例题一 · 全部对象不同
4名男生、2名女生,女生不相邻
六人彼此不同排成一行,只有两名女生不能相邻,左右反向算不同,求排法总数。
- 先排4名男生:4!=24种。
- 每种次序有5个空隙,选2个放女生:C(5,2)=10种。
- 两名女生不同,放入选好的空隙有2!=2种。
- 总数24×10×2=480种。
独立核对:全部6!种,减去女生相邻的2!×5!种,得720−240=480。这里把两名相邻女生捆成一个整体,只用于核对。
计数与概率 · 方法讲解
先排主体,把“不相邻”变成“选不同空隙”。
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4名不同男生和2名不同女生排成一行,两名女生不能相邻。左右反向视为不同排法。先固定男生次序为男1、男2、男3、男4,观察五个空隙;最后再把男生全部次序算进去。
第1步 / 共4步:固定主体次序
男1、男2、男3、男4形成空0至空4,包含两端。
当前:4名男生、2名不同女生,两端可插
5空
每个空隙最多一名女生,便能保证女生之间有男生。
绿色为主体,棕色为插入对象;虚线框是空隙,叉号表示禁止使用。图示仅表示先后次序。
阶乘 m! 表示 m 个不同对象的排列数,0!=1。组合数 C(g,k) 表示从 g 个不同位置选 k 个,不计选择先后;0≤k≤g 时 C(g,k)=g!/[k!(g−k)!]。例如 C(5,2)=5×4÷2=10。
S班为本项目教学深度编排,非已核实的机构课纲。本页例题与练习均为自拟题。主体是先排的一组对象;插入对象是有不相邻要求的一组,不以性别固定方法。
m≥1 个主体排成一行,有 m−1 个内部空隙,加上两端共 m+1 个空隙。把 k 个插入对象分放在 k 个不同空隙中,任意两者之间至少有一个主体,因而不相邻。反过来,若同一空隙放入两个插入对象,它们之间没有主体,必有一对相邻。
此式要求:m 个主体彼此不同,k 个插入对象彼此不同;直线排列;仅要求插入对象互不相邻;两端均可用。先有 m! 种主体次序,每一种对应 m+1 个空隙;再选 k 个不同空隙;最后把插入对象按 k! 种次序,从左到右放入。若 k>m+1,则为0种,不能继续套普通阶乘公式。若没有主体(m=0),全队最多只能有1个插入对象,否则必相邻;空队列按1种计。
从任意合法队列删去全部插入对象,会唯一留下主体次序。每个被删对象原来处在第几个主体之前或之后,也唯一确定了它的空隙编号。最后记录插入对象从左到右的次序,三个部分都确定。重建时按这三个部分放回,恰好还原原队列。因此既不会把同一队列数两次,也不会漏掉任何合法队列。
| 条件 | 可选空隙 g | m 个不同主体,k 个插入对象 |
|---|---|---|
| 两端可插 | m+1 | 不同:m! C(g,k) k! |
| 一端禁止插入 | m | 不同:m! C(g,k) k! |
| 两端均禁止插入 | m−1(m≥1) | 不同:m! C(g,k) k! |
| 插入对象全部相同 | 依两端条件确定 | m! C(g,k),不乘 k! |
若主体本身也有重复,不能照用 m!;应先按其相同性计算主体次序。若插入对象分几类,同一空隙仍最多一个时,排列因子改为 k! 除以各类个数的阶乘。任一类之间还有额外限制时,需要重新分析。
例题一 · 全部对象不同
六人彼此不同排成一行,只有两名女生不能相邻,左右反向算不同,求排法总数。
独立核对:全部6!种,减去女生相邻的2!×5!种,得720−240=480。这里把两名相邻女生捆成一个整体,只用于核对。
例题二 · S班:同时限制两端
