2020年高考数学一轮江苏理
第11章
11.2
排列与组合
2020
年高
数学
一轮
江苏
11
排列
组合
§11.2 排列与组合
考情考向分析 以理解和应用排列、组合的概念为主,常常以实际问题为载体,考查分类讨论思想,考查分析、解决问题的能力,题型以解答题为主,难度为中档.
1.排列与组合的概念
名称
定义
排列
从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素
按照一定的顺序排成一列
组合
合成一组
2.排列数与组合数
(1)排列数的定义:从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有排列的个数叫做从n个不同元素中取出m个元素的排列数,用A表示.
(2)组合数的定义:从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有组合的个数,叫做从n个不同元素中取出m个元素的组合数,用C表示.
3.排列数、组合数的公式及性质
公式
(1)A=n(n-1)(n-2)…(n-m+1) =
(2)C===
性质
(3)0!=1;A=n!
(4)C=C;C=C+C__
概念方法微思考
1.排列问题和组合问题的区别是什么?
提示 元素之间与顺序有关的为排列,与顺序无关的为组合.
2.排列数与组合数公式之间有何关系?它们公式都有两种形式,如何选择使用?
提示 (1)排列数与组合数之间的联系为CA=A.
(2)两种形式分别为:①连乘积形式;②阶乘形式.
前者多用于数字计算,后者多用于含有字母的排列数式子的变形与论证.
3.解排列组合综合应用问题的思路有哪些?
提示 解排列组合综合应用题要从“分析”“分辨”“分类”“分步”的角度入手.“分析”是找出题目的条件、结论,哪些是“元素”,哪些是“位置”;“分辨”就是辨别是排列还是组合,对某些元素的位置有无限制等;“分类”就是对于较复杂的应用题中的元素往往分成互相排斥的几类,然后逐类解决;“分步”就是把问题化成几个相互联系的步骤,而每一步都是简单的排列组合问题,然后逐步解决.
题组一 思考辨析
1.判断下列结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)
(1)所有元素完全相同的两个排列为相同排列.( × )
(2)两个组合相同的充要条件是其中的元素完全相同.( √ )
(3)(n+1)!-n!=n·n!.( √ )
(4)若组合式C=C,则x=m成立.( × )
(5)kC=nC.( √ )
题组二 教材改编
2.[P29习题T5]6把椅子摆成一排,3人随机就座,任何两人不相邻的坐法种数为________.
答案 24
解析 “插空法”,先排3个空位,形成4个空隙供3人选择就座,因此任何两人不相邻的坐法种数为A=4×3×2=24.
3.[P24习题T7]某校拟从4名男教师和5名女教师中各选2名教师开设公开课,则男教师A和女教师B至少有一名被选中的不同选法的种数是________.
答案 42
解析 从4名男教师和5名女教师中各选2名教师开设公开课,所有的选法种数是C×C=60.男教师A和女教师B都没有被选中的选法种数是C×C=18,故男教师A和女教师B至少有一名被选中的不同选法的种数是60-18=42.
题组三 易错自纠
4.六个人从左至右排成一行,最左端只能排甲或乙,最右端不能排甲,则不同的排法共有________种.
答案 216
解析 第一类:甲在最左端,有A=5×4×3×2×1=120(种)排法;
第二类:乙在最左端,甲不在最右端,
有4A=4×4×3×2×1=96(种)排法.
所以共有120+96=216(种)排法.
5.为发展国外孔子学院,教育部选派6名中文教师到泰国、马来西亚、缅甸任教中文,若每个国家至少去一人,则不同的选派方案种数为________.
答案 540
解析 依题意,选派方案分为三类:①一个国家派4名,另两个国家各派1名,有·A=90(种);②一个国家派3名,一个国家派2名,一个国家派1名,有CCCA=360(种);③每个国家各派2名,有·A=90(种),
故不同的选派方案种数为90+360+90=540.
