内容正文:
人教A版(2019)选择性必修第三册
第六章计数原理
6.1分类加法计数原理与分步乘法计数原理(第2课时)
目录
学习目标
01
情景导入
02
新知探究
03
课本例题
04
05
课本练习
06
题型探究
方法归纳
08
07
课本习题
课堂小结
学习目标
1.进一步理解和掌握分类加法计数原理和分步乘法计数原理;
2.能应用两个计数原理解决实际问题.
两个计数原理的区别与联系
用两个计数原理解决问题时,要明确是需要分类还是需要分步,有时,可能既要分类又要分步
分类加法计数原理 分步乘法计数原理
相同点 用来计算完成一件事的方法种类
不同点 分类完成,类类相加 分步完成,步步相乘
每类方案中的每一种方法都能独立完成这件事 每步依次完成才算完成这件事(每步中的一种方法不能独立完成这件事)
注意点 类类独立,不重不漏 步步相依,步骤完整
情景导入
解:从3幅画中选出2幅分别挂在左、右两边墙上,可以分两个步骤完成:
第1步,从3幅画中选1幅挂在左边墙上,
有3种选法;
第2步,从剩下的2幅画中选1幅挂在右边墙上,
有2种选法.
根据分步乘法计数原理,不同挂法的种数为
N=3×2=6.
这6种挂法如右图所示.
例4 要从甲、 乙、丙3幅不同的画中选出2幅,分别挂在左、右两边墙上的指定位置,共有多少种不同的挂法? .
乙
乙
丙
甲
右边
丙
乙
甲
左边
得到的挂法
甲乙
甲丙
乙甲
乙丙
丙甲
丙乙
甲
丙
例题讲解
分类加法计数原理和分步乘法计数原理,回答的都是有关做一件事的不同方法种数的问题. 区别在于:
分类加法计数原理针对的是“分类”问题,其中各种方法相互独立,用其中任何一种方法都可以做完这件事,关键词是“分类”;
分步乘法计数原理针对的是“分步”问题,各个步骤中的方法互相依存,只有每一个步骤都完成才算做完这件事,关键词是“分步”.
归纳总结
例5 给程序模块命名,需要用3个字符,其中首字符要求用字母
A~G或U~Z,后两个要求用数字1 ~9,最多可以给多少个程序命名?
解2: 首字符用A~G给程序命名的个数为 7×9×9=567.
首字符用U~Z给程序命名的个数为 6×9×9=486.
∴总的不同名称的个数是 567+486=1053.
思考 你还能给出不同的解法吗?
解: 由分类加法计数原理,首字符不同选法的种数为
7+6=13.
后两个字符从1~9中选,因为数字可以重复,所以不同选法的种数都为9.
由分步乘法计数原理,不同名称的个数是
13×9×9=1053,
即最多可以给1053个程序模块命名.
例6 电子元件很容易实现电路的通与断、电位的高与低等两种
状态,而这也是最容易控制的两种状态. 因此计算机内部就采用了每一位只有0或1两种数字的记数法,即二进制. 为了使计算机能够识别字符,需要对字符进行编码,每个字符可以用1个或多个字节来表示,其中字节是计算机中数据存储的最小计量单位,每个字节由8个二进制位构成.
(1) 1个字节(8位)最多可以表示多少个不同的字符?
(2) 计算机汉字国标码包含了6763个汉字,一个汉字为一个字符,要对这些汉字进行编码,每个汉字至少要用多少个字节表示?
解: (1) 由分步乘法计数原理,1个字节最多可以表示不同的字符个数是
2×2×2×2×2×2×2×2=28=256.
(2) 由(1)知,1个字节最多可以表示256个不同的字符,则2个字节最多就可以表示256 ×256=65536>6763,所以每个汉字至少要用2个字节表示.
1. 某电话局管辖范围内的电话号码由8位数字组成,其中前4位的数字是不变的,后4位数字都是0~9中的一个数字,这个电话局不同的电话号码最多有多少个?
解:104=10000 (个).
2. 从5名同学中选出正、副组长各1名,有多少种不同的选法?
解:5×4=20 (种).
3. 从1, 2, ‧‧‧, 19, 20中任选一个数作被减数,再从1, 2, ‧‧‧, 10中任选一个数作减数,然后写成一个减法算式,共可得到多少个不同的算式?
