内容正文:
6.2.4 组合数
(教师独具内容)
课程标准:能利用计数原理推导组合数公式.
教学重点:1.进一步加深对组合概念的理解.2.组合数公式.
教学难点:用组合数公式分析和解决一些简单的实际问题.
核心素养:通过学习组合数及组合数公式的应用,提升逻辑推理素养和数学运算素养.
知识点 组合数与组合数公式
组合数的定义
从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有不同组合的个数,叫做从n个不同元素中取出m个元素的组合数
符号表示
C
组合数公式
乘积式
C==
阶乘式
C=
性质
1.C=C;
2.C=C+C
备注
①n,m∈N*,且m≤n;
②规定:C=1
1.(组合数性质1)C=________.
答案:190
2.(组合数性质2)C+C=________.
答案:161700
3.(分组、分配问题)将6名教师分到3所中学任教,一所1名,一所2名,一所3名,则有________种不同的分法.
答案:360
题型一 组合数以及组合数性质的应用
(1)计算:C-CA.
[解] 原式=C-A=-7×6×5=210-210=0.
(2)求C+C的值.
[解] ∵∴9.5≤n≤10.5.
∵n∈N*,∴n=10.
∴C+C=C+C=C+C=+31=466.
(3)证明:mC=nC.
[证明] mC=m·
=m·
=n·=nC.
(4)已知-=,求C+C+C+C的值.
[解] 原方程可化为
-=,
即-
=,
即1-=,
即m2-23m+42=0,解得m=2或m=21.
∵0≤m≤5,m∈N,∴m=2.
∴C+C+C+C=C+C+C+C=C+C+C=C+C=C=126.
感悟提升 解决组合数问题的注意点
(1)像排列数公式一样,公式C=一般用于计算;而公式C=及C=一般用于证明、解方程(不等式)等.
(2)在解决与组合数有关的问题时,要注意隐含条件“m≤n且m,n∈N*”的运用.如本例(2).
(3)要注意公式A=CA的逆向运用,如本例(1)中可利用“CA=A”简化计算过程.
(4)本例(3)所推导的结论“mC=nC”是非常重要的公式,应熟练掌握.
[跟踪训练1] (1)①求值:C+C;
②求证:C=C.
解:①解得4≤n≤5.
又n∈N*,所以n=4或n=5.
当n=4时,原式=C+C=5;
当n=5时,原式=C+C=16.
②证明:因为C=,
C=·
=,所以C=C.
(2)计算:①C+CC;
②C+C+C+C+C+C;
③CC.
解:①原式=C+C×1=+=56+4950=5006.
②原式=2(C+C+C)=2(C+C)=2×=32.
③原式=CC=(n+1)n=n2+n.
题型二 有限制条件的组合问题
男运动员6名,女运动员4名,其中男、女队长各1名,选派5人外出比赛,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)既要有队长,又要有女运动员.
[解] (1)第1步:选3名男运动员,有C种选法;第2步:选2名女运动员,有C种选法.故共有CC=120种选派方法.
(2)解法一(直接法):“至少有1名女运动员”包括以下几种情况,1女4男,2女3男,3女2男,4女1男.
由分类加法计数原理知,共有CC+CC+CC+CC=246种选派方法.
解法二(排除法):不考虑条件,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,故“至少有1名女运动员”的选派方法共有C-C=246种.
(3)当有女队长时,其他人选法任意,共有C种选法;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,故不选女队长时共有C-C种选法.所以既有队长又有女运动员的选派方法共有C+C-C=191种.
感悟提升 解决有限制条件的组合问题的基本方法
[跟踪训练2] 有11名外语翻译人员,其中5名是英语译员,4名是日语译员,另外2名英、日语都精通,从中找出8人,使他们可以组成两个翻译小组,其中4人翻译英语,4人翻译日语,这两个小组能同时工作,问这样的8人名单共可开出几张?
解:解法一:按“英、日语都精通”的人的参与情况,可分为三类:
第1类,“英、日语都精通”的人不参加,有CC=5种;
第2类,“英、日语都精通”的人有1人参加,该人可参加英语,也可参加日语,有CCC+CCC=20+40=60种;
第3类,“英、日语都精通”的2人均参加,有CCA+CC+CC=80+10+30=120种.
由分类加法计数原理可得,共有5+60+120=185种.
故这样的8人名单可开出185张.
解法二:按“英、日语都精通”的人参加英语翻译的人数,可分为三类:
第1类,“英、日语都精通”的人不参加英语翻译,有CC=75种;
第2类,“英、日语都精通”的人恰有1人参加英语翻译,有CCC=100种;
第3类,“英、日语都精通”的人全部参加英语翻译,有CC=10种.
由分类加法计数原理可得,共有75+100+10=185种.
故这样的8人名单可开出185张.
题型三 与几何有关的组合问题
如图,在以AB为直径的半圆周上,有异于A,B的六个点C1,C2,C3,C4,C5,C6,直径AB上有异于A,B的四个点D1,D2,D3,D4.问:
(1)以这10个点(不包括A,B)中的3个为顶点作三角形,可作出多少个?其中以C1为顶点的有多少个?
(2)以图中的12个点(包括A,B)中的4个为顶点,可作出多少个四边形?
[解] (1)C+CC+CC=116个.
其中以C1为顶点的三角形有C+CC+C=36个.
(2)C+CC+CC=360个.
感悟提升 解决与几何有关的组合问题的注意点
(1)解决几何图形中的组合问题,首先要注意从不同类型的几何问题中抽象出组合问题,寻找出一个组合的模型加以处理,其次应注意运用处理组合问题的常规方法分析解决问题.
(2)图形多少的问题通常是组合问题,要注意共点、共线、共面、异面等情形,防止多算.常用直接法,也可采用排除法.
[跟踪训练3] (1)四面体的一个顶点为A,从其他顶点和各棱中点中取3个点,使它们和点A在同一平面上,有多少种不同的取法?
解:(直接法)如图,含顶点A的四面体的3个面上,除点A外都有5个点,从中取出3点必与点A共面,共有3C种取法;含顶点A的3条棱上各有3个点,它们与所对的棱的中点共面,共有3种取法.根据分类加法计数原理,与顶点A共面的3点的取法有3C+3=33种.
(2)四面体的顶点和各棱中点共10个点,在其中取4个不共面的点,有多少种不同的取法?
解:(排除法)从10个点中取4个点的取法有C种,减去4个点共面的取法种数即可.从四面体同一个面上的6个点中取出的4个点必定共面,有4C=60种,四面体的每一条棱上的3个点与相对棱的中点共面,共有6种共面情况,从6条棱的中点中取4个点时有3种共面情况(对棱中点连线两两相交且互相平分),故4个点不共面的不同取法有C-(60+6+3)=141种.
题型四 分组、分配问题
角度 不同元素分组、分配问题
6本不同的书,按下列要求各有多少种不同的分法?
(1)分给甲、乙、丙三人,每人两本;
(2)分为三份,每份两本;
(3)分为三份,两份一本,一份四本;
(4)分为三份,一份一本,一份两本,一份三本;
(5)分给甲、乙、丙三人,一人一本,一人两本,一人三本;
(6)分给甲、乙、丙三人,每人至少一本.
[解] (1)先从6本书中选2本给甲,有C种选法;再从其余的4本中选2本给乙,有C种选法;最后从余下的2本书中选2本给丙,有C种选法.所以分给甲、乙、丙三人,每人两本,共有CCC=90种不同的分法.
(2)分给甲、乙、丙三人,每人两本有CCC种分法,这个过程可以分两步完成:第1步,分为三份,每份两本,设有x种分法;第2步,将这三份分给甲、乙、丙三名同学有A种分法.根据分步乘法计数原理可得CCC=xA,所以x==15.因此分为三份,每份两本,共有15种不同的分法.
(3)这是“部分均匀分组问题”,共有=15种不同的分法.
(4)这是“不均匀分组”问题,共有CCC=60种不同的分法.
(5)在(4)的基础上再进行全排列,所以共有CCCA=360种不同的分法.
