第 12 章 计数原理与二项式定理

本章把分类加法计数原理、分步乘法计数原理、排列、组合、二项式定理合并在一起。计数问题的核心是“分清是分类还是分步,是有序还是无序”。

12.1 两个基本计数原理

12.1.1 分类加法计数原理

完成一件事,有 $n$ 类办法,在第 $1$ 类办法中有 $m_1$ 种不同的方法,在第 $2$ 类办法中有 $m_2$ 种不同的方法,……,在第 $n$ 类办法中有 $m_n$ 种不同的方法,那么完成这件事共有

$$ N=m_1+m_2+\cdots+m_n $$

种不同的方法。

  • 分类加法计数原理简称加法原理。
  • 使用前提:每一类办法都能独立完成这件事。
  • 各类办法之间必须互斥,不能重复;所有类合起来必须覆盖全部情况,不能遗漏。
  • 关键词:“分类”“或”“要么……要么……”。

12.1.2 分步乘法计数原理

完成一件事,需要分成 $n$ 个步骤,做第 $1$ 步有 $m_1$ 种不同的方法,做第 $2$ 步有 $m_2$ 种不同的方法,……,做第 $n$ 步有 $m_n$ 种不同的方法,那么完成这件事共有

$$ N=m_1\times m_2\times\cdots\times m_n $$

种不同的方法。

  • 分步乘法计数原理简称乘法原理。
  • 使用前提:每一步都完成,这件事才算完成。
  • 各步之间相互依存,缺一不可。
  • 关键词:“分步”“并且”“先……再……”。

分步乘法计数原理示意

12.1.3 两个原理的区别

  • 分类用加法,分步用乘法。
  • 分类时,任选一类就能完成任务;分步时,必须依次完成所有步骤才能完成任务。
  • 复杂问题常常先分类、再分步,分类与分步结合使用。
  • 分类要不重不漏,分步要步骤完整。

12.2 排列与组合

12.2.1 排列

从 $n$ 个不同元素中取出 $m$($m\le n$)个元素,按照一定的顺序排成一列,叫从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个元素的一个排列。

  • 排列与顺序有关。
  • 排列数:从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个元素的所有排列的个数,记作 $\mathrm{A}_n^m$。

$$ \mathrm{A}_n^m=n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1)=\frac{n!}{(n-m)!} $$

  • 全排列:$n$ 个不同元素全部取出的排列,$\mathrm{A}_n^n=n!$。
  • 规定 $0!=1$。

12.2.2 组合

从 $n$ 个不同元素中取出 $m$($m\le n$)个元素合成一组,叫从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个元素的一个组合。

  • 组合与顺序无关。
  • 组合数:从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ 个元素的所有组合的个数,记作 $\mathrm{C}_n^m$。

$$ \mathrm{C}_n^m=\frac{\mathrm{A}_n^m}{\mathrm{A}_m^m}=\frac{n!}{m!(n-m)!} $$

12.2.3 组合数的性质

  • $\mathrm{C}_n^m=\mathrm{C}_n^{n-m}$。
  • $\mathrm{C}_n^0=\mathrm{C}_n^n=1$。
  • $\mathrm{C}_n^1=n$。
  • 递推公式:$\mathrm{C}_{n+1}^m=\mathrm{C}_n^m+\mathrm{C}_n^{m-1}$。
  • 组合数公式中,$m,n$ 都是非负整数,且 $m\le n$。

12.2.4 排列与组合的区别

  • 排列:取出元素后还要考虑顺序,交换两个元素的位置会得到不同的排列。
  • 组合:取出元素后不考虑顺序,交换两个元素的位置仍是同一个组合。
  • 判断方法:看交换两个元素的位置是否产生新的结果。

12.2.5 常见计数方法

  • 特殊元素优先法:优先安排有特殊要求的元素或位置。
  • 捆绑法:要求某些元素相邻时,把它们捆绑成一个整体,再考虑整体内部顺序。
  • 插空法:要求某些元素不相邻时,先安排其他元素,再把不相邻的元素插入空隙。
  • 隔板法:把相同的元素分成若干组,每组至少一个,用隔板隔开。
  • 间接法:正面情况复杂时,用总数减去不符合条件的情况。
  • 定序问题:某些元素顺序固定时,先按全排列计算,再除以这些元素的全排列数。
  • 平均分组:平均分成若干组时,要除以组数的阶乘,避免重复计数。
  • 分组分配:先分组,再分配给不同对象,分组后乘以对象数的阶乘。

