скачать книгу бесплатно
Занимательная комбинаторика
Дмитрий Кудрец
В книге популярно и доступно изложены основные сведения комбинаторики. Приводятся примеры решения задач на подсчет количества перестановок, размещений и сочетаний.Рекомендуется для учащихся и учителей школ, гимназий, а также для широкого круга читателей.
Занимательная комбинаторика
Дмитрий Кудрец
© Дмитрий Кудрец, 2022
ISBN 978-5-0050-7620-5
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда нам необходимо рассадить гостей за столом, составить букеты из имеющихся цветов, подсчитать количество выигрышных билетов в лотерее и т. д. Но задумывались ли вы, сколькими вариантами мы можем это сделать? На этот вопрос помогает ответить комбинаторика – раздел математики, изучающий задачи выбора и расположения элементов из некоторого множества в соответствии с заданными правилами.
Формулы и методы комбинаторики широко используются в теории вероятностей для подсчета вероятности случайных событий.
Комбинаторика как самостоятельная наука появилась в XVIII веке. Рождение комбинаторики связано с трудами Блеза Паскаля и Пьера Ферма по теории азартных игр. Большой вклад в развитие комбинаторики методов внесли Готфрид Вильгельм Лейбниц, Яков Бернулли, Леонард Эйлер и другие выдающиеся ученые.
Перестановки
Однажды в выходной день Маша решила навести порядок в своих игрушках и рассадить в ряд медвежонка, куклу и львёнка.
Вначале она рассадила их так:
Но ей не понравилось, что медвежонок сидит рядом со львёнком. Тогда Маша пересадила игрушки следующим образом:
Но и тут Маша не смогла определиться, кто должен сидеть справа от куклы – львёнок или медвежонок?
Так бы Маша и продолжала бы переставлять игрушки с места на место, если бы в комнату не вошел Машин папа.
– Ты чем это занимаешься? – поинтересовался он у Маши.
– Да вот, – грустно вздохнула Маша, – пытаюсь расставить игрушки, но у меня что-то не получается. Столько много разных вариантов, а мне ни один не нравится.
– Допустим, – не согласился папа, – что вариантов не так уж и много. У тебя три игрушки, значит, вариантов всего шесть.
– Как ты так быстро посчитал? – удивилась Маша.
– Есть такая наука, – пояснил папа, – комбинаторика. Она и занимается подсчетом различных вариантов перестановок. Допустим у тебя всего две игрушки – медвежонок и кукла. Их можно переставить только двумя способами:
или
Если у тебя три игрушки, то это можно сделать уже шестью способами:
– А если у меня четыре игрушки? – спросила Маша.
– Тогда существует 24 варианта различных способов их перестановки. В комбинаторике такие упорядочения множества, состоящего из определенного количества элементов, так и называют – перестановками. Особенностью перестановок является то, что в них должны участвовать все элементы данного множества.
Количество всех возможных перестановок можно найти по формуле, где n – количество элементов данного множества.
Символ n! называется факториалом и обозначает произведение всех целых чисел от 1 до n.
.
Например, 3!=1?2?3=6. 4!=1?2?3?4=24.
При вычислении факториала принято считать, что 0!=1, 1!=1.
– А если у меня пять игрушек? – не унималась Маша.
– В таком случае у тебя 1?2?3?4?5=120 вариантов перестановок.
– Так много? – удивилась Маша.
– А если множество состоит из 6 элементов, – продолжал папа, – то число перестановок будет равняться 720. Для 7 элементов число перестановок будет равно 5040, для 8 – 40320 и так далее. Чем больше число элементов, тем больше число перестановок.
– А если вместо пяти игрушек взять пять конфет? – спросила Маша. – Число перестановок изменится?
– Если конфеты все различные, то, как и в случае с игрушками число перестановок все равно будет 120.
– То есть, – заключила Маша, – число перестановок не зависит от того, что я переставляю – игрушки, конфеты или еще что-нибудь?