(6)可以分为三类情况:①“2,2,2型”,即(1)中的分配情况,有CCC=90种分法;②“1,2,3型”,即(5)中的分配情况,有CCCA=360种分法;③“1,1,4型”,有·A=90种分法.
所以共有90+360+90=540种不同的分法.
感悟提升 “分组”与“分配”问题的解法
(1)本例中的每一个小题都提出了一种类型的问题,搞清楚类型的归属对解题大有裨益.要分清是分组问题还是分配问题,这个是很关键的.
(2)分组问题属于“组合”问题,常见的分组问题有三种:
(3)分配问题属于“排列”问题,分配问题可以按要求逐个分配,也可以分组后再分配.
[跟踪训练4] 按下列要求把12个人分成3个小组,各有多少种不同的分法?
(1)各组人数分别为2,4,6;
(2)各组人数分别为3,3,6;
(3)平均分成3个小组;
(4)平均分成3个小组,进入3个不同车间.
解:(1)CCC=13860种.
(2)=9240种.
(3)=5775种.
(4)分两步:第1步,平均分成3个小组;第2步,让3个小组分别进入3个不同车间.故有·A=CCC=34650种不同的分法.
角度 相同元素分配问题
6个相同的小球放入4个编号为1,2,3,4的盒子,求下列放法的种数.
(1)每个盒子都不空;
(2)恰有一个空盒子;
(3)恰有两个空盒子.
[解] (1)先把6个相同的小球排成一行,在首尾两球外侧各放置一块隔板,然后在小球之间5个空隙中任选3个空隙各插一块隔板,有C=10种放法.
(2)恰有一个空盒子,插板分两步进行.先在首尾两球外侧各放置一块隔板,并在5个空隙中任选2个空隙各插一块隔板,如|○|○○○|○○|,有C种插法;然后将剩下的一块隔板与前面任意一块并放形成空盒,如|○|○○○||○○|,有C种插法.故共有CC=40种放法.
(3)恰有两个空盒子,插板分两步进行.先在首尾两球外侧各放置一块隔板,并在5个空隙中任选1个空隙插一块隔板,有C种插法,如|○○|○○○○|,然后将剩下的两块隔板插入形成空盒.
①这两块隔板与前面的三块隔板形成不相邻的两个空盒子,如||○○||○○○○|,有C种插法;
②将两块隔板与前面三块隔板之一并放形成相邻的两个空盒子,如|○○|||○○○○|,有C种插法.
故共有C(C+C)=30种放法.
感悟提升 相同元素分配问题的处理策略
(1)隔板法:如果将放有小球的盒子紧挨着成一行放置,便可看作排成一行的小球的空隙中插入了若干隔板,相邻两块隔板形成一个“盒”.每一种插入隔板的方法对应着小球放入盒子的一种方法,此法称之为隔板法.隔板法专门解决相同元素的分配问题.
(2)将n个相同的元素分给m个不同的元素(n≥m),有C种方法.可描述为n-1个空中插入m-1块隔板.
[跟踪训练5] 将4个编号为1,2,3,4的小球放入4个编号为1,2,3,4的盒子中.
(1)每盒至多1个球,有多少种放法?
(2)每个盒内放1个球,并且恰好有1个球的编号与盒子的编号相同,有多少种放法?
(3)把4个不同的小球换成4个相同的小球,恰有1个空盒,有多少种放法?
(4)把4个不同的小球换成20个相同的小球,要求每个盒内的球数不少于它的编号数,有多少种放法?
解:(1)这是全排列问题,共有A=24种放法.
(2)1个球的编号与盒子编号相同的选法有C种,当1个球与1个盒子的编号相同时,用局部列举法可知其余3个球的投放方法有2种,故共有C×2=8种放法.
(3)先从4个盒子中选出3个盒子,再从3个盒子中选出1个盒子放入2个球,余下2个盒子各放1个球.因为球是相同的,即没有顺序,所以属于组合问题,故共有CC=12种放法.
(4)(隔板法)先将编号为1,2,3,4的4个盒子分别放入0,1,2,3个球,再把剩下的14个球分成四组,即在○○○○○○○○○○○○○○这14个球中间的13个空中放入三块隔板,如○○|○○○○○|○○○|○○○○,故共有C=286种放法.
