组合数学笔记-2-排列与组合

第二章 排列与组合

  1. 四个基本计数原理

    • 加法原理

      将集合 SS 划分为两两不相交的集合 S1,S2,,SmS_1,S_2,\cdots,S_m,则 SS 的对象数目可以通过确定它的每一个部分的数量并如此相加而得到:

      S=S1+S2++Sm\vert S\vert=\vert S_1\vert+\vert S_2\vert+\cdots+\vert S_m\vert

    • 乘法原理

      SS 是对象的有序对 (a,b)(a,b) 的集合,第一个对象 aa 来自大小为 pp 的一个集合,而对于 aa 的每一个选择,对象 bbqq 种选择,于是,SS 的大小为 p×qp\times q

      S=p×q\vert S\vert=p\times q

    • 减法原理

      AA 是一个集合,而 UU 是包含 AA 的更大的集合,设

      A=UA={xU:xA}\overline{A}=U\setminus A=\{x\in U:x\notin A\}

      AAUU 中的补。那么 AA 中的对象数目 A\vert A\vert 由下列法则给出:

      A=UA\vert A\vert=\vert U\vert-\vert\overline{A}\vert

    • 乘法原理

      SS 是一个有限集合,把它划分成 kk 个部分使得每一部分包含的对象数目相同,于是,此划分中的部分由下述公式给出:

      k=S在一个部分中的对象数目k=\dfrac{\vert S\vert}{\text{在一个部分中的对象数目} }

  2. 集合的排列

    rr 是正整数,令一个 nn 元素集合的 rr 排列表示 nn 个元素中的 rr 个元素的有序放置,用 P(n,r)P(n,r) 表示 nn 个元素集合的 rr 排列的数目。

    • 定理 2.2.1

      对于正整数 nnrrtnt\le n,有:

      P(n,r)=n×(n1)××(nr+1)=n!(nr)!P(n,r)=n\times(n-1)\times\cdots\times(n-r+1)=\dfrac{n!}{(n-r)!}

    • 定理 2.2.2

      nn 个元素的循环 rr 排列的数目是

      P(n,r)r=n!r(nr)!\dfrac{P(n,r)}{r}=\dfrac{n!}{r\cdot (n-r)!}

  3. 集合的组合(子集)

    rr 是非负整数,令一个 nn 元素集合 SSrr 子集表示由 SSnn 个对象中的 rr 个对象组成的子集。用 (nr)n\choose r 表示 nn 元素集合的 rr 子集的数目。

    对每一个非负整数 nn,下述事实成立:

    (n0)=1, (n1)=n, (nn)=1, (00)=1{n\choose 0}=1,\ {n\choose 1}=n,\ {n\choose n}=1,\ {0\choose 0}=1

    • 定理 2.3.1

      对于 0rn0\le r\le n,有

      P(n,r)=r!(nr)P(n,r)=r!{n\choose r}

      因此

      (nr)=n!r!(nr)!{n\choose r}=\dfrac{n!}{r!(n-r)!}

    • 定理 2.3.2

      对于 0rn0\le r\le n,有

      (nr)=(nnr){n\choose r}={n\choose n-r}

    • 定理 2.3.3(帕斯卡公式)

      对于所有满足 1kn11\le k\le n-1 的整数 nnkk,有

      (nk)=(n1k)+(n1k1){n\choose k}={n-1\choose k}+{n-1\choose k-1}

    • 定理 2.3.4

      对于 n0n\ge0,有

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

      且这个共同值等于 nn 元素集合的子集数量。

  4. 多重集合的排列

    多重集合:元素可以出现多次,如一个有 33aa22bb,无穷多个 cc 的多重集合 MM 记为 M={3a,2b,c}M=\{3\cdot a,2\cdot b,\infty\cdot c\}

    • 定理 2.4.1

      SS 是有 kk 种不同类型元素的多重集合,每一个元素有无限重复数,SSrr 排列数krk^r

    • 定理 2.4.2

      SS 是有 kk 种不同类型元素的多重集合,每一种类型的有限重复数是 n1,n2,,nkn_1,n_2,\cdots,n_k。设 SS 的大小为 n=n1+n2++nkn=n_1+n_2+\cdots+n_k。则 SS 的排列数目等于

      n!n1!n2!nk!\dfrac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_k!}

    • 定理 2.4.3

      nn 是正整数,n1,n2,,nkn_1,n_2,\cdots,n_k 是正整数且 n=n1+n2++nkn=n_1+n_2+\cdots+n_k。把 nn 对象集合划分为 kk 个有标签的盒子,第 ii 个盒子有 nin_i 个对象,这时的划分方法数等于

      n!n1!n2!nk!\dfrac{n!}{n_1!n_2!\cdots n_k!}

      若盒子没有标签,且 n1=n2==nkn_1=n_2=\cdots=n_k,则划分数等于

      n!k!n1!n2!nk!\dfrac{n!}{k!n_1!n_2!\cdots n_k!}

  5. 多重集合的组合

    通常将多重集合的子集成为组合而不是多重子集

    • 定理 2.5.1

      SS 是有 kk 种不同对象的多重集合,每种元素均有无限重复数,那么 SSrr 组合的个数等于

      (r+k1r)=(r+k1k1){r+k-1\choose r}={r+k-1\choose k-1}

  6. 有限概率

    有一个实验 ε\varepsilon,在进行这个实验时,它产生的结果是某有限集合中的一个,假设每一个结果是等可能的,则称这个实验是随机的,所有可能的结果成为这个实验的样本空间,并把它记作 SSSS 是一个有限集合,如下面这个集合

    S=S1,s2,,snS={S_1,s_2,\cdots,s_n}

    当我们进行实验 ε\varepsilon 时,每个 sis_i 都有 1/n1/n 的出现机会,所以说结果的概率是 1/n1/n,写作

    Prob(si)=1/nProb(s_i)=1/n

    一个事件就是样本空间 SS 的一个子集 EE

    在样本空间为 SS 的实验中,事件 EE概率定义为 SS 中属于 EE 的结果的比率,因此

    Prob(E)=ESProb(E)=\dfrac{\vert E\vert}{\vert S\vert}

    于是很多概率问题可以用排列组合解决


附:中英词汇对照

划分 partition 部分 part
大小 size complement
泛集 university set 多重集合 multiset
排列 permutation 组合 combination
子集 subset 多重子集 submultiset
等可能的 equally likely 随机的 randomly
事件 event 概率 probability

组合数学笔记-2-排列与组合
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作者
shicj
发布于
2024年11月24日
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