内容正文:
第三章 排列、组合与二项式定理
3.1 排列与组合
3.1.2 排列与排列数
第1课时 排列与排列数
课程标准:1.通过实例,理解排列的概念.2.能利用计数原理推导排列数公式.
教学重点:理解排列的概念及排列数公式.
教学难点:利用排列数公式解决一些简单的实际问题.
核心素养:通过排列、全排列、排列数等概念的学习提升数学抽象素养.
(教师独具内容)
核心概念掌握
核心素养形成
随堂水平达标
目录
课后课时精练
核心概念掌握
知识点一 排列的定义
一般地,从n个不同对象中,任取m(m≤n)个对象,按照_____________排成一列,称为从n个不同对象中取出m个对象的一个排列.特别地,_________时的排列(即取出所有对象的排列)称为全排列.
[点拨] 排列的定义包括两个基本内容:一是“取出对象”;二是“按照一定的顺序排成一列”.
[提醒] 所研究的n个对象是互不相同的,取出的m个对象也是不同的.
一定的顺序
m=n
核心概念掌握
5
知识点二 排列数的定义
从n个不同对象中取出m个对象的____________________,称为从n个不同对象中取出m个对象的排列数,用符号__________表示.
[提醒] “排列”与“排列数”不是同一个概念,排列是从n个不同对象中任取m个对象,按照一定的顺序排成一列,它不是一个数;排列数是指从n个不同对象中取出m个对象的所有排列的个数,它是一个数.
所有排列的个数
核心概念掌握
6
n(n-1)…(n-m+1)
n!
1
1
核心概念掌握
7
1.(排列的有关概念)从5个人中选取甲、乙2个人去完成某项工作,这________(填“是”或“不是”)排列问题.
2.(排列的列举问题)从1,2,3中任取两个数字可组成的不同的两位数有________个.
不是
6
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核心概念掌握
8
核心素养形成
题型一 排列的有关概念
例1 判断下列问题是否是排列问题:
(1)从1,2,3,4四个数字中,任选两个做加法,其结果有多少种不同的可能?
(2)从1到10十个自然数中任取两个数组成直角坐标平面内的点的坐标,可得到多少个不同的点的坐标?
(3)从10名同学中任抽2名同学去学校开座谈会,有多少种不同的抽取方法?
(4)有红球、黄球、白球各一个,现从这三个小球中任取两个,分别放入甲、乙两个盒子里,有多少种不同的放法?
核心素养形成
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解 (1)不是.加法运算满足交换律,所以选出的两个数做加法时,与两个数的位置无关,所以这不是排列问题.
(2)是.因为取出的两个数组成的点的坐标与哪一个数作横坐标,哪一个数作纵坐标的顺序有关,所以这是一个排列问题.
(3)不是.因为从10名同学中抽取2名同学去学校开座谈会不需要考虑两个人的顺序,所以这不是排列问题.
(4)是.任取两个球分别放入甲、乙两个盒子里,这是有顺序的,所以这是排列问题.
核心素养形成
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【感悟提升】 判断一个具体问题是否为排列问题的方法
核心素养形成
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核心素养形成
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核心素养形成
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题型二 排列的列举问题
例2 (1)北京、广州、南京、天津4个城市相互通航,应该有多少种机票?
解 列出每一个起点和终点的情况,如图所示.
故符合题意的机票有:
北京→广州,北京→南京,北京→天津,广州→南京,广州→天津,广州→北京,南京→天津,南京→北京,南京→广州,天津→北京,天津→广州,天津→南京,共12种.
核心素养形成
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(2)两名老师M,N和两名学生A,B排成一排合影留念,写出老师不在左端且相邻的所有可能的站法,并回答共有多少种?
解 由于老师不站左端,故左端位置上只能安排学生.此问题可分两类:
由此可知,所有可能的站法为AMNB,ANMB,ABMN,ABNM,BMNA,BNMA,BAMN,BANM,共8种.
核心素养形成
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【感悟提升】 求解简单排列问题的策略
对于简单的排列问题,树形图是常见的解题方法.它能很好地确定排列中各对象的先后顺序,利用树形图可具体地列出各种情况,避免排列的重复和遗漏.
核心素养形成
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【跟踪训练】
2.从0,1,2,3这四个数字中,每次取出三个不同数字排成一个三位数.
(1)能组成多少个不同的三位数?并写出这些三位数;
(2)若组成的这些三位数中,1不能在百位,2不能在十位,3不能在个位,则这样的三位数共有多少个?并写出这些三位数.
解:(1)组成三位数分三个步骤:
第一步,选百位上的数字,0不能排在首位,故有3种不同的排法;
第二步,选十位上的数字,有3种不同的排法;
第三步,选个位上的数字,有2种不同的排法.
核心素养形成
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由分步乘法计数原理得,能组成3×3×2=18个不同的三位数.
画出树形图如图:
由树形图知,所有的三位数为102,103,120,123,130,132,201,203,210,213,230,231,301,302,310,312,320,321.
(2)直接画出树形图如图:
由树形图知,符合条件的三位数有8个,分别为201,210,230,231,301,302,310,312.
