nn 个物体中选出 kk 个,方法数是

(nk)=n!k! (n−k)!=n(n−1)(n−2)⋯(n−k+1)k!.\binom{n}{k} = \frac{n!}{k!\,(n-k)!} = \frac{n(n-1)(n-2)\cdots(n-k+1)}{k!}.

注 2.1.4

注意:

(nk)=(nn−k).\binom{n}{k} = \binom{n}{n-k}.

这是因为,选出要放进你的选择里的 kk 个物体(左边),就等于选出不放进你的选择里的 n−kn-k 个物体(右边)。例如,

(62)=(64).\binom{6}{2} = \binom{6}{4}.

看例题先预测,再揭晓

例 2.1

从 6 支不同的铅笔中选出 3 支,有多少种选法?

从 6 支铅笔中按顺序选 3 个:120 种有序选法;每组出现 6 次

总数 n6
选 k 个3
P1P2P3
P1P2P4
P1P2P5
P1P2P6
P1P3P2
P1P3P4
P1P3P5
P1P3P6
P1P4P2
P1P4P3
P1P4P5
P1P4P6
P1P5P2
P1P5P3
P1P5P4
P1P5P6
P1P6P2
P1P6P3
P1P6P4
P1P6P5
P2P1P3
P2P1P4
P2P1P5
P2P1P6
P2P3P1
P2P3P4
P2P3P5
P2P3P6
P2P4P1
P2P4P3
P2P4P5
P2P4P6
P2P5P1
P2P5P3
P2P5P4
P2P5P6
P2P6P1
P2P6P3
P2P6P4
P2P6P5
P3P1P2
P3P1P4
P3P1P5
P3P1P6
P3P2P1
P3P2P4
P3P2P5
P3P2P6
P3P4P1
P3P4P2
P3P4P5
P3P4P6
P3P5P1
P3P5P2
P3P5P4
P3P5P6
P3P6P1
P3P6P2
P3P6P4
P3P6P5
P4P1P2
P4P1P3
P4P1P5
P4P1P6
P4P2P1
P4P2P3
P4P2P5
P4P2P6
P4P3P1
P4P3P2
P4P3P5
P4P3P6
P4P5P1
P4P5P2
P4P5P3
P4P5P6
P4P6P1
P4P6P2
P4P6P3
P4P6P5
P5P1P2
P5P1P3
P5P1P4
P5P1P6
P5P2P1
P5P2P3
P5P2P4
P5P2P6
P5P3P1
P5P3P2
P5P3P4
P5P3P6
P5P4P1
P5P4P2
P5P4P3
P5P4P6
P5P6P1
P5P6P2
P5P6P3
P5P6P4
P6P1P2
P6P1P3
P6P1P4
P6P1P5
P6P2P1
P6P2P3
P6P2P4
P6P2P5
P6P3P1
P6P3P2
P6P3P4
P6P3P5
P6P4P1
P6P4P2
P6P4P3
P6P4P5
P6P5P1
P6P5P2
P6P5P3
P6P5P4
6 × 5 × 4 = 120 种有序选法

从 6 个中按顺序选 3 个:120 种有序选法

  1. 1

    先把它当成排列来做。第 1 支、第 2 支、第 3 支铅笔各有多少种选择?全部乘起来是多少?

    先预测一下:

例 2.2

从 6 个人中选出 3 人组成一个委员会,有多少种选法?

从 6 个人中按顺序选 3 个:120 种有序选法;每组出现 6 次

总数 n6
选 k 个3
ABC
ABD
ABE
ABF
ACB
ACD
ACE
ACF
ADB
ADC
ADE
ADF
AEB
AEC
AED
AEF
AFB
AFC
AFD
AFE
BAC
BAD
BAE
BAF
BCA
BCD
BCE
BCF
BDA
BDC
BDE
BDF
BEA
BEC
BED
BEF
BFA
BFC
BFD
BFE
CAB
CAD
CAE
CAF
CBA
CBD
CBE
CBF
CDA
CDB
CDE
CDF
CEA
CEB
CED
CEF
CFA
CFB
CFD
CFE
DAB
DAC
DAE
DAF
DBA
DBC
DBE
DBF
DCA
DCB
DCE
DCF
DEA
DEB
DEC
DEF
DFA
DFB
DFC
DFE
EAB
EAC
EAD
EAF
EBA
EBC
EBD
EBF
ECA
ECB
ECD
ECF
EDA
EDB
EDC
EDF
EFA
EFB
EFC
EFD
FAB
FAC
FAD
FAE
FBA
FBC
FBD
FBE
FCA
FCB
FCD
FCE
FDA
FDB
FDC
FDE
FEA
FEB
FEC
FED
6 × 5 × 4 = 120 种有序选法

从 6 个中按顺序选 3 个:120 种有序选法

  1. 1

    委员会里成员的顺序重要吗?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

例 2.3

计算 (63)\dbinom{6}{3}

  1. 1

    这里的 nn 和 kk 分别是多少?