12.3 二项式定理

12.3.1 二项式定理

对任意 $n\in\mathbb{N}^*$,

$$ (a+b)^n=\mathrm{C}_n^0a^n+\mathrm{C}_n^1a^{n-1}b+\cdots+\mathrm{C}_n^ka^{n-k}b^k+\cdots+\mathrm{C}_n^nb^n $$

即:

$$ (a+b)^n=\sum_{k=0}^{n}\mathrm{C}_n^ka^{n-k}b^k $$

  • 右边的多项式叫二项展开式。
  • 展开式共有 $n+1$ 项。
  • 各项的次数都等于 $n$。
  • 字母 $a$ 的指数从 $n$ 逐项减到 $0$,字母 $b$ 的指数从 $0$ 逐项增到 $n$。

12.3.2 二项展开式的通项

第 $k+1$ 项:

$$ T_{k+1}=\mathrm{C}_n^ka^{n-k}b^k\quad(k=0,1,2,\ldots,n) $$

  • 通项公式中的 $k$ 从 $0$ 开始,所以第 $k+1$ 项对应组合数 $\mathrm{C}_n^k$。
  • 求指定项、常数项、有理项,通常设通项中的指数满足条件,解出 $k$。

12.3.3 二项式系数的性质

  • 对称性:$\mathrm{C}_n^k=\mathrm{C}_n^{n-k}$。
  • 二项式系数先增后减,中间项最大:
    • 当 $n$ 为偶数时,中间一项(第 $\frac n2+1$ 项)的二项式系数最大;
    • 当 $n$ 为奇数时,中间两项(第 $\frac{n+1}{2}$ 项和第 $\frac{n+3}{2}$ 项)的二项式系数相等且最大。
  • 各二项式系数之和:

$$ \mathrm{C}_n^0+\mathrm{C}_n^1+\cdots+\mathrm{C}_n^n=2^n $$

  • 奇数项二项式系数之和等于偶数项二项式系数之和:

$$ \mathrm{C}_n^0+\mathrm{C}_n^2+\cdots=\mathrm{C}_n^1+\mathrm{C}_n^3+\cdots=2^{n-1} $$

12.3.4 赋值法

  • 令 $a=b=1$,得各项系数之和。
  • 令 $a=1,b=-1$,得奇数项系数和与偶数项系数和之差。
  • 令 $a=0,b=1$,得常数项。
  • 赋值法是求系数和、系数差、特定项系数的常用方法。
  • 证明整除或求余数:把幂的底数写成除数的倍数与余数之和,展开后只保留与余数有关的部分。
  • 近似计算:当 $|x|$ 很小时,$(1+x)^n\approx1+nx$(一阶近似)。

12.3.5 二项式系数与项的系数

  • 二项式系数:$\mathrm{C}_n^k$,只与 $n,k$ 有关。
  • 项的系数:该项中除字母外的常数部分,包括符号和字母前面的数字因数。
  • 求“二项式系数最大项”和“系数最大项”是不同的问题,后者需要比较相邻两项的系数。

12.4 计数综合

12.4.1 数字排列问题

  • 用若干个数字组成没有重复数字的数,要注意最高位不能为 $0$。
  • 有特殊要求的数字(如偶数个位为偶数、能被 $3$ 整除各位数字和为 $3$ 的倍数)要优先处理。
  • 可以按特殊位置分类,也可以用间接法。

12.4.2 相邻与不相邻问题

  • 相邻问题用捆绑法:把相邻元素捆绑成一个整体,注意整体内部还要排列。
  • 不相邻问题用插空法:先排其他元素,再把不相邻元素插入空隙,注意首尾空隙。
  • 既有相邻又有不相邻的问题,通常先处理相邻,再处理不相邻。

