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排列、组合与圆排列

基础更新于 2026-09-29

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排列区分顺序,组合只区分选出的子集。把有序结果按同一子集分组,就得到两者的关系。

阶乘、排列与组合:乘法原理到除去重复

对正整数 nn,定义 n!=n(n−1)⋯2⋅1n!=n(n-1)\cdots2\cdot1,约定 0!=10!=1。从 nn 个不同元素中选出 mm 个排成有顺序的一列(0≤m≤n0\le m\le n),第一位有 nn 种,第二位有 n−1n-1 种,依次相乘得

Anm=n(n−1)⋯(n−m+1)=n!(n−m)!.A_n^m=n(n-1)\cdots(n-m+1)=\frac{n!}{(n-m)!}.

不区分选中元素的顺序时,每个 mm 元子集恰被其 m!m! 种排列重复计算。因此

(nm)=Cnm=Anmm!=n!m!(n−m)!.\binom nm=C_n^m=\frac{A_n^m}{m!}=\frac{n!}{m!(n-m)!}.

m=0m=0 时有一个空选择,故排列数与组合数都为 11。符号 PnmP_n^m 有时也表示排列数,应先看教材约定;不能把相同字母不同用法混用。

例如从 55 人选出 22 人:不分工有 (52)=10\binom52=10 种;分别任队长、副队长有 A52=20A_5^2=20 种。二者差别在“结果是否包含角色顺序”,不在计算技巧。

允许重复选择与相同元素排列

允许重复选择。 从 n≥1n\ge1 种元素中依次选择 m≥0m\ge0 次,每次均可选择任一种,且区分选择顺序,则有 nmn^m 种结果。原因是每一步都有 nn 种选择,使用乘法原理即可。m=0m=0 时只有一个空序列。

给定重数的排列。 有 kk 种元素,第 ii 种有 rir_i 个,同种元素不可区分;设 ri≥0r_i\ge0 且 r1+⋯+rk=nr_1+\cdots+r_k=n。使用全部元素排成一列的不同结果数为

n!r1!r2!⋯rk!.\frac{n!}{r_1!r_2!\cdots r_k!}.

证明。 先给每个元素贴上不同编号,得到 n!n! 个排列。擦去编号后,同种元素内部的 ri!r_i! 种编号次序产生同一结果。每个最终排列恰有 ∏iri!\prod_i r_i! 个带编号原像,因此除以这个固定重数。

这两个模型的区别在于:前者只规定种类和总长度,后者还规定每一类恰好使用多少个。若每一类的库存有限,允许重复选择公式 nmn^m 只有在任何长度为 mm 的选择都不超库存时才能直接使用;每类库存均至少为 mm 是一个充分条件。

计数求和中常约定:对非负整数 nn,当 m<0m<0 或 m>nm>n 时 (nm)=0\binom nm=0。这个约定方便统一公式,不代表能从 nn 个元素中实际选出超过 nn 个不同元素。

例

从 88 人中选 33 人作为小组,有 (83)=56\binom83=56 种;再指定组长有 56⋅3=16856\cdot3=168 种。若三个职位彼此不同,则为 A83=336A_8^3=336 种。

有角色与无角色:为什么要除以阶乘

从六人中选三人参加活动,无角色区别时有 (63)=20\binom63=20 种;选出队长、副队长、记录员时有 6⋅5⋅4=1206\cdot5\cdot4=120 种。因为每个三人集合有 3!=63!=6 种角色分配,后者除以 3!3! 才是前者。

把六人分为三个不具名的二人组,先按“第一组、第二组、第三组”选人得到 (62)(42)(22)=90\binom62\binom42\binom22=90。每个最终分组被三组的排列重复计算 3!3! 次,所以答案为 1515。若三组对应不同任务,则保留组的名称,答案为 9090。除以阶乘的依据是每个结果恰被重复计算同样次数,不能只因出现“分组”二字就除。

圆排列:哪些结果视为相同

从 nn 个不同对象中选出 mm 个围成一圈,1≤m≤n1\le m\le n。如果旋转后的结果视为相同,顺时针与逆时针次序仍作区分,则圆排列数为

(nm)(m−1)!=Anmm.\binom nm(m-1)!=\frac{A_n^m}{m}.

证明。 先选出参加排列的 mm 个对象。对每个确定的集合,固定其中一个对象为读取起点,其余 m−1m-1 个按顺时针顺序线性排列,共有 (m−1)!(m-1)! 种。等价地,m!m! 个线性排列中,恰有 mm 个只差起点,代表同一圆排列,所以除以 mm。

特别地,全部 nn 个对象参加时为 (n−1)!(n-1)!。如果座位有编号,旋转会改变对象所在的座位,便不能除去旋转重数;使用全部 nn 个编号座位时有 n!n! 种安排。若还把镜像视为同一种结果,则要另行分析反射是否产生固定结果,不能无条件再除以 22。

易错点

“再除以2去掉镜像”需确认没有镜像对称造成不同重复次数,不能对所有圆形计数一概如此。

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先修:分类、分步与计数对象。

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