6.寒假里5名同学结伴乘动车外出旅游,实名制购票,每人一座,恰在同一排A,B,C,D,E五个座位(一排共五个座位),上车后五人在这五个座位上随意坐,则恰有一人坐对与自己车票相符座位的坐法有______种.(用数字作答)
答案 45
解析 设5名同学也用A,B,C,D,E来表示,若恰有一人坐对与自己车票相符的坐法,设E同学坐在自己的座位上,则其他四位都不坐自己的座位,则有BADC,BDAC,BCDA,CADB,CDAB,CDBA,DABC,DCAB,DCBA,共9种坐法,则恰有一人坐对与自己车票相符座位的坐法有9×5=45(种).
题型一 排列问题
1.用1,2,3,4,5这五个数字,可以组成比20 000大,并且百位数不是数字3的没有重复数字的五位数,共有________个.
答案 78
解析 根据题意知,要求这个五位数比20 000大,则首位必须是2,3,4,5这4个数字中的一个,当首位是3时,百位数不是数字3,符合要求的五位数有A=24(个);当首位是2,4,5时,由于百位数不能是数字3,则符合要求的五位数有3×(A-A)=54(个),因此共有54+24=78(个)这样的五位数符合要求.
2.某高三毕业班有40人,同学之间两两彼此给对方写一条毕业留言,那么全班共写了________条毕业留言.(用数字作答)
答案 1 560
解析 由题意知两两彼此给对方写一条毕业留言相当于从40人中任选两人的排列数,所以全班共写了A=40×39=1 560(条)留言.
3.6名同学站成1排照相,要求同学甲既不站在最左边又不站在最右边,共有________种不同站法.
答案 480
解析 方法一 (位置优先法)先从其他5人中安排2人站在最左边和最右边,再安排余下4人的位置,分为两步:
第1步,从除甲外的5人中选2人站在最左边和最右边,有A种站法;
第2步,余下4人(含甲)站在剩下的4个位置上,有A种站法.
由分步计数原理可知,共有AA=480(种)不同的站法.
方法二 (元素优先法)先安排甲的位置(既不站在最左边又不站在最右边),再安排其他5人的位置,分为两步:
第1步,将甲排在除最左边、最右边外的任意位置上,有A种站法;
第2步,余下5人站在剩下的5个位置上,有A种站法.
由分步计数原理可知,共有AA=480(种)不同的站法.
思维升华 排列应用问题的分类与解法
(1)对于有限制条件的排列问题,分析问题时有位置分析法、元素分析法,在实际进行排列时一般采用特殊元素优先原则,即先安排有限制条件的元素或有限制条件的位置,对于分类过多的问题可以采用间接法.
(2)对相邻问题采用捆绑法、不相邻问题采用插空法、定序问题采用倍缩法是解决有限制条件的排列问题的常用方法.
题型二 组合问题
例1 男运动员6名,女运动员4名,其中男、女队长各1名.现选派5人外出参加比赛,在下列情形中各有多少种选派方法?
(1)男运动员3名,女运动员2名;
(2)至少有1名女运动员;
(3)队长中至少有1人参加;
(4)既要有队长,又要有女运动员.
解 (1)分两步完成:
第一步,选3名男运动员,有C种选法;
第二步,选2名女运动员,有C种选法.由分步计数原理可得,共有C· C=120(种)选法.
(2)方法一 “至少有1名女运动员”包括以下四种情况:
1女4男,2女3男,3女2男,4女1男.
由分类计数原理可得总选法共有CC+CC+CC+CC=246(种).
方法二 “至少有1名女运动员”的反面为“全是男运动员”,可用间接法求解.
从10人中任选5人有C种选法,其中全是男运动员的选法有C种.所以“至少有1名女运动员”的选法有C-C=246(种).
(3)方法一 (直接法)可分类求解:
“只有男队长”的选法种数为C;
“只有女队长”的选法种数为C;
“男、女队长都入选”的选法种数为C,
所以共有2C+C=196(种)选法.
方法二 (间接法)从10人中任选5人有C种选法,
其中不选队长的方法有C种.所以“至少有1名队长”的选法有C-C=196(种).
(4)当有女队长时,其他人任意选,共有C种选法;当不选女队长时,必选男队长,共有C种选法,其中不含女运动员的选法有C种,所以不选女队长时的选法共有(C-C)种.所以既要有队长又要有女运动员的选法共有C+C-C=191(种).
思维升华 组合问题常有以下两类题型变化:
(1)“含有”或“不含有”某些元素的组合题型:“含”,则先将这些元素取出,再由另外元素补足;“不含”,则先将这些元素剔除,再从剩下的元素中去选取.
(2)“至少”或“至多”含有几个元素的组合题型:解这类题必须十分重视“至少”与“至多”这两个关键词的含义,谨防重复与漏解.用直接法和间接法都可以求解,通常用直接法分类复杂时,考虑逆向思维,用间接法处理.
跟踪训练1 某市工商局对35种商品进行抽样检查,已知其中有15种假货.现从35种商品中选取3种.
(1)其中某一种假货必须在内,不同的取法有多少种?
(2)其中某一种假货不能在内,不同的取法有多少种?
(3)恰有2种假货在内,不同的取法有多少种?
(4)至少有2种假货在内,不同的取法有多少种?
(5)至多有2种假货在内,不同的取法有多少种?
解 (1)从余下的34种商品中,选取2种有C=561(种)取法,
∴某一种假货必须在内的不同取法有561种.
(2)从34种可选商品中,选取3种,有C种或者C-C=C=5 984(种)取法.
∴某一种假货不能在内的不同取法有5 984种.
(3)从20种真货中选取1种,从15种假货中选取2种有CC=2 100(种)取法.
∴恰有2种假货在内的不同的取法有2 100种.
(4)选取2种假货有CC种,选取3种假货有C种,共有选取方式CC+C=2 100+455=2 555(种).
∴至少有2种假货在内的不同的取法有2 555种.
(5)方法一 (间接法)
选取3种的总数为C,因此共有选取方式
C-C=6 545-455=6 090(种).
∴至多有2种假货在内的不同的取法有6 090种.
方法二 (直接法)
选取3种真货有C种,选取2种真货有CC种,选取1种真货有CC种,
因此共有选取方式C+CC+CC=6 090(种).
∴至多有2种假货在内的不同的取法有6 090种.
题型三 组合数的性质
例2 (2016·江苏)(1)求7C-4C的值;
(2)设m,n∈N*,n≥m,求证:
(m+1)C+(m+2)C+(m+3)C+…+nC+(n+1)C=(m+1)C.
(1)解 7C-4C=7×20-4×35=0.
(2)证明 当n=m时,结论显然成立.
当n>m时,(k+1)C=
=(m+1)·
=(m+1)C,
k=m+1,m+2,…,n.
又因为C+C=C,
所以(k+1)C=(m+1)(C-C),
k=m+1,m+2,…,n.
因此,(m+1)C+(m+2)C+(m+3)C+…+(n+1)C
=(m+1)C+[(m+2)C+(m+3)C+…+(n+1)C]
=(m+1)C+(m+1)[(C-C)+C-C+…+(C-C)]
=(m+1)C.
思维升华 (1)组合数的性质可结合实际问题理解记忆.
(2)利用kC=nC和C=C+C可有效解决一些常见组合数的求和问题.
跟踪训练2 已知m,n∈N*,定义fn(m)=.
(1)求f4(2),f4(5)的值;
(2)证明:k·2kfn(k)]=2n·3n-1.
(1)解 f4(2)==6,f4(5)==0.
(2)证明 fn(m)=
当n=1时,k·2kfn(k)]=2=2n·3n-1,等式成立.
当n≥2时,k·2kfn(k)]=1×2fn(1)+2×22fn(2)+3×23fn(3)+…+n×2nfn(n)
=1×2C+2×22C+3×23C+…+n×2nC,
由于k· C=k·
=n· =n· C,
所以k·2nfn(k)]=n×2C+n×22C+n×23C+…+n×2nC=2n(1+2)n-1=2n·3n-1,
综上所述,∀n∈N*,k·2kfn(k)]=2n·3n-1成立.
题型四 排列与组合的综合问题
命题点1 相邻问题
例3 为配合足球国家战略,教育部特派6名相关专业技术人员到甲、乙、丙三所足校进行专业技术培训,每所学校至少一人,其中王教练不去甲校的分配方案有________种.