1.若C-C=C,则n=( )
A.12 B.13
C.14 D.15
答案:C
解析:∵C=C+C=C,∴n+1=7+8,∴n=14.故选C.
2.如图是由6个正方形拼成的矩形图案,从图中的12个顶点中任取3个顶点作为一组.其中可以构成三角形的组数为( )
A.208 B.204
C.200 D.196
答案:C
解析:任取的3个顶点不能构成三角形的情形有3种:一是3条横线上的4个点,其组数为3C;二是4条竖线上的3个点,其组数为4C;三是4条四个正方形组成的一个大正方形的对角线上的3个点,其组数为4C,所以可以构成三角形的组数为C-3C-8C=200.故选C.
3.(多选)将9个相同的小球分给甲、乙等4人,则下列说法正确的是( )
A.若每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有56种
B.若每人至少分到2个小球,则不同的分配方法共有10种
C.若甲至少分到2个小球,其余3人每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有35种
D.若甲至少分到3个小球,其余3人每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有20种
答案:ACD
解析:若每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有C=56种,故A正确;若每人至少分到2个小球,则4人中只有1人分到3个小球,其余3人各分到2个小球,故不同的分配方法共有C=4种,故B错误;若甲至少分到2个小球,其余3人每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有C=35种,故C正确;若甲至少分到3个小球,其余3人每人至少分到1个小球,则不同的分配方法共有C=20种,故D正确.故选ACD.
4.将6名实习教师分配到5所学校进行培训,每名实习教师只能分配到1个学校,每个学校至少分配1名实习教师,则不同的分配方案共有________种.
答案:1800
解析:将6名教师分成5组,只有一类情况,即1,1,1,1,2,不同的分组方式有种,再分配给5所学校,可得不同的分配方案共有×A=1800种.
5.现有16张不同的卡片,其中红色、黄色、蓝色、绿色卡片各4张.从中任取3张,要求这3张卡片不能是同一种颜色,且红色卡片至多1张,求不同取法的种数.
解:解法一:若没有红色卡片,则需从黄、蓝、绿三色卡片中选3张,若都不同色,则有CCC=64种;
若2张同色,则有CCCC=144种.
若红色卡片有1张,剩余2张不同色,
则有CCCC=192种;
剩余2张同色,则有CCC=72种.
故所求的不同取法的种数为64+144+192+72=472.
解法二:由题意,不考虑特殊情况,共有C种取法,
其中每种颜色的卡片取3张,有CC种取法,
任取的3张中有2张红色卡片,有CC种取法,
故所求的不同取法的种数为C-CC-CC=472.
课后课时精练
基础题(占比50%) 中档题(占比30%) 拔高题(占比20%)
题号
1
2
3
4
5
6
难度
★
★
★
★
★★
★
对点
与几何有关的组合问题
有限制条件的组合问题
有限制条件的组合问题
分组、分配问题
分组、分配问题
排列数、组合数方程
题号
7
8
9
10
11
12
13
难度
★
★★
★
★★
★★★
★★
★★★
对点
实际问题中的组合计数问题
分组、分配问题
组合数计算问题
数字排列问题
实际问题中的组合计数问题
有限制条件的组合问题
与几何有关的组合问题
一、选择题
1.在平面直角坐标系xOy中,平行直线x=m(m=0,1,2,3,4)与平行直线y=n(n=0,1,2,3,4)组成的图形中,矩形共有( )
A.25个 B.100个
C.36个 D.200个
答案:B
解析:可以组成CC=10×10=100个矩形.故选B.
2.从人教A版、人教B版、苏教版、湘教版、北师大版、沪教版这6个版本的数学新教材中选出3个版本,要求人教社两个版本的教材不同时被选择,则选择的方法种数是( )
A.20 B.18
C.16 D.10
答案:C
解析:在6个版本的数学新教材中选出3个版本,共有C=20种选法,人教版的教材同时被选择,有CC=4种选法,故人教社两个版本的教材不同时被选择有20-4=16种选择方法.故选C.