– Совершенно верно! – подтвердил папа. – Главное, чтобы в перестановках участвовали все элементы множества, и элементы должны быть различными.
– Посчитать число перестановок несложно, – согласилась Маша, – а вот переставить игрушки и не запутаться при этом гораздо сложнее.
– Для того чтобы не запутаться, – успокоил Машу папа, – можно использовать дерево возможных вариантов. Одолжим на время у мамы пуговицы.
В первый ряд положим 3 пуговицы разного цвета. Мы уже считали, что возможных перестановок для трех элементов равно шести.
Второй ряд, он будет у нас вспомогательным, мы составим следующим образом:
– То есть мы добавили пуговицы других цветов? – предположила Маша.
– Совершенно верно. В третьем ряду мы просто поменяем пуговицы местами. Вот так:
– А что мы будем делать с четвёртым рядом? – поинтересовалась Маша.
– А четвертого ряда не будет, – ответил папа. У нас три пуговицы, то есть три элемента множества, значит и рядов будет три. Осталось только, следуя сверху вниз, перечислить все варианты перестановок:
И совсем несложно. Главное быть внимательным.
– Как интересно! – воскликнула Маша. – А если у меня все-таки есть одинаковые игрушки, то количество перестановок считается точно также?
– Не совсем, – пояснил папа. – Если некоторые элементы множества повторяются, то такие перестановки называются перестановками с повторением.
Перестановки с повторением
– Пусть у тебя есть два одинаковых медвежонка.
– Но у меня нет двух одинаковых медвежонка, – возразила Маша.
– Хорошо, – согласился папа. – Тогда возьмем два зеленых карандаша и один красный.
Карандашей всего 3, значит, число перестановок равно 6. Но нет разницы, если поменять зеленые карандаши местами. Мы получим тот же самый вариант. Поэтому число перестановок с повторением будет всего 3:
– То есть, – предположила Маша, – если есть одинаковые элементы, то перестановок будет меньше.
– Да. Пусть множество состоит из n
элементов одного вида, n
элементов другого вида и т. д. Всего элементов n
+n
+…+n
=n. Тогда число перестановок с повторением равно.
– Какая сложная формула! – воскликнула Маша.
– Нисколько, – возразил папа. – И ты сама сейчас в этом убедишься. Пусть у нас есть карандаши. Два красных, один зеленый и один синий. То есть n
=2, n
=1, n
=1. Всего карандашей n
+n
+n
=2+1+1=4. Следовательно, число перестановок с повторением равно.
– Хорошо, – согласилась Маша. – А если у меня есть карточки с буквами из которых составляют слова? Буквы же в словах могут повторяться.
– И сколько ты хочешь взять карточек?
– Сейчас, – Маша открыла ящик стола и вытащила наружу карточки с буками. – Вот. Это у меня ещё с первого класса осталось.
– Давай посмотрим, – папа разложил на столе карточки. – У нас есть три буквы А, две буквы У и две буквы М.
– Всего семь, – подсказала Маша.
– Воспользуемся формулой для перестановок с повторением.. Значит, существует 210 вариантов перестановок.
– Так много? – удивилась Маша.
– Так много, – подтвердил папа. – А если у нас есть имеются другие наборы элементов, то и число перестановок будет другим.
– А можно я теперь попробую сама?
– Конечно. А что мы будем считать?
– У меня есть цветные скрепки.
Три зеленых, три синих, три желтых и две красных. Всего 11 скрепок. Значит, число перестановок будет равно.
Вот так число! Это сколько же времени уйдет на то, чтобы переложить все скрепки?
– Перекладывать скрепки мы не будем, – возразил папа. – А ты мы на это дело потратим все выходные. А тебе еще уроки учить нужно. Да и у меня есть дела.
– Ну, папа! – заныла Маша. – Давай еще что-нибудь посчитаем!
– В другой раз, – ответил папа. – Тем более что в комбинаторике изучаются не только перестановки. А это тебе задачки для самостоятельного решения:
