Комбинаторика: основные правила и формулы.

КОМБИНАТОРИКА

Комбинаторика – раздел математики, который изучает задачи выбора и расположения элементов из некоторого основного множества в соответствии с заданными правилами. Формулы и  принципы  комбинаторики  используются  в  теории  вероятностей для подсчета  вероятности  случайных  событий и,  соответственно, получения законов распределения случайных величин. Это,  в  свою  очередь,  позволяет  исследовать  закономерности массовых случайных явлений, что является весьма важным для правильного понимания  статистических  закономерностей, проявляющихся в природе и технике.

 

Правила сложения и умножения в комбинаторике

Правило суммы.  Если два действия А и В взаимно исключают друг друга, причем действие А можно выполнить m способами, а В – n способами, то выполнить одно любое из этих действий (либо А, либо В) можно n + m  способами.

 

Пример 1.

В классе учится 16 мальчиков и 10 девочек. Сколькими способами можно назначить одного дежурного?

Решение

Дежурным можно назначить либо мальчика, либо девочку, т.е. дежурным может быть любой из 16 мальчиков, либо любая из 10 девочек.

По правилу суммы получаем, что одного дежурного можно назначить 16+10=26 способами.

 

Правило произведения.  Пусть требуется выполнить последовательно k действий. Если первое действие можно выполнить n₁ способами, второе действие n₂ способами, третье – n₃ способами и так до k-го действия, которое можно выполнить n_k  способами, то все k действий вместе могут быть выполнены:

способами.

Пример 2.

В классе учится 16 мальчиков и 10 девочек. Сколькими способами можно назначить двух дежурных?

Решение

Первым дежурным можно назначить либо мальчика, либо девочку. Т.к. в классе учится 16 мальчиков и 10 девочек, то назначить первого дежурного можно 16+10=26 способами.

После того, как мы выбрали первого дежурного, второго мы можем выбрать из оставшихся 25 человек, т.е. 25-ю способами.

По теореме умножения двое дежурных могут быть выбраны 26*25=650 способами.

 Сочетания без повторений. Сочетания с повторениями

 Классической задачей комбинаторики является задача о числе сочетаний без повторений, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно выбрать m из n различных предметов?

Пример 3.

Необходимо выбрать в подарок 4 из 10 имеющихся различных книг. Сколькими способами можно это сделать?

Решение

Нам из 10 книг нужно выбрать 4, причем порядок выбора не имеет значения. Таким образом, нужно найти число сочетаний из 10 элементов по 4:

.

 Рассмотрим задачу о числе сочетаний с повторениями: имеется по r одинаковых предметов каждого из n различных типов; сколькими способами можно выбрать m () из этих (n*r) предметов?

.

Пример 4.

В кондитерском магазине продавались 4 сорта пирожных: наполеоны, эклеры, песочные и слоеные. Сколькими способами можно купить 7 пирожных?

Решение

Т.к. среди 7 пирожных могут быть пирожные одного сорта, то число способов, которыми можно купить 7 пирожных, определяется числом сочетаний с повторениями из 7 по 4.

.

 Размещения без повторений. Размещения с повторениями

 Классической задачей комбинаторики является задача о числе размещений без повторений, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно выбрать

и разместить по m различным местам m из n различных предметов?

 

Пример 5.

В некоторой газете 12 страниц. Необходимо на страницах этой газеты поместить четыре фотографии. Сколькими способами можно это сделать, если ни одна страница газеты не должна содержать более одной фотографии?

Решение.

В  данной  задаче мы не просто выбираем фотографии, а размещаем их на определенных страницах газеты, причем каждая страница газеты должна содержать не более одной фотографии. Таким  образом,  задача сводится к классической задаче об определении числа размещений без повторений из 12 элементов по 4 элемента:

Таким образом, 4 фотографии на 12 страницах можно расположить 11880 способами.

 

Также классической задачей комбинаторики является задача о числе размещений с повторениями, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими

способами можно выбрать и разместить по m различным местам m из n предметов, среди которых есть одинаковые?

Пример 6.

У мальчика остались от набора для настольной игры штампы с цифрами 1, 3 и 7. Он решил с помощью этих штампов нанести на все книги пятизначные номера– составить каталог. Сколько различных пятизначных номеров может составить мальчик?

Решение

Можно  считать,  что  опыт  состоит  в 5-кратном выборе  с возращением одной из 3 цифр (1, 3, 7). Таким образом,  число  пятизначных  номеров  определяется  числом  размещений с повторениями из 3 элементов по 5:

.

 Перестановки без повторений. Перестановки с повторениями

 Классической задачей комбинаторики является задача о числе перестановок без повторения, содержание которой можно выразить вопросом:

сколькими способами можно разместить n различных предметов на n различных местах?

Пример 7.