八人彼此不同,排成一行,女生互不相邻且队列两端都是男生,左右反向算不同,求排法总数。
为什么不能选6个空隙?选到最左或最右空隙,队列端点就变成女生,违反条件。若不限制两端,总数为120×C(6,3)×6=14400,不能把它作为本题答案。
设 m 个不同主体和 k 个不同插入对象直线排列,两端可插;要求任意相邻的两个插入对象之间至少有 r 个主体(r≥1)。这里的“相邻”指在插入对象子序列中相邻。
固定主体次序,把空隙编号为0至 m,选出的编号从小到大为 g₁,…,gₖ。第 gᵢ 空与第 gᵢ₊₁ 空之间恰有 gᵢ₊₁−gᵢ 个主体,所以条件是 gᵢ₊₁−gᵢ≥r。不能只保证编号不同。
令 hᵢ=gᵢ−(r−1)(i−1),则 h₁<…<hₖ,且0≤h₁、hₖ≤m−(r−1)(k−1)。这种平移可唯一逆转,选空隙数为:
最后乘 m! k!。本式用于 k≥1;若 k=0,仅有主体排列 m!。可行的必要且充分条件为 m≥r(k−1),否则0种。若还要求两端都是主体,主体数 m≥1 时编号只取1至m−1,选空数改为 C(m−1−(r−1)(k−1),k),不足 k 个则为0。
例:5名不同男生、3名不同女生,两端可为女生,但每相邻两名女生之间至少有2名男生。固定男生次序,选空编号只能是 (0,2,4)、(0,2,5)、(0,3,5)、(1,3,5),共4组。因此总数5!×4×3!=2880种。这与例题二恰好同数,但合法队列集合不同;本题允许女生站两端,例题二允许两女生之间只有1男生。
反例:4男2女选空1和空2,女生之间只有男2一人,满足“不相邻”,却不满足“至少隔2名男生”。动画的空隙选择不能代替最小间隔条件的检验。
4本不同的数学书和2本完全相同的笔记本排成一行。两端必须是数学书,两本笔记本不能相邻。只计书架从左到右的次序,共有多少种排法?
先排4本数学书:4!=24种。两端禁止笔记本,只剩3个内部空隙,从中选2个:C(3,2)=3。笔记本相同,交换不形成新排法,不乘2!。总数24×3=72种。若误乘2,144把每个书架次序重复数了两次。
4名不同男生、2名不同女生排一行,两名女生之间至少有2名男生,两端没有额外限制,左右反向算不同。求总排法。
固定男生次序,空隙编号0至4,两个编号差至少2。合法组为 (0,2)、(0,3)、(0,4)、(1,3)、(1,4)、(2,4),共6组;也可算 C(5−1,2)=C(4,2)=6。男生4!=24种,女生2!=2种,所以24×6×2=288种。直接用 C(5,2)=10会多算编号相邻的4组;这些队列中女生之间只有1名男生。
解题顺序:确定相同/不同 → 先排主体 → 按两端与最小间隔确定合法空隙组 → 排插入对象 → 相乘并还原核查。
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四名不同男生和两名不同女生排成一行。两名女生不能相邻,有多少种排法?
先只排男生,有二十四种。固定其中一种后,四名男生形成五个空隙,两端也算。
女生不相邻,所以每个空隙最多放一名。五个空隙选两个,共十种选择。
两名女生不同,在选好的空隙中还有两种顺序。相乘,得到四百八十种。
为什么不重不漏?删去女生,每条合法队列都唯一还原男生次序、空隙位置和女生顺序。
如果要求两端都是男生,就不能选外侧两个空隙。只从三个内空隙选两个。
于是二十四乘三,再乘二,得到一百四十四种。空隙必须服从全部条件。
再把男生换成四本不同的书,女生换成两本完全相同的笔记本,仍要求两端是书,笔记本不相邻。
相同笔记本交换不产生新排法,不再乘二。因此共有七十二种。先查两端,再查对象是否不同。