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抽屉原理与排列组合

发布时间:2020-03-02 16:53:41 来源:范文大全 收藏本文 下载本文 手机版

抽屉原理

把4只苹果放到3个抽屉里去,共有3种放法,不论如何放,必有一个抽屉里至少放进两个苹果。同样,把5只苹果放到4个抽屉里去,必有一个抽屉里至少放进两个苹果。„„更进一步,我们能够得出这样的结论:把n+1只苹果放到n个抽屉里去,那么必定有一个抽屉里至少放进两个苹果。这个结论,通常被称为抽屉原理。

利用抽屉原理,可以说明(证明)许多有趣的现象或结论。不过,抽屉原理不是拿来就能用的,关键是要应用所学的数学知识去寻找“抽屉”,制造“抽屉”,弄清应当把什么看作“抽屉”,把什么看作“苹果”。

【例1】一个小组共有13名同学,其中至少有2名同学同一个月过生日。为什么?

【分析】每年里共有12个月,任何一个人的生日,一定在其中的某一个月。如果把这12个月看成12个“抽屉”,把13名同学的生日看成13只“苹果”,把13只苹果放进12个抽屉里,一定有一个抽屉里至少放2个苹果,也就是说,至少有2名同学在同一个月过生日。

【例 2】任意4个自然数,其中至少有两个数的差是3的倍数。这是为什么?

【分析】首先我们要弄清这样一条规律:如果两个自然数除以3的余数相同,那么这两个自然数的差是3的倍数。而任何一个自然数被3除的余数,或者是0,或者是1,或者是2,根据这三种情况,可以把自然数分成3类,这3种类型就是我们要制造的3个“抽屉”。我们把4个数看作“苹果”,根据抽屉原理,必定有一个抽屉里至少有2个数。换句话说,4个自然数分成3类,至少有两个是同一类。既然是同一类,那么这两个数被3除的余数就一定相同。所以,任意4个自然数,至少有2个自然数的差是3的倍数。

想一想,例2中4改为7,3改为6,结论成立吗?

【例3】有规格尺寸相同的5种颜色的袜子各15只混装在箱内,试问不论如何取,从箱中至少取出多少只就能保证有3双袜子(袜子无左、右之分)?

【分析】试想一下,从箱中取出6只、9只袜子,能配成3双袜子吗?回答是否定的。按5种颜色制作5个抽屉,根据抽屉原理1,只要取出6只袜子就总有一只抽屉里装2只,这2只就可配成一双。拿走这一双,尚剩4只,如果再补进2只又成6只,再根据抽屉原理1,又可配成一双拿走。如果再补进2只,又可取得第3双。所以,至少要取6+2+2=10只袜子,就一定会配成3双。

【例4】一个布袋中有35个同样大小的木球,其中白、黄、红三种颜色球各有10个,另外还有3个蓝色球、2个绿色球,试问一次至少取出多少个球,才能保证取出的球中至少有4个是同一颜色的球?

【分析】从最“不利”的取出情况入手。

最不利的情况是首先取出的5个球中,有3个是蓝色球、2个绿色球。

接下来,把白、黄、红三色看作三个抽屉,由于这三种颜色球相等均超过4个,所以,根据抽屉原理2,只要取出的球数多于(4-1)×3=9个,即至少应取出10个球,就可以保证取出的球至少有4个是同一抽屉(同一颜色)里的球。

故总共至少应取出10+5=15个球。

思考:把题中要求改为4个不同色,或者是两两同色,情形又如何?(答案分别为31和33)

当我们遇到“判别具有某种事物的性质有没有,至少有几个”这样的问题时,想到它——抽屉原理,这是你的一条“决胜”之路。

提示语

抽屉原理还可以反过来理解:假如把n+1个苹果放到n个抽屉里,放2个或2个以上苹果的抽屉一个也没有(与“必有一个抽屉放2个或2个以上的苹果”相反),那么,每个抽屉最多只放1个苹果,n个抽屉最多有n个苹果,与“n+1个苹果”的条件矛盾。

运用抽屉原理的关键是“制造抽屉”。通常,可采用把n个“苹果”进行合理分类的方法来制造抽屉。比如,若干个同学可按出生的月份不同分为12类,自然数可按被3除所得余数分为3类

排列组合问题

例1:某人到食堂去买饭,主食有三种,副食有五种,他主食和副食各买一种,共有多少种不同的买法?

