插板法在排列組合中的應用

2021-01-19 別跡無涯

插板法在求解排列組合題目中有著重要的地位,但並不是所有排列組合問題都能夠用插板法。

使用插板法進行求解,需要滿足兩個條件:1)進行排列的元素都是同質的,也就是說不存在任何差異,將一個元素放入第1組和將另一個元素放入第1組沒有任何差別;2)每個分組至少保證有一個元素。

1. 標準的插板法習題

所謂標準的插板法習題,是指習題完全滿足插板法的兩個條件,如下面的習題1。

首先驗證習題1是否滿足插板法的兩個條件。

「完全相同的桌球」說明10個桌球同質,滿足條件1「進行排列的元素都是同質的」。

「每個分組至少有一個桌球」,滿足條件2「每個分組至少保證有一個元素」。

接下來就需要對標準的插板法習題進行求解了。

求解這類習題的關鍵在於能夠正確識別空位的個數。習題1中相同元素個數只有10個,數量較少,可以採用畫圖法說明如何識別空位個數。

再進行分析前,不妨先考慮一個現實中的問題:如果想將一個蘋果切成三份,需要切幾刀?顯然只需在蘋果上切兩刀就夠了。

自然地,如果要將10個相同元素分成三組,同樣只需要在10個相同元素上切兩刀,也就是放兩塊擋板。擋板該放哪呢?下圖的1和2處不能放擋板,因為這相同與在蘋果外面切了。因此兩塊擋板只能放在下圖紅色實線處。10個相同元素總共有9條紅線處可放擋板,但我們只需放兩塊擋板,因此,分組方法個數為:

從上面習題可以看出,10個相同元素形成9個空白,因此n個相同元素形成n-1個空白,從而,對於標準的插板法習題,分組方法個數可以表示為:

2. 變形的插板法習題

一個較難的插板法排列組合習題,通常不會直接考標準形式的,而會稍加變形。

習題2就是一種典型的變形題。插板法排列組合變形題的特徵有兩個:1)對相同元素進行分組。2)對部分或全部分組進行個數限制。

如何求解這類變形的插板法排列組合習題呢?

第一步,先分球,保證每個分組在運用標準形式公式前,至少要放一個球。第一組至少一個球,已經滿足標準形式要求,不用先分球;第二組應先放兩個球(注意這時的選擇方法個數不是C(10,2),因為10個桌球是同質的,無論選擇哪兩個,都是一樣的,因此這裡先放兩個球的方法個數為1),這樣就保證了後續在運用標準形式公式前,第二個分組至少要放一個球;第三個分組可以為空,那我們可以在剩餘的8個桌球中新增一個「虛擬的」桌球,即形成9個桌球,這樣再採用標準形式公式時,可以保證第三個分組也至少有一個球。

第二步,運用公式進行計算,通過上述分球處理,我們可以直接運用公式計算即可。

在需要應用「插板法」的排列組合習題中,我們一定要注意如何把變形的轉化為標準形式的。只要大家多練習,就不會有問題啦!

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