Сколько можно составить четырехбуквенных «слов» из букв слова«брак»?

Решение

Генеральной  совокупностью  являются 4  буквы слова  «брак» (б, р, а, к). Число  «слов» определяется перестановками этих 4 букв, т. е.

Для случая, когда среди выбираемых n элементов есть одинаковые (выборка с возвращением), задачу о числе перестановок с повторениями можно выразить вопросом: сколькими способами можно переставить n предметов, расположенных на n различных местах, если среди n предметов имеются k различных типов (k < n), т. е. есть одинаковые предметы.

Пример 8.

Сколько разных буквосочетаний можно сделать из букв слова «Миссисипи»?

Решение

Здесь 1 буква  «м», 4 буквы «и», 3 буквы «c» и 1 буква  «п», всего 9 букв. Следовательно, число перестановок с повторениями равно

ОПО

Комбинаторика в Python / Habr

Стандартная библиотека python, начиная с версии 2.2, предоставляет множество средств для генерирования комбинаторных объектов, но в интернете мне не удалось найти ни одной статьи, которая подробно рассказывала бы о работе с ними. Поэтому я решил исправить это упущение.

Начну с того, что расскажу о комбинаторике и ее основных формулах. Если же вы уже знакомы с этим разделом математики — можете пропустить эти абзацы.

Допустим, у нас есть строка, состоящая из n разных букв и мы хотим вычислить все способы переставить эти буквы местами так, чтобы получить новую строку. На первую позицию в строке мы можем выбрать одну из n букв, имеющихся у нас, на вторую позицию одну из n-1-ой буквы и так далее. В итоге получаем произведение n (n-1)… *1 = n! количество перестановок из n элементов без повторений.

Теперь представим, что количество букв в строке ограничено. У нас есть n доступных букв и мы хотим вычислить количество способов составить из них строку длины k, где k < n, каждую букву мы можем использовать лишь единожды. Тогда на первую позицию в строке мы можем поставить одну из n букв, на вторую позицию одну из n-1 буквы и на k-ую позицию одну из n-k+1 буквы. Общее количество строк будет равно n (n — 1) (n — 2) … (n — k + 2) (n — k + 1) = n!/(n-k)! количество размещений из n по k. Если же уникальность букв не требуется, то мы получим формулу n…nn = n^k количество размещений из n по k с повторениями.

До этого мы перебирали последовательности с учетом порядка элементов, а что если порядок для нас не имеет значения. Например, у нас есть есть n разных конфет и мы хотим выбрать k из них, чтобы подарить другу, при чем k < n. Сколько существует способов выбрать k конфет из n без учета порядка? Ответ прост, в начале найдем размещение из n по k без повторений, но тогда одинаковые наборы конфет, имеющие разный порядок их следования будут повторяться. Сколько существует способов переставить k конфет? Правильно, перестановка из k элементов без повторений. Итоговый ответ: размещения из n по k делим на перестановки из k без повторений. Формула: количество сочетаний из n по k.

Рассмотрим случай посложнее, у нас есть n коробок каждая из которых содержит множество конфет одного вкуса, но в разных коробках вкусы разные. Сколько существует способов составить подарок другу из k конфет, при чем один и тот же вкус может встречаться любое количество раз? Так как порядок для нас значения не имеет, давайте разложим подарочные сладости следующим образом: в начале будут лежать последовательно конфеты первого вкуса, затем второго и так далее, а между конфетами разных вкусов положим спички, если конфеты какого-то вкуса отсутствуют в нашем подарке — спички, которые должны были окаймлять этот вкус слева и справа будут стоять рядом. Того у нас получится последовательность, состоящая из k конфет и n-1 спички, ибо вкусов всего n, а спички разделяют их. Теперь заметим, что по расположению спичек, мы можем восстановить исходное множество. Тогда ответом будет количество способов разместить n-1 спичку в n+k-1 ячейку без учета порядка, что равно количеству сочетаний из n+k-1 по n-1, формула: количество сочетаний из n по k с повторениями.

Теперь рассмотрим несколько задач на комбинаторику, чтобы закрепить материал.

Задача 1

Есть 20 человек, сколько существует способов разбить их на пары
Решение: возьмем первого человека, сколько существует способов выбрать ему пару: , возьмем второго человека, сколько существует способов выбрать ему пару: . Ответ: 19!!! = 654729075

Задача 2

Есть 10 мужчин и 10 девушек, сколько существует способов разбить их на компании, состоящие из одинакового количества и мужчин и девушек, пустая компания не считается
Решение:
Cпособ 1: количество способов собрать компанию из одного мужчины и одной девушки равно произведению количества способов выбрать одну девушку и количества способов выбрать одного мужчину. Количество способов выбрать одну девушку из 10 равно сочетанию из 10 по 1 без повторений, с мужчинами аналогично, поэтому возведем в квадрат. Далее аналогично вычислим сочетания из 10 по 2, из 10 по 3 и так далее до сочетания из 10 по 10. Итоговая формула: .