    先预测一下:

例 2.4

Omega Learn

你正在学习《Mastering AMC 8》这本书,需要从 10 个组合计数章节中选出 7 章来学习。有多少种选法?

杨辉三角,第 0 行到第 10 行

行数10
111121133114641151010511615201561172135352171182856705628811936841261268436911104512021025221012045101

点一个数(或用 Tab 键进入三角形,再用方向键移动),看看它是怎么来的。

杨辉三角,第 0 行到第 10 行

  1. 1

    这 7 章的顺序重要吗?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

例 2.5

Omega Learn

你正在学习《Mastering AMC 8》这本书,需要从 10 个组合计数章节中选出 7 章来学习。但是,前 2 章是理解其余章节的基础,所以必须选上。有多少种选法?

  1. 1

    前 2 章已经选上了。你还需要再选几章?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

自己做

习题 2.4.1

有 Alice、Betty、Chase 和 Dave 四个人,你需要从中选出两人担任数学社的负责人。有多少种选法?

习题 2.4.2

计算 (84)\dbinom{8}{4} 和 (97)\dbinom{9}{7}

习题 2.4.3

从 8 种不同的水果中选出 3 种,有多少种选法?

习题 2.4.4

一个袋子里有 9 个颜色各不相同的球,从中取出 4 个,有多少种取法?

习题 2.4.5

Jones 太太正在组织一次百家宴(每家带菜的聚餐),她想供应 8 道不同的菜。每个家庭可以带 3 道菜。为了使任意两个家庭带的菜的组合都不相同,Jones 太太可以邀请多少个家庭?

过关检测(第 2.1 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

计算 (72)\dbinom{7}{2}。

2

一家披萨店有 5 种不同的配料。为你的披萨选 3 种不同的配料,有多少种选法?

3

计算 (2018)\dbinom{20}{18}。(找找捷径!)

2.20%

二项式恒等式

在本节中,你将能够 用“拿或不拿”的选择,一次数出 n 样东西所有可能的组合。

Nihir 正在准备野餐篮。他的 5 种水果每种都可以带,也可以一个都不带。他能带出多少种不同的水果篮?先猜一猜!

杨辉三角(帕斯卡三角)的每一行,列出了从一组东西里选 0 个、1 个、2 个……的方法数。把一整行加起来, 就一次数出了所有可能的选法。

注意:每样东西你只有 2 种选择:拿,或者不拿。所以 n 样东西有 2 × 2 × … × 2 = 2ⁿ 种组合。

动手探索先玩,再学公式

杨辉三角,第 0 行到第 6 行

行数6
111121133114641151010511615201561

点一个数(或用 Tab 键进入三角形,再用方向键移动),看看它是怎么来的。

杨辉三角,第 0 行到第 6 行

认识概念

定理 2.2.1 · 二项式恒等式

二项式恒等式是说:

(n0)+(n1)+⋯+(nn)=2n.\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \cdots + \binom{n}{n} = 2^n.

注 2.2.2

要计算从 nn 样不同的东西中选出任意多样的方法数,上面两种方法都可以用:把 (n0)+(n1)+⋯+(nn)\binom{n}{0} + \binom{n}{1} + \cdots + \binom{n}{n} 加起来,或者直接算 2n2^n。

看例题先预测,再揭晓

例 2.6

Nihir 有一个苹果、一个橙子、一根香蕉、一个梨和一颗树莓。他想带一篮水果去野餐。用他现有的水果,他可以带多少种不同的水果篮?

杨辉三角,第 0 行到第 5 行

行数5
11112113311464115101051

点一个数(或用 Tab 键进入三角形,再用方向键移动),看看它是怎么来的。

杨辉三角,第 0 行到第 5 行

  1. 1

    一种方法是:列出装 0 个水果、1 个水果、2 个水果……的篮子。有没有更简单的解法?

例 2.7

你有 5 支不同的铅笔和 3 块不同的橡皮,要从中选一些带去参加 AMC 8。有多少种带法?

杨辉三角,第 0 行到第 8 行

行数8
11112113311464115101051161520156117213535217118285670562881

点一个数(或用 Tab 键进入三角形,再用方向键移动),看看它是怎么来的。

杨辉三角,第 0 行到第 8 行

  1. 1

    一共有多少样不同的东西可以带或不带?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

竞赛角真实竞赛题

习题 2.4.8

AMC 10

Henry's Hamburger Haven 的汉堡可以加以下配料:番茄酱、芥末酱、蛋黄酱、番茄、生菜、酸黄瓜、奶酪和洋葱。顾客可以选一块、两块或三块肉饼,以及任意一组配料。一共可以点多少种不同的汉堡?

过关检测(第 2.2 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

(60)+(61)+(62)+(63)+(64)+(65)+(66)\dbinom{6}{0} + \dbinom{6}{1} + \dbinom{6}{2} + \dbinom{6}{3} + \dbinom{6}{4} + \dbinom{6}{5} + \dbinom{6}{6} 等于多少?