解:20×10=200 (个).
课堂练习
解1:被5除余2的正整数的个位是2或7.
当满足条件的数是一位数时,满足条件的个数有2个 ;
当满足条件的数是两位数时,满足条件的个数有9×2=18个 ;
当满足条件的数是三位数时,满足条件的个数有4×10×2= 80个 .
所以满足条件的数共有100个.
4. 在1, 2, ‧‧‧, 500中,被5除余2的数共有多少个?
解2:被5除余2的数可以表示为5k+2 (k为整数).
由1≤5k+2≤500,解得0≤k≤99,
满足条件的k值有100个, 所以满足条件的数共有100个.
解:满足条件的三位数有5×5×5= 125 个 .
5. 由数字1, 2, 3, 4, 5可以组成多少个三位数(各位上的数字可以重复)?
例7 计算机编程人员在编写好程序以后需要对程序进行测试.程序员需要知道到底有多少条执行路(即程序从开始到结束的路线),以便知道需要提供多少个测试数据.一般地,一个程序模块由许多子模块组成,如图,这是一个具有许多执行路径的程序模块。
(1)这个程序模块有多少条执行路径?
(2)为了减少测试时间,程序员需要设法减少测试次数,你能帮助程序员设计一个测试方式,以减少测试次数吗?
开始
子模块1
18条执行路径
子模块3
28条执行路径
子模块2
45条执行路径
子模块5
43条执行路径
子模块4
38条执行路径
结束
A
例题讲解
例题讲解
开始
子模块1
18条执行路径
子模块3
28条执行路径
子模块2
45条执行路径
子模块5
43条执行路径
子模块4
38条执行路径
结束
A
分析:整个模块的任意一条执行路径都分两步完成:
第1步是从开始执行到A点;
第2步是从A点执行到结束.而第1步可由子模块1、子模块2、子模块3中任何一个来完成;第2步可由子模块4、子模块5中任何一个来完成.因此,分析一条指令在整个模块的执行路径需要用到两个计数原理.
例题讲解
开始
子模块1
18条执行路径
子模块3
28条执行路径
子模块2
45条执行路径
子模块5
43条执行路径
子模块4
38条执行路径
结束
A
解:(1)由分类加法计数原理,子模块1、子模块2、子模块3中的子路径条数共为18+45+28=91条;
子模块4、子模块5中的子路径条数共为38+43=81条;
由分步乘法计数原理,整个模块的执行路径条数共为
91 x 81 = 7371条
例题讲解
(2)在实际测试中,程序员总是把每一个子模块看成一个黑箱,即通过只考察
是否执行了正确的子模块的方式来测试整个模块.这样,他可以先分别单独测试
5个模块,以考察每个子模块的工作是否正常.总共需要的测试次数为18+45+28+38+43=172.
再测试各个模块之间的信息交流是否正常,需要测试的次数为:3 x 2 = 6.
如果每个子模块都正常工作,并且各个子模块之间的信息交流也正常,
那么整个程序模块就工作正常.
这样,测试整个模块的次数就变为 172+6=178(次)
例题讲解
例8 通常,我国民用汽车号牌的编码由两部分组成:第一部分为由汉字表示的省、自治区、直辖市简称和用英文字母表示的发牌机关代码,第二部分为由阿拉伯数字和英文字母组成的序号.
其中,序号的编码规则为:
(1)由10个阿拉伯数字和除O、I之外的24个英文字母组成;
(2)最多只能有2个英文字母.
如果某地级市发牌机关采用5位序号编码,那么这个发牌机关最多能发放多少张汽车号牌?
例题讲解
解:由号牌编号的组成可知,这个发牌机关所能发放的最多号牌数就是序号的个数.根据序号编码规则,5位序号可以分为三类:没有字母,有1个字母,有2个字母.
(1)当没有字母时,序号的每一位都是数字.确定一个序号可以分5个步骤,每一步都可以从10个数字中选1个,各有10种选法.根据分步乘法计数原理,这类号牌张数为:10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 10000.
例题讲解
(2)当有1个字母时,这个字母可以分别在序号的第1位、第2位、第3位、第4位或第5位,这类序号可以分为五个子类.