Способ 2: рассмотрим множество мужчин, входящих в компанию и множество девушек, не входящих в нее. По этому множеству можно однозначно восстановить компанию, а количество людей в нем всегда равно 10, так как , k — количество мужчин в компании, — количество девушек, не вошедших в нее. Количество таких множеств равно количеству сочетаний из 20 по 10, в конечном ответе мы также вычтем единицу, чтобы не учитывать пустую компанию, когда в нашем множестве 10 девушек. Итоговая формула: .

Итак, мы разобрались с теорией, теперь научимся генерировать комбинаторные объекты с помощью стандартной библиотеки python.
Работать мы будем с библиотекой itertools

from itertools import *

С помощью функции permutations

можно сгенерировать все перестановки для итерируемого объекта.

Пример 1

for i in permutations('abc'):
    print(i, end=' ') # abc acb bac bca cab cba
print()
for i in permutations('abb'):
    print(i, end=' ') # abb abb bab bba bab bba 

Исходя из второго вызова заметим, что одинаковые элементы, стоящие на разных позициях, считаются разными.

Пример 2

for i in permutations('abc', 2):
    print(i, end=' ') # ab ac ba bc ca cb 

Размещение отличается от перестановки ограничением на количество доступных ячеек

Пример 3

for i in product('abc', repeat=2):
    print(i, end=' ') # aa ab ac ba bb bc ca cb cc

C помощью размещений с повторениями можно легко перебрать все строки фиксированной длины, состоящие из заданных символов

Пример 4

for i in combinations('abcd', 2):
    print(i, end=' ') # ab ac ad bc bd cd 

С помощью сочетаний без повторений можно перебрать все наборы не повторяющихся букв из заданной строки, массива или другого итерируемого объекта без учета порядка

Пример 5

for i in combinations_with_replacement('abcd', 2):
    print(i, end=' ') # aa ab ac ad bb bc bd cc cd dd  

Результат аналогичен вызову combinations, но в результат также добавлены множества с одинаковыми элементами.

Материалы:
Н.В. Горбачев «Сборник олимпиадных задач по математике»
Документация по python на русском

Комбинаторика в EXCEL. Примеры и описание

Подсчитаем в MS EXCEL количество Сочетаний с повторениями из n по k (выборка с возвращением). Также с помощью формул выведем на лист соответствующие варианты Сочетаний (английский перевод термина: combinations with repetition).

Сочетания с повторениями (выборка с возвращением) — это Сочетание n объектов по k в предположении, что каждый объект может участвовать в сочетании несколько раз .

Примечание : О Сочетаниях без повторений (без возвращения элементов) можно прочитать в статье Сочетания без повторений: Комбинаторика в MS EXCEL

Например, из множества содержащего 3 (n) различных элемента ( a, b, c ) можно сформировать 6 =ФАКТР(3+2-1) / (ФАКТР (3-1) * ФАКТР (2)) упорядоченных наборов по 2 (k) элемента: аа , ab, ac, bb , bc, сс . В отличие от Сочетаний без повторений наборы аа , bb и сс допустимы. В отличие от Размещений наборы ac и ca считаются одинаковыми (порядок не важен).

В отличие от Сочетаний без повторений , k может быть меньше или больше n. Например, из множества содержащего 2 (n) различных элемента ( a, b ) можно сформировать 4 =ФАКТР(2+3-1) / (ФАКТР (2-1) * ФАКТР (3)) упорядоченных наборов по 3 (k) элемента (т.е. 4 сочетания с повторениями из 2 по 3): аа a , аab, abb , bbb .

В файле примера MS EXCEL приведен подсчет количества Сочетаний с повторениями и созданы формулы для вывода всех Сочетаний для заданных n и k.

Задавая с помощью элементов управления Счетчик количество элементов множества (n) и количество элементов, которое мы из него выбираем (k), с помощью формул можно вывести все Сочетания с повторениями.

Задача

В магазине платки 4-х цветов продаются вперемешку в огромной корзине. Женщина не может определиться с выбором, и поэтому решается довериться случаю – выбрать не глядя 3 платка. Определить число различных вариантов покупки 3-х платков.

Так как не важно, в какой последовательности женщина будет выбирать платки, то нам нужно определить число Сочетаний с повторениями покупки 3-х платков 4-х возможных цветов. Т.е. n=4, а k=3. Оказывается, что таких вариантов =(4+3-1)!/(4-1)!/3! равно 20.

Воспользуемся файлом примера , чтобы убедиться, что мы решили задачу правильно.

