排列組合問題中的錯(cuò)解剖析
關(guān)于排列組合的應(yīng)用問題,由于思考方法的偏差,往往導(dǎo)致結(jié)論的錯(cuò)誤. 然而,一個(gè)更應(yīng)該值得注意的問題是,有時(shí)思考方法是錯(cuò)誤的,得出的結(jié)果卻巧合正確,這種隱蔽性的錯(cuò)誤,對學(xué)習(xí)更有危害.請看下面的問題!
問題1:用1,2,3,4,5,6這六個(gè)數(shù)字組成無重復(fù)數(shù)字的六位數(shù),其中首位數(shù)字大于末位數(shù)字,且3和4不在相鄰兩個(gè)數(shù)位的六位數(shù)共有多少個(gè)?
分析與解答:
分三步考慮.
第一步,首先將1,2,5,6排在四個(gè)位置(用方格□表示)上,有A種排法
△□△□△□△□△
第二步,1,2,5,6排好之后產(chǎn)生5個(gè)空隙(用記號(hào)△表示),將3,4插入這5個(gè)空隙中,有A種排法.
由分步計(jì)數(shù)原理可知,一共有A·A=480種不同的排法.
第三步,將這480個(gè)數(shù)分為兩類(每個(gè)數(shù)與3,4都不相鄰).
1. 首位數(shù)字大于末位數(shù)字;
2. 首位數(shù)字小于末位數(shù)字.
有一個(gè)首位數(shù)字大于末位數(shù)字的六位數(shù),將首末兩個(gè)數(shù)字對調(diào),得到一個(gè)首位數(shù)字小于末位數(shù)字的六位數(shù);反之也對. 因此,符合條件的六位數(shù)共有=240個(gè).
上述解法正確嗎?從分析過程看,似乎每一步都有道理,找不出什么破綻,但仔細(xì)分析,思考方法確有錯(cuò)誤之處,錯(cuò)在哪里?
有錯(cuò)在第三步的分析方法上.一個(gè)符合條件的六位數(shù),對調(diào)首末兩個(gè)數(shù)字之后,未必能夠得到一個(gè)首位數(shù)字小于末位數(shù)字且3,4不相鄰的六位數(shù). 例如,631524是一個(gè)符合條件的六位數(shù),對調(diào)首位數(shù)字6和末位數(shù)字4,得六位數(shù)431526. 這個(gè)六位數(shù)4與3相鄰了,它不是3,4不相鄰的480個(gè)數(shù)中的一個(gè). 因此,在3,4不相鄰的六位數(shù)中,首位數(shù)字大于末位數(shù)字與首位數(shù)字小于末位數(shù)字的六位數(shù)不能通過只對調(diào)首末兩個(gè)數(shù)字來實(shí)現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系.
正確的解答應(yīng)該修改上述解法第三步的分析方法,有一個(gè)符合條件(首位數(shù)字大于末位數(shù)字且3,4不相鄰)的六位數(shù),如631524,將這個(gè)六位數(shù)反序倒寫,可得到一個(gè)3,4不相鄰,首位數(shù)字小于末位數(shù)字的六位數(shù)425136;反之也對,因此,首位數(shù)字大于末位數(shù)字且3,4不相鄰的六位數(shù),通過反序?qū)φ{(diào),可以實(shí)現(xiàn)首位數(shù)字小于末位數(shù)字且3,4不相鄰的六位數(shù)構(gòu)成一一對應(yīng)關(guān)系.所以,符合條件的六位數(shù)共有=240個(gè).
問題2:把n+1本不同的書全部分給n個(gè)人,每人至少得1本,共有多少種不同的分法?
分析與解答:分兩步考慮.第一步,先從n+1本不同的書中任取n本分給n個(gè)人,有C·A種分法.
第一步,將余下的1本書分給n個(gè)人,有n種分法,由分步計(jì)數(shù)原理可知,共有nCA=n(n+1)!種不同的分法.
這個(gè)解法對嗎?從分析過程看,沒什么問題. 下面我們來分析一下具體過程:
將n個(gè)人依次編號(hào)為1,2,3,…,n,假定第一步第k號(hào)人分得的書號(hào)為ik,對應(yīng)的分法依次為(1,i1),(2,i2),…,(k-1,ik-1),(k,ik),(k+1,ik+1),…(n,in),其中,i1,i2,…,in是1,2,3,…,n的一個(gè)排列,記號(hào)(k,ik)的第1個(gè)數(shù)碼表示人的編號(hào),第2個(gè)數(shù)碼表示書號(hào).