12.4.3 分组与分配问题

  • 分组问题:把元素分成若干组,组与组之间没有区别。
  • 分配问题:把元素分给不同对象,对象之间有区别。
  • 平均分组要除以组数的阶乘;非平均分组不需要。
  • 分配问题:先分组,再乘以对象数的阶乘。

12.4.4 染色问题

  • 按区域依次染色,注意相邻区域不能同色。
  • 可以从颜色数少的区域或相邻关系多的区域入手。
  • 染色问题常用分类讨论和分步乘法原理。

练习

  1. 从甲地到乙地,一天中有火车 $3$ 班、汽车 $4$ 班、轮船 $2$ 班。 (1)一天中从甲地到乙地共有多少种不同的走法? (2)若往返都从这些班次中选择,且去、回可以相同,共有多少种不同的往返方式?

  2. $5$ 个人排成一排,甲必须站在排头,共有多少种不同的排法?

  3. 从 $7$ 个人中选出 $3$ 人参加一项活动,共有多少种不同的选法?

  4. 用 $0,1,2,3,4$ 组成没有重复数字的三位数,共有多少个?

  5. $4$ 名男生和 $3$ 名女生排成一排,$3$ 名女生必须相邻,共有多少种不同的排法?

  6. $4$ 名男生和 $3$ 名女生排成一排,$3$ 名女生互不相邻,共有多少种不同的排法?

  7. 把 $6$ 个人平均分成 $3$ 组,每组 $2$ 人,共有多少种不同的分法?

  8. 求 $(x+2)^6$ 的展开式中 $x^3$ 的系数。

  9. 求 $\left(x-\frac1x\right)^6$ 的展开式中的常数项。

  10. 已知 $(1+x)^n$ 的展开式中各二项式系数之和为 $64$,求 $n$。

  11. 计算 $\mathrm{C}{10}^3+\mathrm{C}{10}^4$,并用组合数性质验证结果。

  12. 把 $5$ 名志愿者分配到 $3$ 个不同的岗位,每个岗位至少分配 $1$ 人,共有多少种不同的分配方法?

检测题

  1. 判断下面各题,并说明理由。 (1)分类加法计数原理中,各类办法之间可以重复。 (2)排列与顺序有关,组合与顺序无关。 (3)$\mathrm{C}_n^m=\frac{\mathrm{A}_n^m}{m!}$。 (4)$(a+b)^n$ 的展开式中各二项式系数之和为 $2^n$。

  2. 计算下列各值。 (1)$\mathrm{A}_6^3$ (2)$\mathrm{C}8^3$ (3)$\mathrm{C}{10}^7$

  3. 用 $1,2,3,4,5$ 组成没有重复数字的四位偶数,共有多少个?

  4. $5$ 个人排成一排,甲不站在排头,乙不站在排尾,共有多少种不同的排法?

  5. $3$ 名男生和 $2$ 名女生排成一排,$2$ 名女生不相邻,共有多少种不同的排法?

  6. 求 $(2x-1)^5$ 的展开式中 $x^3$ 的系数。

  7. 求 $(x+1)^8$ 的展开式中二项式系数最大的项。

  8. 下面是小明的解题过程,请判断是否正确,并说明理由。 从 $5$ 个人中选出 $3$ 人站成一排,共有 $\mathrm{C}_5^3=10$ 种不同的站法。

  9. 写出满足下列条件的一个计数问题各一个。 (1)用分类加法计数原理解决的问题。 (2)用分步乘法计数原理解决的问题。 (3)用组合数解决的问题。

  10. 把 $6$ 个人分成一组 $4$ 人、一组 $2$ 人的两组,其中 $4$ 人组去甲地,$2$ 人组去乙地,共有多少种不同的安排方法?