答案 360
解析 甲校派1人,其余5人分为(1,4),(2,3)两组,
故有C·(C+C)·A=150(种),
甲校派2人,其余4人分为(1,3),(2,2)两组,
故有C·(C·A+C)=140(种),
甲校派3人,其余3人分为(1,2)一组,
故有C·C·A=60(种),
甲校派4人,共余2人分为(1,1)一组,
故有C·A=10(种),
根据分类计数原理,可得共有150+140+60+10=360(种)分配方案.
命题点2 相间问题
例4 某次联欢会要安排3个歌舞类节目,2个小品类节目和1个相声类节目的演出顺序,则同类节目不相邻的排法种数是________.
答案 120
解析 先安排小品节目和相声节目,然后让歌舞节目去插空.安排小品节目和相声节目的顺序有三种:“小品1,小品2,相声”“小品1,相声,小品2”和“相声,小品1,小品2”.对于第一种情况,形式为“□小品1歌舞1小品2□相声□”,有ACA=36(种)安排方法;同理,第三种情况也有36种安排方法,对于第二种情况,三个节目形成4个空,其形式为“□小品1□相声□小品2□”,有AA=48(种)安排方法,故共有36+36+48=120(种)安排方法.
命题点3 特殊元素(位置)问题
例5 大数据时代出现了滴滴打车服务,二胎政策的放开使得家庭中有两个孩子的现象普遍存在.某城市关系要好的A,B,C,D四个家庭各有两个孩子共8人,他们准备使用滴滴打车软件,分乘甲、乙两辆汽车出去游玩,每车限坐4名(乘同一辆车的4个孩子不考虑位置),其中A家庭的孪生姐妹需乘同一辆车,则乘坐甲车的4个孩子恰有2个来自于同一个家庭的乘坐方式共有________种.
答案 24
解析 根据题意,分两种情况讨论:
①A家庭的孪生姐妹在甲车上,甲车上另外的两个孩子要来自不同的家庭,可以在剩下的三个家庭中任选2个,再从每个家庭的2个孩子中任选一个来乘坐甲车,
有C×C×C=12(种)乘坐方式;
②A家庭的孪生姐妹不在甲车上,需要在剩下的三个家庭中任选1个,让其2个孩子都在甲车上,对于剩余的两个家庭,从每个家庭的2个孩子中任选一个来乘坐甲车,有C×C×C=12(种)乘坐方式,
故共有12+12=24(种)乘坐方式.
思维升华 解排列、组合问题要遵循的两个原则
①按元素(位置)的性质进行分类;
②按事情发生的过程进行分步.具体地说,解排列、组合问题常以元素(位置)为主体,即先满足特殊元素(位置),再考虑其他元素(位置).
跟踪训练3 (1)把5件不同的产品摆成一排,若产品A与产品B相邻,且产品A与产品C不相邻,则不同的摆法有____种.
答案 36
解析 将产品A与B捆绑在一起,然后与其他三种产品进行全排列,共有AA种方法,将产品A,B,C捆绑在一起,且A在中间,然后与其他两种产品进行全排列,共有AA种方法.于是符合题意的摆法共有AA-AA=36(种).
(2)从6男2女共8名学生中选出队长1人,副队长1人,普通队员2人组成4人服务队,要求服务队中至少有1名女生,则共有________种不同的选法.(用数字作答)
答案 660
解析 方法一 只有1名女生时,先选1名女生,有C种方法;再选3名男生,有C种方法;然后排队长、副队长位置,有A种方法.由分步计数原理知,共有CCA=480(种)选法.
有2名女生时,再选2名男生,有C种方法;然后排队长、副队长位置,有A种方法.由分步计数原理知,共有CA=180(种)选法.所以依据分类计数原理知,共有480+180=660(种)不同的选法.
方法二 不考虑限制条件,共有AC种不同的选法,
而没有女生的选法有AC种,
故至少有1名女生的选法有AC-AC=840-180=660(种).
1.“中国梦”的英文翻译为“China Dream”,其中China又可以简写为CN,从“CN Dream”中取6个不同的字母排成一排,含有“ea”字母组合(顺序不变)的不同排列共有________种.