第二步,將余下的一本書in+1分給第k人,于是,得到一種符合條件的分法:
(1,i1),(2,i2),…,(k-1,ik-1),(k,ik,in+1),(k+1,ik+1),…,(n,in).
另一方面,第一步的分法為:(1,i1),(2,i2),…,(k-1,ik-1),(k,in+1),(k+1,ik+1),…,(n,in)時(shí),第二步,將余下的1本書ik分給第k人,于是,所得到的分法為:
(1,i1),(2,i2),…(k-1,ik-1),(k,in+1,ik),(k+1,kk+1),…,(n,in).
這種分法是n(n+1)!種分法中的一種,然而,這種分法與第一種的分法完全相同. 這表明,按照上述解法所給的分法,的每一種分法都對應(yīng)著一種與它完全相同的分法,因此,這種解法對每一種符合條件的分法都重復(fù)計(jì)算了一次,故符合條件的分法應(yīng)該是種.
這個(gè)問題的一般解法是:先將n+1本書分成n堆,有C種分法,然后將這n堆分給n個(gè)人,有A種分法,由分步計(jì)數(shù)原理可知,共有C·A= 種不同的分法.
一般地,關(guān)于分配的應(yīng)用問題,較好的方法是先分堆,再分給人,這樣計(jì)算既沒有重復(fù),也不會(huì)遺漏.
問題3:用紅、黃、藍(lán)、白、黑五種顏色涂在“田”字形的4個(gè)小方格內(nèi),每格涂一種顏色,相鄰兩格涂不同的顏色,如果顏色可以反復(fù)使用,共有多少種不同的涂色方法?
分析與解答:
將4個(gè)小方格依次編號(hào)為:1,2,3,4,第一個(gè)小方格可以從5種顏色中任取一種涂上,有5種不同的涂法,由于相鄰兩格顏色不可相同,因此,第2個(gè),第3個(gè)小方格各有4種不同的涂法,第4個(gè)小方格的顏色與第2個(gè),第3個(gè)小方格不可同色,因此,只有3種不同的涂法,根據(jù)分步計(jì)數(shù)原理可知,共有5×4×4×3=240種不同的涂法.
上述分析方法是錯(cuò)誤的.錯(cuò)在當(dāng)?shù)冢、3小格顏色相同時(shí)第4個(gè)小方格有4種不同的涂法,而不是3種.
下面給出這個(gè)問題的正確解答.
如上所述,可將4個(gè)小方格依次編號(hào)為1,2,3,4,第1個(gè)小方格可以從5種顏色中任取一種顏色涂上,有5種不同的涂法;
當(dāng)?shù)冢驳冢硞(gè)小方格涂不同顏色時(shí),有A種不同的涂法,第4個(gè)小方格也3種不同的涂法. 由分步計(jì)數(shù)原理可知,有5A·3=180種不同的涂法;
當(dāng)?shù)冢矀(gè)第3個(gè)小方格涂相同顏色時(shí),有4種涂法,由于相鄰兩格同色,因此,第4個(gè)小方格也有4種不同的涂法,由分步計(jì)數(shù)原理可知. 有5×4×4=80種不同的涂法.
由分類計(jì)數(shù)原理得,共有180+80=260種不同的涂法.
【說明】有關(guān)涂色問題,如果是封閉型(最后一塊與第一塊相連),在考慮最后一塊的涂法時(shí),一定要分情況考慮,才不會(huì)造成遺漏或重復(fù).
問題4:將一個(gè)圓面分成n塊,各部份分別記為S1,S2,…Sn. 用紅、黃、藍(lán)三種顏色涂這n個(gè)部分,要求兩兩不同色,共有多少種不同的涂法?
分析與解答:
首先涂S1,有3種涂法;然后涂S2,S3,…,Sn-1,各有兩種涂法;最后涂Sn要求兩兩不同色,即Sn與S1,Sn-1不可同色,因此,Sn只有1種涂法,由分步計(jì)數(shù)原理可知,共有3·2n-2種不同的涂法.
這個(gè)解法是錯(cuò)誤的. 錯(cuò)在Sn的涂法上. 當(dāng)Sn-1與S1同色時(shí),Sn的涂法有2種,不是1種.
下面,我們給出這個(gè)問題的正確解法(略). 答案為:共有2n+2·(-1)n種不同的涂法.
[1]
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