3.某城市新修建的一条道路上有12盏路灯,为了节省用电而又不能影响正常的照明,可以熄灭其中的4盏灯,但两端的灯不能熄灭,也不能熄灭相邻的两盏灯,则熄灯的方法有( )
A.C种 B.C种
C.C种 D.C种
答案:B
解析:根据题意,使用插空法分析:原来有12盏路灯,熄灭其中的4盏灯,还有8盏是亮着的,先将亮着的8盏灯排成一排,由于两端的灯不能熄灭,则有7个符合条件的空位,进而在7个空位中,任取4个插入熄灭的4盏灯,有C种方法.故选B.
4.某大学的8名同学准备拼车去旅游,其中大一、大二、大三、大四每个年级各2名,分乘甲、乙两辆汽车,每车限坐4名同学(乘同一辆车的4名同学不考虑位置),其中大一的孪生姐妹需乘同一辆车,则乘坐甲车的4名同学中恰有2名同学来自同一年级的乘车方式共有( )
A.24种 B.18种
C.48种 D.36种
答案:A
解析:第1类,大一的孪生姐妹在甲车上,甲车上剩下2名同学要来自不同的年级,从三个年级中选两个年级,有C种选法,然后从选出的两个年级中再分别选1名同学,有CC种选法,则有CCC=3×2×2=12种乘车方式;第2类,大一的孪生姐妹不在甲车上,则从剩下的三个年级中选同一个年级的2名同学在甲车上,有CC种选法,然后再从剩下的两个年级中分别选1名同学,有CC种选法,则有CCCC=3×1×2×2=12种乘车方式.因此共有12+12=24种不同的乘车方式.故选A.
5.(多选)现安排甲、乙、丙、丁、戊5名同学参加志愿者服务活动,有翻译、导游、礼仪、司机四项工作可以安排,则以下说法正确的是( )
A.若每人都安排一项工作,则不同安排方法的种数为45
B.若每项工作至少有1人参加,则不同安排方法的种数为AC
C.如果司机工作不安排,其余三项工作至少安排1人,则这5名同学全部被安排的不同安排方法的种数为(CC+CC)A
D.每项工作至少有1人参加,甲、乙不会开车但能从事其他三项工作,丙、丁、戊都能胜任四项工作,则不同安排方法的种数是CCA+CA
答案:AD
解析:对于A,若每人都安排一项工作,每人有4种安排方法,则共有45种安排方法,A正确;对于B,先将5人分为4组,再将分好的4组全排列,安排四项工作,有CA种安排方法,B错误;对于C,先将5人分为3组,有种分组方法,将分好的三组安排翻译、导游、礼仪三项工作,有A种情况,则有A种安排方法,C错误;对于D,①从丙、丁、戊中选出1人开车,有CCA种安排方法,②从丙、丁、戊中选出2人开车,有CA种安排方法,由分类加法计数原理得,共有CCA+CA种安排方法,D正确.故选AD.
二、填空题
6.若A=6C,则m的值为________.
答案:7
解析:由A=6C,得=6·,即=,解得m=7.
7.(2023·新课标Ⅰ卷)某学校开设了4门体育类选修课和4门艺术类选修课,学生需从这8门课中选修2门或3门课,并且每类选修课至少选修1门,则不同的选课方案共有________种(用数字作答).
答案:64
解析:由题意,可分三类:第1类,体育类选修课和艺术类选修课各选修1门,有CC种方案;第2类,在体育类选修课中选修1门,在艺术类选修课中选修2门,有CC种方案;第3类,在体育类选修课中选修2门,在艺术类选修课中选修1门,有CC种方案.综上,不同的选课方案共有CC+CC+CC=64种.
8.导师制是高中新的教学探索制度,班级科任教师作为导师既面向全体授课对象,又对指定的若干学生的个性、人格发展和全面素质提高负责.已知有3位科任教师负责某学习小组的6名同学,每2名同学由1位科任教师负责,则不同的分配方法的种数为________.
答案:90
解析:先将6名同学平均分为3组,不同的分组方式有=15种,然后再将分好的3组分配给3位科任教师,不同的分配方式有A=6种,所以不同的分配方法的种数为15×6=90.