答案 600
解析 从其他5个字母中任取4个,然后与“ea”进行全排列,共有CA=600(种)不同的排列方式.
2.用数字1,2,3,4,5组成没有重复数字的五位数,其中奇数的个数为________.
答案 72
解析 由题意可知,五位数要为奇数,则个位数只能是1,3,5.分为两步:先从1,3,5三个数中选一个作为个位数有C种选法,再将剩下的4个数字排列有A种排法,则满足条件的五位数有C·A=72(个).
3.某小区有排成一排的7个车位,现有3辆不同型号的车需要停放,如果要求剩余的4个车位连在一起,那么不同的停放方法的种数为________.
答案 24
解析 将4个车位捆绑在一起,看成一个元素,先排3辆不同型号的车,在3个车位上任意排列,有A=6(种)排法,再将捆绑在一起的4个车位插入4个空档中,有4种方法,故共有4×6=24(种)方法.
4.安排3名志愿者完成4项工作,每人至少完成1项,每项工作由1人完成,则不同的安排方式共有________种.
答案 36
解析 由题意可知,其中1人必须完成2项工作,其他2人各完成1项工作,可得安排方式为C· C· A=36(种),或列式为C· C· C=3××2=36(种).
5.从A,B,C,D,E,F这6种不同的花朵中选出4种,插入4只不同的花瓶中展出,如果第1只花瓶内不能插入C,那么不同的插法种数为________.
答案 300
解析 由题意知,当选出的四朵花不含有C时,有A=120(种)结果,当选出的四朵花包含C时,先选出3朵花和C一起排列,C有三种结果,余下的三朵花在三个位置全排列有CCA=180(种)结果,根据分类计数原理得共有120+180=300(种)不同的插法.
6.有7个座位连成一排,现有4人就坐,则恰有2个空座位相邻的不同坐法有________种.(用数字作答)
答案 480
解析 根据题意,分2步进行分析:
①将4人全排列,安排在4个座位上,有A=24(种)情况,排好后,有5个空档可用;
②将3个空座位分成1,2的两组,将其安排在5个空档之中,有A=20(种)情况,则恰有2个空座位相邻的不同坐法有24×20=480(种).
7.在报名的3名男教师和6名女教师中,选取5人参加义务献血,要求男、女教师都有,则不同的选取方式的种数为________.(用数字作答)
答案 120
解析 ①1男4女,有CC=45(种)选取方式;
②2男3女,有CC=60(种)选取方式;
③3男2女,有CC=15(种)选取方式;
∴共有45+60+15=120(种)不同的选取方式.
8.在8张奖券中有一、二、三等奖各1张,其余5张无奖.将这8张奖券分配给4个人,每人2张,不同的获奖情况有________种.(用数字作答)
答案 60
解析 分两类:第一类:3张中奖奖券分给3个人,共A种分法;
第二类:3张中奖奖券分给2个人,相当于把3张中奖奖券分两组再分给4人中的2人,共有CA种分法.
总获奖情况共有A+CA=60(种).
9.(2018·南通模拟)要从甲、乙等8人中选4人在座谈会上发言,若甲、乙都被选中,且他们发言中间恰好间隔一人,那么不同的发言顺序共有________种.(用数字作答)
答案 120
解析 先从除了甲、乙以外的6人中选一人,安排在甲、乙中间,有CA=12(种),把这三个人看成一个整体,与从剩下的五人中选出的一个人全排列,有CA=10(种),故不同的发言顺序共有12×10=120(种).
10.某宾馆安排A,B,C,D,E五人入住3个房间,每个房间至少住1人,且A,B不能住同一房间,则共有________种不同的安排方法.(用数字作答)
答案 114
解析 5个人住3个房间,每个房间至少住1人,则有(3,1,1)和(2,2,1)两种,当为(3,1,1)时,有C·A=60(种),A,B住同一房间有C·A=18(种),故有60-18=42(种),当为(2,2,1)时,有·A=90(种),A,B住同一房间有C·A=18(种),
故有90-18=72(种),
根据分类计数原理可知,共有42+72=114(种)不同的安排方法.