当第1位是字母时,分5个步骤确定一个序号中的字母和数字:第1步,从24个字母中选1个放在第1位,有24种选法;第2~5步都是从10个数字中选1个放在相应的位置,各有10种选法.根据分步乘法计数原理,号牌张数为
24 x 10 x 10 x 10 x10 = 240000.
同样,其余四个子类号牌也各有240000张.
根据分类加法计数原理,这类号牌张数一共为
240000 + 240000 + 240000 + 240000 + 240000 = 1200000.
例题讲解
(3)当有2个字母时,根据这2个字母在序号中的位置,可以将这类序号分为十个子类:第1位和第2位,第1位和第3位,第1位和第4位,第1位和第5位;第2位和第3位,第2位和第4位,第2位和第5位;第3位和第4位,第3位和第5位;第4位和第5位。
当第1位和第2位是字母时,分5个步骤确定一个序号中的字母和数字:第1~2步都是从24个字母中选1个分别放在第1位、第2位,各有24种选法;第3~5步都是从10个数字中选1个放在相应的位置,各有10种选法,根据分步乘法计数原理,号牌张数为 24 x 24 x 10 x 10 x 10 =576000.
同样,其余九个子类号牌也各有576000张.则这类号牌张数一共为576000x10=
5760000张.
综合(1)(2)(3),根据分类加法计数原理,这个发牌机关最多能发放的汽车号牌张数为100000 + 1200000 + 5760000 = 7060000
归纳:
用两个计数原理解决计数问题时,最重要的是在开始计算之前要仔细分析两点:
(1) 要完成的“一件事”是什么;
(2) 需要分类还是需要分步.
分类要做到“不重不漏”. 分类后再分别对每一类进行计数,最后用分类加法计数原理求和,得到总数.
分步要做到“步骤完整”,即完成了所有步骤,恰好完成任务. 分步后再计算每一步的方法数,最后根据分步乘法计数原理,把完成每一步的方法数相乘,得到总数.
思考:乘法运算是特定条件下加法运算的简化,分步乘法计数原理和分类加法计数原理也有这种类似的关系吗?
1. 分类加法计数原理:一般地,如果完成一件事有两类不同方案,在第1类方案中有m种不同的方法,在第2类方案中有n种不同的方法,那么完成这件事共有m+n种不同的方法.
特别地,如果完成一件事有n类不同方案,在第1类方案中有m1种不同的方法,在第2类方案中有m2种不同的方法, ‧‧‧‧‧‧在第n类方案中有mn种不同的方法,那么完成这件事共有m1+m2+ ‧‧‧ +mn种不同的方法.
2. 分步乘法计数原理:一般地,完成一件事需要两个步骤,做第1步有m种不同的方法,做第2步有n种不同的方法,那么完成这件事共有m×n种不同的方法.
特别地,如果完成一件事需要n个步骤,做第1步有m1种不同的方法,做第2步有m2种不同的方法,‧‧‧‧‧,做第n步有mn种不同的方法,那么完成这件事共有m1×m2×‧‧‧×mn种不同的方法.
解:展开后共有3×3×5=45项.
1. 乘积(a1+a2+a3)(b1+b2+b3)(c1+c2+c3+c4+c5) 展开后共有多少项?
解:9+8+7+6+5+4+3+2+1=45 (个).
2. 在所有的两位数中,个位数字小于十位数字的有多少个?
3. 某商场有6个门,如果某人从其中的任意一个门进人商场,并且要求从其他的门出去,那么共有多少种不同的进出商场的方式?
解:进出商场的不同方式有6×5=30(种).
课堂练习
4.任意画一条直线,在直线上任取n个分点.
(1) 从这n个分点中任取2个点形成一条线段,可得到多少条线段?
(2) 从这n个分点中任取2个点形成一个向量,可得到多少个向量?
解:
课堂练习
【例1】 用0,1,2,3,4五个数字,
(1)可以排成多少个三位数字的电话号码?
(2)可以排成多少个三位数?
(3)可以排成多少个能被2整除的无重复数字的三位数?
解:(1)三位数字的电话号码,首位可以是0,数字也可以重复,因此每个位置都有5种排法,所以共有5×5×5=53=125(个).
题型1 组数问题
题型探究方法归纳
解:(2)三位数的首位不能为0,但可以有重复数字,首先考虑首位的排法,除0外共有4种方法,第二、三位可以排0,因此共有4×5×5=100(个).