2

一家三明治店有 4 种不同的配料。你可以在三明治里加任意一组配料,甚至一种都不加。你能做出多少种不同的三明治?

3

还是这家店、这 4 种配料,但现在你的三明治必须至少有一种配料。有多少种三明治?

2.30%

组合难题精讲

在本节中,你将能够 把一道复杂的选择题拆成几步,再把各步的方法数相乘。

一家公司有 13 名求职者。它需要 2 名经理和另外 4 名员工,而且经理必须有经验。该从哪里下手呢?

大的选择问题分步来做会容易很多。先选出一组,再从剩下的人里选出下一组。前一步的每种选法都能和下一步的 每种选法搭配,所以要相乘。

注意:当顺序是固定的(比如数字按从小到大排列),你只需要选出用哪些东西。

动手探索先玩,再学公式

从 6 名老手和 7 名新手中选 4 人组成委员会,不限:C(13,4) = 715

老手6
新手7
委员会人数4
老手人数:

组一个委员会:点选 4 个人。

已选 0 人,共需 4 人
  • 0 名老手 + 4 名新手C(6,0) × C(7,4) = 1 × 35 = 35 ✓
  • 1 名老手 + 3 名新手C(6,1) × C(7,3) = 6 × 35 = 210 ✓
  • 2 名老手 + 2 名新手C(6,2) × C(7,2) = 15 × 21 = 315 ✓
  • 3 名老手 + 1 名新手C(6,3) × C(7,1) = 20 × 7 = 140 ✓
  • 4 名老手 + 0 名新手C(6,4) × C(7,0) = 15 × 1 = 15 ✓
35 + 210 + 315 + 140 + 15 = 715 个委员会和从全部 13 人中选 4 人一样:C(13,4) = 715

4 人委员会,不限:715 个

看例题先预测,再揭晓

例 2.8

Omega Learn

有 6 名有经验的求职者和 7 名没有经验的求职者应聘一份工作。从有经验的求职者中选出 2 名经理。再从所有没有被选为经理的求职者(包括有经验的和没有经验的)中,选出另外 4 名员工。有多少种选法?

  1. 1

    首先,选出 2 名经理有多少种方法?

    先预测一下:

例 2.9

Omega Learn

你有 12 根不同的能量棒,要分给 3 个人:Alice、Betty 和 Chase。Alice 需要 3 根,Betty 需要 4 根,Chase 需要 5 根。满足他们要求的分法有多少种?

  1. 1

    从 Alice 开始。选出她的 3 根能量棒有多少种方法?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

例 2.10

EMCC

把 4 个球放进一个 4×64 \times 6 的方格中,要求任何一列或一行中的球都不超过一个。有多少种放法?(旋转和翻转后得到的放法算作不同。)

一种可能的放法。
  1. 1

    有 4 行和 4 个球,每行至多一个球。每行放几个球?

    先预测一下:
在 YouTube 上打开

例 2.11

AIME

Robert 有 4 枚不可区分的金币和 4 枚不可区分的银币。每枚硬币的一面刻有一个头像,另一面没有。他想把这 8 枚硬币在桌上叠成一摞,使得任意两枚相邻的硬币都不是头像面对头像面。求这 8 枚硬币可区分的叠法有多少种。

  1. 1

    先处理颜色。把 4 枚金币和 4 枚银币叠成一摞,有多少种排法?

    先预测一下:

竞赛角真实竞赛题

习题 2.4.7

AMC 10

把 25 个正方形积木摆成一个 5×55 \times 5 的正方形。从中选出 3 个积木,使得任意两个都不在同一行或同一列,有多少种不同的选法?

过关检测(第 2.3 节)

3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
1

在 2020 和 2400 之间,有多少个整数的四个数字互不相同,并且从左到右按递增顺序排列?(例如,2347 就是这样的一个整数。)

2

有多少个 5 位正整数满足:第三位数字是 8,前 3 位数字递增,后 3 位数字递减?

3

有 12 名宇航员报名参加一次探索火星的任务。地球将发射 2 枚不同的火箭:一枚载 3 人,另一枚载 4 人。在这 12 名宇航员中,有 4 名经验非常丰富,所以他们必须登上其中一枚火箭。把宇航员安排进火箭,有多少种方法?

2.4

练习题

在本节中,你将能够 在练习题中综合运用本章的所有方法。

是时候把所有方法混在一起用了!这些题会用到组合、对称、“拿或不拿”的选择和分步选择。每道题都有三条提示, 卡住时可以看看。

想在一页里看到本章的所有题目?打开习题集。

综合练习

习题 2.4.6

一家冰淇淋店有 9 种不同口味的冰淇淋。Joe 想买 2 球或 3 球口味互不相同的冰淇淋。他不喜欢芒果和巧克力这 2 种口味搭配在一起,所以不会同时买这两种。他有多少种买法?