11.某区有7条南北向街道,5条东西向街道(如图所示).
(1)图中共有多少个矩形?
(2)从点A到点B最近的走法有多少种?
解 (1)在7条竖线中任选2条,5条横线中任选2条,这样4条线可组成1个矩形,故可组成矩形C·C=210(个).
(2)每条东西向的街道被分成6段,每条南北向的街道被分成4段,从A到B最短的走法,无论怎样走,一定包括10段,其中6段方向相同,另外4段方向相同,每种走法,即是从10段中选出6段,这6段是走东西方向的,共有C=C=210(种)走法(同样可从10段中选4段走南北方向,每种选法即是1种走法),所以共有210种走法.
12.设n≥3,n∈N*,在集合{1,2,…,n}的所有元素个数为2的子集中,把每个子集的较大元素相加,和记为a,较小元素之和记为b.
(1)当n=3时,求a,b的值;
(2)求证:对任意的n≥3,n∈N*,为定值.
(1)解 当n=3时,集合{1,2,3}的所有元素个数为2的子集为{1,2},{1,3},{2,3},
所以a=2+3+3=8,b=1+1+2=4.
(2)证明 当n≥3,n∈N*时,依题意,
b=1×C+2×C+3×C+…+(n-2)×C+(n-1)×C
a=2×C+3×C+4×C+…+(n-1)×C+n×C
=2×1+3×2+4×3+…+(n-1)×(n-2)+n×(n-1)
则=C+C+C+…+C
=C+C+C+…+C
=C+C+…+C=…=C.
所以a=2C.
又a+b=(1+2+3+…+n)×C=×(n-1)=3C,
所以b=C,
所以=(定值).
13.7人站成两排队列,前排3人,后排4人,现将甲、乙、丙三人加入队列,前排加一人,后排加两人,其他人保持相对位置不变,则不同的加入方法的种数为________.
答案 360
解析 前排3人有4个空,从甲、乙、丙3人中选1人插入,有CC种方法,对于后排,若插入的2人不相邻,有A种方法;若相邻,有CA种方法,故共有CC(A+CA)=360(种)不同的加入方法.
14.设三位数n=,若以a,b,c为三条边的长可以构成一个等腰(含等边)三角形,则这样的三位数n有多少个?
解 a,b,c要能构成三角形的边长,显然均不为0,即a,b,c∈{1,2,3,…,9}.①若构成等边三角形,设这样的三位数的个数为n1,由于三位数中三个数字都相同,所以n1=C=9;②若构成等腰(非等边)三角形,设这样的三位数的个数为n2,由于三位数中只有2个不同数字,设为a,b,注意到三角形腰与底可以互换,所以可取的数组(a,b)共有2C组,但当大数为底时,设a>b,必须满足b<a<2b,此时,不能构成三角形的数字是
a
9
8
7
6
5
4
3
2
b
4,3,2,1
4,3,2,1
3,2,1
3,2,1
1,2
1,2
1
1
共20种情况.同时,每个数组(a,b)中的两个数字填上三个数位,有C种情况,故n2=C(2C-20)=156.
综上,n=n1+n2=165.
15.在第二届乌镇互联网大会中,为了提高安保的级别同时又为了方便接待,现为其中的五个参会国的人员安排酒店,这五个参会国的人员要在a,b,c三家酒店中任选一家,且这三家都至少有一个参会国的人员入住,则这样的安排方法共有________种.
答案 150
解析 这三家酒店入住的参会国数目有以下两种可能:
第一种,“2,2,1”,其安排方法有=90(种);
第二种,“3,1,1”,其安排方法有=60(种),
满足题意的安排方法共有90+60=150(种).
16.设集合A={(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7)|xi∈{-1,0,1},i=1,2,3,4,5,6,7},那么集合A中满足条件“1≤|x1|+|x2|+|x3|+…+|x7|≤4”的元素个数为________.
答案 938
解析 A中元素为有序数组(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7),题中要求有序数组的7个数中仅有1个±1,仅有2个±1,仅有3个±1或仅有4个±1,所以共有C×2+C×22+C×23+C×24=938(个).