(3)被2整除的数即偶数,末位数字可取0,2,4,因此可以分两类:一类是末位数字是0,则有4×3=12种排法;一类是末位数字不是0,则末位有2种排法,即2或4,再排首位,因0不能在首位,所以有3种排法,十位有3种排法,因此有2×3×3=18种排法.因而有12+18=30种排法.故可以排成30个能被2整除的无重复数字的三位数.
【例1】 用0,1,2,3,4五个数字,
(1)可以排成多少个三位数字的电话号码?
(2)可以排成多少个三位数?
(3)可以排成多少个能被2整除的无重复数字的三位数?
【例题迁移】(改变问法)由本例中的五个数字可组成多少个无重复数字的四位
奇数?
解:完成“组成无重复数字的四位奇数”这件事,可以分四步:第一步定个位,只能从1,3中任取一个,有2种方法;第二步定首位,把1,2,3,4中除去用过的一个剩下的3个中任取一个,有3种方法;第三步排百位,有3种方法;第四步排十位,有2种方法.由分步乘法计数原理知,共有2×3×3×2=36(个).
组数问题的原则及注意点
(1)明确特殊位置或特殊数字,是我们采用“分类”还是“分步”的关键.一般按特殊位置(末位或首位)分类,分类中再按特殊位置(或特殊元素)优先的策略分步完成;如果正面分类较多,可采用间接法反面分类求解.
(2)要注意数字“0”不能排在两位或两位以上的数的最高位.
【例2】高三年级的三个班到甲、乙、丙、丁四个工厂进行社会实践,其中工厂甲必须有班级去,每班去何工厂可自由选择,则不同的分配方案有 ( )
A.16种 B.18种
C.37种 D.48种
题型2 选(抽)取与分配问题
【解析】方法一(直接法)
以甲工厂分配班级情况进行分类,共分为三类:第一类,三个班级都去甲工厂,此时分配方案只有1种情况;第二类,有两个班级去甲工厂,剩下的一个班级去另外三个工厂,其分配方案共有3×3=9(种);第三类,有一个班级去甲工厂,另外两个班级去其他三个工厂,其分配方案共有3×3×3=27(种).
综上所述,不同的分配方案有1+9+27=37(种).
C
方法二(间接法)
先计算3个班级自由选择去何工厂的总数,再扣除甲工厂无人去的情况,即有4×4×4-3×3×3=37种分配方案.
【例2】高三年级的三个班到甲、乙、丙、丁四个工厂进行社会实践,其中工厂甲必须有班级去,每班去何工厂可自由选择,则不同的分配方案有 ( )
A.16种 B.18种
C.37种 D.48种
解决抽取(分配)问题的方法
(1)当涉及对象数目不大时,一般选用列举法、树状图法、框图法或者图表法.
(2)当涉及对象数目很大时,一般有两种方法:①直接使用分类加法计数原理或分步乘法计数原理.一般地,若抽取是有顺序的就按分步进行;若是按对象特征抽取的,则按分类进行.②间接法:去掉限制条件,计算所有的抽取方法数,然后减去所有不符合条件的抽取方法数即可.
【例3】 (1)将3种作物全部种植在如图所示的5块试验田中,每块种植一种作物,且相邻的试验田不能种同一种作物,则不同的种植方法共有________种.
题型3 涂色与种植问题
【答案】(1)42
【解析】分别用a,b,c代表3种作物,先安排第一块田,有3种方法,不妨设放入a,再安排第二块田,有两种方法b或c,不妨设放入b,第三块也有2种方法a或c.
1.若第三块田放c:
第四、五块田分别有2种方法,共有2×2=4种方法.
a b c
2.若第三块田放a:
第四块有b或c,共2种方法,
①若第四块放c:
第五块有2种方法;
a b a
a b a c
②若第四块放b:
第五块只能种作物c,共1种方法.
综上所述,共有3×2×(2×2+2+1)=42种方法.
a b a b
(2)将红、黄、蓝、白、黑五种颜色涂在如图所示“田”字形的4个小方格内,每格涂一种颜色,相邻两格涂不同的颜色,如果颜色可以反复使用,共有多少种不同的涂色方法?