参考答案与提示

  1. (1)$3+4+2=9$ 种;(2)去有 $9$ 种,回有 $9$ 种,共 $9\times9=81$ 种。
  2. 甲站排头,其余 $4$ 人全排列:$4!=24$ 种。
  3. $\mathrm{C}_7^3=\frac{7\times6\times5}{3\times2\times1}=35$ 种。
  4. 百位不能为 $0$,有 $4$ 种选法;十位有 $4$ 种;个位有 $3$ 种。共 $4\times4\times3=48$ 个。
  5. 把 $3$ 名女生捆绑成一个整体,与 $4$ 名男生共 $5$ 个元素全排列,再考虑女生内部顺序:$5!\times3!=120\times6=720$ 种。
  6. 先排 $4$ 名男生,形成 $5$ 个空隙;从 $5$ 个空隙中选 $3$ 个安排女生,并考虑女生顺序:$4!\times\mathrm{A}_5^3=24\times60=1440$ 种。
  7. 平均分组:$\frac{\mathrm{C}_6^2\mathrm{C}_4^2\mathrm{C}_2^2}{3!}=\frac{15\times6\times1}{6}=15$ 种。
  8. 通项 $T_{k+1}=\mathrm{C}_6^kx^{6-k}2^k$。令 $6-k=3$,得 $k=3$,系数为 $\mathrm{C}_6^3\times2^3=20\times8=160$。
  9. 通项 $T_{k+1}=\mathrm{C}_6^kx^{6-k}\left(-\frac1x\right)^k=(-1)^k\mathrm{C}_6^kx^{6-2k}$。令 $6-2k=0$,得 $k=3$,常数项为 $(-1)^3\mathrm{C}_6^3=-20$。
  10. $2^n=64$,所以 $n=6$。
  11. $\mathrm{C}{10}^3=120$,$\mathrm{C}{10}^4=210$,和为 $330$;由性质 $\mathrm{C}{10}^3+\mathrm{C}{10}^4=\mathrm{C}_{11}^4=330$。
  12. 分两类:$3,1,1$ 型有 $\mathrm{C}_5^3\times3!=60$ 种;$2,2,1$ 型有 $\frac{\mathrm{C}_5^2\mathrm{C}_3^2}{2!}\times3!=15\times6=90$ 种。共 $60+90=150$ 种。

检测题参考答案

  1. (1)错误,各类办法必须互斥,不能重复;(2)正确,排列有序,组合无序;(3)正确,组合数等于排列数除以 $m$ 个元素的全排列;(4)正确,令 $a=b=1$ 即可得到。
  2. (1)$\mathrm{A}6^3=6\times5\times4=120$;(2)$\mathrm{C}8^3=\frac{8\times7\times6}{3\times2\times1}=56$;(3)$\mathrm{C}{10}^7=\mathrm{C}{10}^3=120$。
  3. 末位只能排 $2$ 或 $4$,有 $2$ 种;前三位从剩余 $4$ 个数字中选 $3$ 个排列,有 $\mathrm{A}_4^3=24$ 种。共 $2\times24=48$ 个。
  4. 用间接法:总排列 $5!=120$;甲站排头有 $4!=24$ 种,乙站排尾有 $4!=24$ 种;甲站排头且乙站排尾有 $3!=6$ 种。所以共有 $120-24-24+6=78$ 种。
  5. 先排 $3$ 名男生,形成 $4$ 个空隙;从 $4$ 个空隙中选 $2$ 个安排女生,并考虑女生顺序:$3!\times\mathrm{A}_4^2=6\times12=72$ 种。
  6. 通项 $T_{k+1}=\mathrm{C}_5^k(2x)^{5-k}(-1)^k$。令 $5-k=3$,得 $k=2$,系数为 $\mathrm{C}_5^2\times2^3\times(-1)^2=10\times8=80$。
  7. $n=8$ 为偶数,二项式系数最大的是中间第 $5$ 项:$T_5=\mathrm{C}_8^4x^4=70x^4$。
  8. 不正确。选出 $3$ 人后还要站成一排,与顺序有关,应选排列数 $\mathrm{A}_5^3=5\times4\times3=60$ 种。
  9. 示例:(1)从甲地到乙地可以乘火车($3$ 班)或汽车($4$ 班),共有多少种走法;(2)从甲地经乙地到丙地,甲到乙有 $2$ 条路,乙到丙有 $3$ 条路,共有多少种走法;(3)从 $8$ 人中选 $3$ 人参加座谈会,有多少种选法。
  10. 从 $6$ 人中选 $4$ 人去甲地,剩下 $2$ 人去乙地:$\mathrm{C}_6^4=15$ 种;也可以先选 $2$ 人去乙地,同样为 $\mathrm{C}_6^2=15$ 种。