По аналогии с решением задачи в статье Размещения без повторений сопоставим произвольным образом 4-м различным цветам числовые значения: 1; 2; 3; 4.

Выставив в ячейках В5 и В6 значения 4 и 3 соответственно, определим все варианты размещений.

Примечание : О Перестановках можно прочитать в статье Перестановки без повторений: Комбинаторика в MS EXCEL , а о Размещениях в статье Размещения без повторений: Комбинаторика в MS EXCEL .

Размещение — Википедия

В комбинаторике размеще́нием (из n по k) называется упорядоченный набор из k различных элементов из некоторого множества различных n элементов.

Пример 1: ⟨1,3,2,5⟩{\displaystyle \langle 1,3,2,5\rangle } — это 4-элементное размещение из 6-элементного множества {1,2,3,4,5,6}{\displaystyle \{1,2,3,4,5,6\}}.

Пример 2: некоторые размещения элементов множества {1,2,3,4,5,6}{\displaystyle \{1,2,3,4,5,6\}} по 2: ⟨1,2⟩{\displaystyle \langle 1,2\rangle } ⟨1,3⟩{\displaystyle \langle 1,3\rangle } ⟨1,4⟩{\displaystyle \langle 1,4\rangle } ⟨1,5⟩{\displaystyle \langle 1,5\rangle } … ⟨2,1⟩{\displaystyle \langle 2,1\rangle } ⟨2,3⟩{\displaystyle \langle 2,3\rangle } ⟨2,4⟩{\displaystyle \langle 2,4\rangle } … ⟨2,6⟩{\displaystyle \langle 2,6\rangle }…

В отличие от сочетаний, размещения учитывают порядок следования предметов. Так, например, наборы ⟨2,1,3⟩{\displaystyle \langle 2,1,3\rangle } и ⟨3,2,1⟩{\displaystyle \langle 3,2,1\rangle } являются различными, хотя состоят из одних и тех же элементов {1,2,3}{\displaystyle \{1,2,3\}} (то есть совпадают как сочетания).

Заполнить ряд — значит надо поместить на каком-нибудь месте этого ряда какой-либо объект из данного множества (причем каждый объект можно использовать всего лишь один раз). Ряд, заполненный объектами данного множества, называется размещением , т.е мы разместили объекты на данных местах. ^[1]

Количество размещений из n по k, обозначаемое Ank{\displaystyle A_{n}^{k}}, равно убывающему факториалу:

Ank=nk_=(n)k=n(n−1)⋯(n−k+1)=n!(n−k)!=(nk)k!{\displaystyle A_{n}^{k}=n^{\underline {k}}=(n)_{k}=n(n-1)\cdots (n-k+1)={\frac {n!}{(n-k)!}}={\binom {n}{k}}k!}.

Последнее выражение имеет естественную комбинаторную интерпретацию: каждое размещение из n по k однозначно соответствует некоторому сочетанию из n по k и некоторой перестановке элементов этого сочетания; число сочетаний из n по k равно биномиальному коэффициенту (nk){\displaystyle {\tbinom {n}{k}}}, в то время как перестановок на k элементах ровно k! штук.

При k = n количество размещений равно количеству перестановок порядка n:^[2][3][4]

Ann=Pn=n!{\displaystyle A_{n}^{n}=P_{n}=n!}.

Справедливо следующее утверждение:Ann−1=Ann{\displaystyle A_{n}^{n-1}=A_{n}^{n}}. Доказывается тривиально:

Ann−1=n!(n−(n−1))!=n!(n−n+1)!=n!=Ann{\displaystyle A_{n}^{n-1}={\frac {n!}{(n-(n-1))!}}={\frac {n!}{(n-n+1)!}}=n!=A_{n}^{n}}.

Все 60 вариаций без повторения трех из пяти чисел

Размещение с повторениями или выборка с возвращением^[5] — это размещение «предметов» в предположении, что каждый «предмет» может участвовать в размещении несколько раз.

Количество размещений с повторениями[править | править код]

По правилу умножения количество размещений с повторениями из n по k, обозначаемое A¯nk{\displaystyle {\bar {A}}_{n}^{k}}, равно:^[6][2][5]

A¯nk=nk{\displaystyle {\bar {A}}_{n}^{k}=n^{k}}.

Например, количество вариантов 3-значного кода, в котором каждый знак является цифрой от 0 до 9 и может повторяться, равно:

A¯103=103=1000{\displaystyle {\bar {A}}_{10}^{3}=10^{3}=1000}.

Ещё один пример: размещений с повторениями из 4 элементов a, b, c, d по 2 равно 4² = 16, эти размещения следующие:

aa, ab, ac, ad, ba, bb, bc, bd, ca, cb, cc, cd, da, db, dc, dd.

Все 125 вариантов с повторением трех из пяти чисел