三、解答题
9.(1)设x∈N*,求C+C的值;
(2)解不等式:C<C<C.
解:(1)由题意可得
解得2≤x≤4,
∵x∈N*,∴x=2或x=3或x=4,
当x=2时,原式=C+C=4;
当x=3时,原式=C+C=7;
当x=4时,原式=C+C=11.
∴原式的值为4或7或11.
(2)原不等式可化为
<
<
⇒
⇒⇒x<11.
又x∈N且4≤x≤20,
∴x=4,5,6,7,8,9,10.
∴原不等式的解集是{4,5,6,7,8,9,10}.
10.从1到9的9个数字中取3个偶数、4个奇数,问:
(1)能组成多少个没有重复数字的七位数?
(2)(1)中的七位数中,3个偶数排在一起的有几个?
(3)(1)中的七位数中,偶数排在一起,奇数也排在一起的有几个?
(4)(1)中的七位数中,任意2个偶数都不相邻的有几个?
解:(1)分步完成:第1步,在4个偶数中取3个,可有C种取法;第2步,在5个奇数中取4个,可有C种取法;第3步,3个偶数、4个奇数进行排列,可有A种排法.所以符合题意的七位数有CCA=100800个.
(2)(1)中的七位数中,3个偶数排在一起的有CCAA=14400个.
(3)(1)中的七位数中,3个偶数排在一起,4个奇数也排在一起的有CCAAA=5760个.
(4)(1)中的七位数中,任意2个偶数都不相邻,可先把4个奇数排好,再将3个偶数分别插入5个空中,共有CCAA=28800个.
11.(2024·江苏镇江期中)某单位开展联欢活动,抽奖项目设置了特等奖、一等奖、二等奖、三等奖、鼓励奖共五种奖项.甲、乙、丙、丁、戊每人抽取一张奖票,开奖后发现这5人的奖项都不相同.甲说:“我不是鼓励奖”;乙说:“我不是特等奖”;丙说:“我的奖项介于丁和戊之间”.根据以上信息,这5人的奖项的所有可能情况的种数是( )
A.15 B.18
C.22 D.26
答案:D
解析:若甲是特等奖,不考虑丙的位置,有A种;若甲不是特等奖,不考虑丙的位置,有CCA种;而丙在丁和戊之间的占,所以这5人的奖项的所有可能情况的种数是(A+CCA)=26.故选D.
12.10名演员,其中5名能歌,8名善舞,从中选出5人,使这5人能演出一个由1人独唱4人伴舞的节目,共有几种选法?
解:由题意可知,能歌善舞的有(5+8)-10=3人,所以仅能歌的有2人,仅善舞的有5人,分四类:
第1类,能歌善舞的3人不参加节目,有CC=10种选法;
第2类,能歌善舞的3人中有1人参加节目,有C(C+CC)=75种选法;
第3类,能歌善舞的3人中有2人参加节目,有C(CC+CC)=120种选法;
第4类,能歌善舞的3人都参加节目,有C(CC+CC)=40种选法.
所以共有10+75+120+40=245种选法.
13.已知平面α∥平面β,在α内有4个点,在β内有6个点.
(1)过这10个点中的3点作一平面,最多可作多少个不同平面?
(2)以这些点为顶点,最多可作多少个三棱锥?
(3)上述三棱锥中最多可以有多少个体积是不同的?
解:(1)所作的平面有三类:
第1类,α内1点,β内2点确定的平面,有CC=60个;
第2类,α内2点,β内1点确定的平面,有CC=36个;
第3类,α,β本身,有2个.
故所作的平面最多有60+36+2=98个.
(2)所作的三棱锥有三类:
第1类,α内1点,β内3点确定的三棱锥,有CC=80个;
第2类,α内2点,β内2点确定的三棱锥,有CC=90个;
第3类,α内3点,β内1点确定的三棱锥,有CC=24个.
故最多可作的三棱锥有80+90+24=194个.
(3)在等高的情况下,相应的底面积相等,三棱锥的体积才能相等,
故体积不相同的三棱锥最多有C+C+CC=114个.
14
学科网(北京)股份有限公司
$$