1 2
3 4
(2)解:第1个小方格可以从5种颜色中任取一种颜色涂上,有5种不同的涂法.
①当第2个、第3个小方格涂不同颜色时,有4×3=12种不同的涂法,第4个小方格有3种不同的涂法.由分步乘法计数原理可知,有5×12×3=180种不同的涂法.
②当第2个、第3个小方格涂相同颜色时,有4种涂法,由于相邻两格不同色,因此第4个小方格也有4种不同的涂法.由分步乘法计数原理可知,不同的涂法有5×4×4=80(种).
由分类加法计数原理可得,共有180+80=260种不同的涂法.
【例题迁移】 (变换条件)将例3(2)中的区域改为如图所示,其他条件均不变,
则不同的涂法共有多少种?
① ② ④
③
解:依题意,可分两类情况:①④不同色;①④同色.
第一类:①④不同色,则①②③④所涂的颜色各不相同,我们可将这件事情分成4步来完成.
第一步涂①,从5种颜色中任选一种,有5种涂法;
第二步涂②,从余下的4种颜色中任选一种,有4种涂法;
第三步涂③与第四步涂④时,分别有3种涂法和2种涂法.
于是由分步乘法计数原理得,不同的涂法为5×4×3×2=120(种).
第二类:①④同色,则①②③不同色,我们可将涂色工作分成三步来完成.
第一步涂①④,有5种涂法;第二步涂②,有4种涂法;第三步涂③,有3种涂法.
于是由分步乘法计数原理得,不同的涂法有5×4×3=60(种).
综上所述,所求的涂色方法共有120+60=180(种).
【例题迁移】 (变换条件)将例3(2)中的区域改为如图所示,其他条件均不变,
则不同的涂法共有多少种?
① ② ④
③
解决涂色(种植)问题的常用方法
(1)按区域的不同,以区域为主分步计数,用分步乘法计数原理分析.
(2)以颜色为主分类讨论,适用于“区域、点、线段”等问题,用分类加法计数原理分析.
(3)将空间问题平面化,转化为平面区域的涂色问题.
种植问题按种植的顺序分步进行,用分步乘法计数原理计数或按种植品种恰当选取情况分类,用分类加法计数原理计数.
【例4】有红、黄、蓝旗各3面,每次升1面、2面、3面在某一旗杆上纵向排列,表示不同的信号,顺序不同也表示不同的信号,共可以组成多少种不同的信号?
错解:每次升1面旗,可组成3种不同的信号;每次升2面旗,可组成3×2=6种不同的信号;每次升3面旗,可组成3×2×1=6种不同的信号.根据分类加法计数原理知,共有不同的信号3+6+6=15种.
易错警示 分类计数时不要出现遗漏
易错防范:每次升2面或3面旗时,颜色可以相同.
正解:每次升1面旗,可组成3种不同的信号;每次升2面旗,可组成3×3=9种不同的信号;每次升3面旗,可组成3×3×3=27种不同的信号.根据分类加法计数原理得,共可组成3+9+27=39种不同的信号.
易错辨析 分类标准不清致误
例5 甲、乙、丙、丁4名同学争夺数学、物理、化学3门学科知识竞赛的冠军,且每门学科只有1名冠军产生,问有多少种不同的冠军获得情况?
1.一个商店销售某种型号的电视机,其中本地的产品有4种,外地的产品有7种.要买1台这种型号的电视机,有多少种不同的选法?
习题
甲地
乙地
丙地
丁地
(第2题)
2.如图,从甲地到乙地有2条路,从乙地到丁地有3条路;从甲地到丙地有4条路,从丙地到丁地有2条路.从甲地到丁地共有多少条不同的路线?
A
B
第3题
3.如图,要让电路从A处到B处接通,可有多少条不同的路径?
如果电路从上线路接通,共有3条路径;
如果电路从中线路接通,共有1条路径;
4.用1,5,9,13中的任意一个数作分子,4,8,12,16中任意一个数作分母,可构成多少个不同的分数?可构成多少个不同的真分数?
由真分数的定义,
①若1为分子,分母有4种选择;
②若5为分子,分母有3种选择;
③若9为分子,分母有2种选择;
④若13为分子,分母有1种选择;
5.一个口袋内装有5个小球,另一个口袋内装有6个小球,所有这些小球的颜色互不相同.从两个袋子中分别取1个球,共有多少种不同的取法?
