常用排列組合公式

2022-07-16 16:42:11 字數 1561 閱讀 1489

\(n\) 個相異物件取 \(r\)(\(1 \leq r \leq n\))個的不同排列總數,為

\[p_r^n = n(n-1)(n-2)\cdots(n-r+1)

\]特別地,若 \(n=r\),得

\[p_r^r = r(r-1)\cdots 1 = r!

\]人們常約定把 \(0!\) 作為 \(1\)。當 \(r\) 不是非負整數時,記號 \(r!\) 沒有意義。

\(n\) 個相異物件取 \(r\) 個(\(1 \leq r \leq n\))個的不同組合總數,為

\[c_r^n = \binom = \frac = \frac = \frac

\]當 \(r=0\) 時,按 \(0!=1\) 的約定,算出 \(\binom = 1\),這可看作乙個約定。

只要 \(r\) 為非負整數,\(n\) 不論為任何實數,都有意義。故 \(n\) 可不必限制為自然數。例如:

\[\binom = (-1)(-2) \cdots (-r) / r! = (-1)^r

\]組合係數 \(\binom\) 又常稱為二項式係數,因為它出現在下面熟知的二項式展開的公式中:

\[(a+b)^n = \sum_^n \dbinoma^i b^

\]利用這個關係式,可得出許多有用的組合公式。例如,令 \(a=b=1\),得

\[\dbinom + \dbinom + \cdots + \dbinom = 2^n

\]令 \(a = -1,b = 1\),則得:

\[\dbinom - \dbinom + \dbinom - \cdots + (-1)^n\dbinom = 0

\]另乙個有用的公式是

\[\dbinom = \sum_^\dbinom\dbinom

\]它是由恒等式 \((1+x)^ = (1+x)^m(1+x)^n\) 即

\[\sum_^ \dbinom x^j = \sum_^ \dbinom x^j \sum_^ \dbinomx^j

\]比較兩邊的 \(x^k\) 項的係數得到的。

其實,這條公式從直觀上理解要更容易,即有兩堆物品,第一堆有 \(m\) 件,第二堆有 \(n\) 件,要從這兩堆物品中取出 \(k\) 件,有多少種取法?顯然,我們可以先在第一堆取 \(i\) 件(\(0 \leq i \leq k\)),然後在第二堆取 \(k - i\) 件,則取法有 \(\binom \binom\) 種,把 \(i\) 的所有取值結果相加,即得上面的公式。

\(n\) 個相異物件分成 \(k\) 堆,各堆物件數分別為 \(r_1, \cdots, r_k\) 的分法是

\[\frac

\]此處,\(r_1, \cdots, r_k\) 都是非負整數,其和為 \(n\)。注意:這裡要計較堆的次序,例如,若有 5 個物體 \(a,b,c,d,e\) 分成 \(3\) 堆,則 \((ac),(d),(be)\) 和 \((be),(ac),(d)\) 應算作兩種不同的分法。如果不考慮次序,還需要再除以 \(k!\)。

此式常稱為多項式係數,因為它是 \((x_1+\cdots+x_k)^n\) 的展開式中 \(x_1^ \cdots x_k^\) 這一項的係數。

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