分析:某人买饭要分两步完成,即先买一种主食,再买一种副食。其中,买主食有3种不同的方法,买副食有5种不同的方法。故可以由乘法原理解决:

解:由乘法原理,主食和副食各买一种共有3×5=15种不同的方法。

例2:书架上有6本不同的外语书,4本不同语文书,从中任取外语、语文书各一本,有多少本不同的取法?

分析:要做的事情是从外语、语文书中各取一本。完成它要分两步:即先取一本外语书(有6种取法),再取一本语文书(有4种取法)。所以,用乘法原理解决。

解:从架上各取一本共有6×4=24种不同的取法。

例3:由数字0、

1、

2、3组成的三位数,问:

(1)、可组成多少个不相等的三位数?

(2)、可组成多少个没有重复数字的三位数?

分析:在确定由0、

1、

2、3组成的三位数的过程中,应该一位一位地去确定。所以,每个问题都可以看成是分三个步骤来完成。

(1):要求组成不相等的三位数。所以,数字可以重复使用,百位上,不能取0,故有3种不同的取法;十位上,可以在四个数字中任取一个,有4种不同的取法;个位上,也有4种不同的取法,由乘法原理,共可组成3×4×4=48个不相等的三位数。

(2):要求组成的三位数中没有重复数字,百位上,不能取0,有3种不同的取法;十位上,由于百位上已在

1、

2、3中取走一个,故只剩下0和其它两个数字,故有3种取法;个位上,由于百位和十位已各取走一个数字,故只能在剩下的两个数字中取,有2种取法,由乘法原理,共有3×3×2=18个没有重复数字的三位数。

例4:现有一角的人民币4张,贰角的人民币2张,壹元的人民币3张,如果从中至少取一张,至多取9张,那么,共可以配成多少种不同的钱数?

分析:要从三种面值的人民币中任取几张,构成一个钱数,需一步一步地来做。如先取一解的,再取贰角的,最后取壹元的。但注意到,取2张一角的人民币和取1张贰角的人民币,得到的钱数是相同的。这就会产生重复,如何解决这一问题呢?我们可以把壹角的人民币4张和贰角的人民币2张统一起来考虑。即从中取出几张组成一种面值,看共可以组成多少种。分析得知,共可以组成从壹角到捌角间的任何一种面值,共8种情况。整个问题就变成了从8张壹角的人民币和3张壹元的人民币中分别取钱。这样,第一步,从8张壹角的人民币中取,共9种取法,即0、

1、

2、

3、

4、

5、

6、

7、8;第二步,从3张壹元的人民币中取共4种取法,即0、

1、

2、3.由乘法原理,共有9×4=36种情形,但注意到,要求”至少取一张”而现在包含了一张都不取的这一种情形,应减掉。所以有35种不同的情形。

例5:学校组织读书活动,要求每个同学读一本书。小明到图书馆借书时,图书馆有不同的外语书150本,不同的科技书200本,不同的小说100本。那么,小明借一本书可以有多少种不同的选法?

分析:在这个问题中,小明选一本书有三类方法。即要么选外语书,要么选科技书,要么选小说。所以,是就用加法原理的问题。

解:小明借一本书共有:150+200+100=450(种)不同的选法。

例6:一个口袋内装有3个小球,另一个口袋内装有8个小球,所有这些小球颜色各不相同。

问:(1)、从两个口袋内任取一个小球,有多少种不同的取法?(2)、从两个口袋内各取一个小球,有多少种不同的取法?

分析:(1)、从两个口袋中只需取一个小球,则这个小球要么从第一个口袋中取,要么从第二个口袋中取,共有两大类方法。所以是加法原理的问题。 (2)、要从两个口袋中各取一个小球,则可看成先从第一个口袋中取一个,再从第二个口袋中取一个,分两步完成,是乘法原理的问题。

解(1):3+8=11(种)

(2):3×8=24(种)

例7:有两个相同的正方体,每个正方体的六个面上分别标有数字

1、

2、

3、

4、

5、6。将两个正方体放到桌面上,向上的一面数字之和为偶数的有多少种情形?

分析:要使两个数字之和为偶数,只要这两个数字的奇偶性相同,即这两个数字同为奇数,要么同为偶数,所以,要分两大类来考虑。

第一类:两个数字同为奇数。由于放两个正方体可认为是一个一个地放。放第一个正方体时,出现奇数有三种可能,即1,3,5;放第二个正方体,出现奇数也有三种可能,由乘法原理,这时共有3×3=9种不同的情形。

第二类:两个数字同为偶数,类似第一类的讨论方法,也有9种不同的情形。

所以,最后再由加法原理即可求解。9+9=18(种)

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