分两步进行:第一个口袋内取一个球有5种取法,另一个口袋内取一个球有6种取法;
7.一种号码锁有4个拨号盘,每个拨号盘上有0~9共10个数字.现最后一个拨号盘出现了故障,只能在0~5这6个数字中拨号,这4个拨号盘可组成多少个四位数字号码?
8.(1)4名同学分别报名参加学校的足球队、篮球队、乒乓球队,每人限报其中的一个运动队,不同报法的种数是34还是43?
(2)3个班分别从5个景点中选择一处游览,不同选法的种数是35还是53?
9.(1)从5件不同的礼物中选出4件送给4位同学,每人一件,有多少种不同的送法?
(2)有5个编了号的抽屉,要放进3本不同的书,不同的放法有多少种?(一个抽屉可放多本书)
10.口袋中装有8个白球和10个红球,每个球编有不同的号码,现从中取出2个球.
(1)正好是白球、红球各一个的取法有多少种?
(2)正好是两个白球的取法有多少种?
10.口袋中装有8个白球和10个红球,每个球编有不同的号码,现从中取出2个球.
(3)至少有一个白球的取法有多少种?
(4)两球的颜色相同的取法有多少种?
11.在国庆长假期间,要从7人中选若干人在7天假期值班(每天只需1人值班),不出现同一人连续值班2天,有多少种可能的安排方法?
利用分步乘法计数原理,分七步来求解.
第一步,安排第一天的值班人员,有7种方法;
第二步,安排第二天的值班人员.有6种方法;
第三步,安排第三天的值班人员,有6种方法;
同理.第四、五.六七步均有6种方法.
12.2160有多少个不同的正因数?
1. 分类加法计数原理:一般地,如果完成一件事有两类不同方案,在第1类方案中有m种不同的方法,在第2类方案中有n种不同的方法,那么完成这件事共有m+n种不同的方法.
2. 分步乘法计数原理:一般地,完成一件事需要两个步骤,做第1步有m种不同的方法,做第2步有n种不同的方法,那么完成这件事共有m×n种不同的方法.
特别地,如果完成一件事有n类不同方案,在第1类方案中有m1种不同的方法,在第2类方案中有m2种不同的方法, ‧‧‧‧‧‧在第n类方案中有mn种不同的方法,那么完成这件事共有m1+m2+ ‧‧‧ +mn种不同的方法.
特别地,如果完成一件事需要n个步骤,做第1步有m1种不同的方法,做第2步有m2种不同的方法,‧‧‧‧‧,做第n步有mn种不同的方法,那么完成这件事共有m1×m2×‧‧‧×mn种不同的方法.
课堂小结
解析:可先举例说出其中的1种情况,如数学、物理、化学3门学科知识竞赛的冠军分别是甲、甲、丙,可见研究的对象是“3门学科”,只有3门学科各产生1名冠军,才算完成了这件事,而4名同学不一定每人都能获得冠军,故完成这件事分三步.
第1步,产生数学学科冠军,它一定被其中1名同学获得,有4种不同的获得情况;
第2步,产生物理学科冠军,因为夺得数学学科冠军的同学还可以去争夺物理学科冠军,所以物理学科冠军也是由4名同学去争夺,有4种不同的获得情况;
第3步,产生化学学科冠军,同理,也有4种不同的获得情况.
由分步乘法计数原理知,不同的冠军获得情况共有4×4×4=43=64(种).
【易错警示】
易错原因
错解:分四步完成这件事.
第1步,甲同学去夺3门学科的冠军,有3种不同情况;同理,第2,3,4步分别由其他3名同学去夺这3门学科的冠军,都各自有3种不同情况.
由分步乘法计数原理知,不同的冠军获得情况共有3×3×3×3=34=81(种).
要完成的“一件事”是“争夺3门学科知识竞赛的冠军,且每门学科只有1名冠军产生”.但错解一、二中都有可能出现某一学科冠军被2人、3人,甚至4人获得的情形,另外还可能出现某一学科没有冠军产生的情况.
纠错心得
用分步乘法计数原理求解元素可重复选取的问题时,哪类元素必须“用完”就以哪类元素作为分步的依据.
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