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题型三 与排列数有关的运算
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核心素养形成
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【感悟提升】 与排列数有关运算的解题策略
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核心素养形成
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{3,4}
核心素养形成
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核心素养形成
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随堂水平达标
1.(多选)下列问题不是排列问题的是( )
A.从8名同学中选取2名去参加知识竞赛,共有多少种不同的选取方法?
B.10个人互相发微信一次,共发了多少条微信?
C.平面上有5个点,任意三点不共线,这5个点共可确定多少条直线?
D.从1,2,3,4四个数字中,任选两个相乘,其结果共有多少种?
解析:排列问题是与顺序有关的问题,四个选项中只有B中的问题是与顺序有关的,其他问题都与顺序无关.故选ACD.
随堂水平达标
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随堂水平达标
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3.某段铁路所有车站共发行132种普通车票,那么这段铁路共有的车站数是( )
A.8 B.12
C.16 D.24
随堂水平达标
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4.若把英语单词“word”的字母顺序写错了,则可能出现的错误共有________种.
23
随堂水平达标
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5.将A,B,C,D四名同学按一定顺序排成一行,要求自左向右,A不排在第一,B不排在第二,C不排在第三,D不排在第四,则所有可能的排法共有________种.
解析:画出树形图如图:
由树形图知,所有排法为BADC,BCDA,BDAC,CADB,CDAB,CDBA,DABC,DCAB,DCBA,共有9种排法.
9
随堂水平达标
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课后课时精练
基础题(占比50%) 中档题(占比40%) 拔高题(占比10%)
题号 1 2 3 4 5 6 7
难度 ★ ★ ★ ★ ★★ ★ ★
对点 排列的概念 树形图解决与数字有关的排列问题 利用排列数公式计算 与数字有关的排列问题 利用排列数公式化简 树形图解决与数字有关的排列问题 利用排列数公式解方程
题号 8 9 10 11 12 13 14
难度 ★★ ★ ★★ ★★ ★★ ★★ ★★★
对点 与数字、对数计算有关的排列问题 排列的概念 利用排列数公式求值、解方程、化简 与数字有关的排列问题 与数字有关的排列问题 排列数公式的应用 利用排列数公式解不等式、证明等式
课后课时精练
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一、选择题
1.下列问题属于排列问题的是( )
①从10人中选2人分别去种树和扫地;
②从10人中选2人去扫地;
③从班上30名同学中选出3名同学分别参加数学、物理、化学竞赛;
④从数字5,6,7,8中任取两个不同的数字作幂运算.
A.①④ B.①② C.③④ D.①③④
解析:排列问题是与顺序有关的问题,由排列的定义易知①③④是排列问题,②不是排列问题.故选D.
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2.由1,2,3,4这四个数字组成的首位数字是1,且恰有三个相同数字的四位数有( )
A.9个 B.12个
C.15个 D.18个
解析:本题要求首位数字是1,且恰有三个相同的数字,用树形图表示为
由此可知,这样的四位数共有12个.
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4.从0~9这10个数字中任意取出3个数字,组成一个没有重复数字的三位数,则满足条件的三位数的个数是( )
A.648 B.720
C.504 D.1000
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二、填空题
6.在1,2,3,4的排列a1a2a3a4中,满足a1>a2,a3>a2,a3>a4的排列个数是________.
解析:首先注意a1位置的数比a2位置的数大,可以借助树形图进行筛选.满足a1>a2的树形图如下:
从而得出满足题意的排列有2143,3142,3241,4132,4231,共5个.
5
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8.从1,3,5,7,9这五个数中,每次取出两个不同的数分别记为a,b,共可得到lg a-lg b的不同值的个数是________.
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三、解答题
9.下列问题是不是排列问题:
(1)同宿舍4人,每两人互通一封信;
(2)同宿舍4人,每两人通一次电话;
(3)高二(1)班有4个空位,安排从外校转来的3名学生坐到这4个空位中的3个上;
(4)选3个人分别担任班长、学习委员、生活委员.
解: (1)是排列问题,相当于从4人中任取2人,并且按顺序排好.
(2)不是排列问题,“通电话”不讲顺序,甲与乙通了电话,也就是乙与甲通了电话.
(3)是排列问题,从4个空位中选出3个,分别安排给3名学生,与顺序有关.
(4)是排列问题,每个人的职务不同,例如甲当班长或当学习委员是不同的,与顺序有关.
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11.用1,2,3,…,9这九个数字组成的无重复数字的四位奇数中,各位数字之和为偶数的共有( )
A.120个 B.600个
C.720个 D.840个
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12.一个数阵有m行7列,第一行中的7个数互不相同,其余行都由这7个数以不同的顺序组成.如果要使任意两行的顺序都不相同,那么m的最大值为________.
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13.一条铁路有n个车站,为适应客运需要,新增了m个车站,且知m>1,客运车票增加了62种,问原有多少个车站?现在有多少个车站?
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R
Aeq \o\al(m,n)
知识点三 排列数公式
(1)乘积形式:Aeq \o\al(m,n)==_____________________ (n和m都是正整数,且m≤n).
(2)阶乘形式:Aeq \o\al(m,n)=________________ (n和m都是正整数,且m≤n).
(3)Aeq \o\al(n,n)=________.
(4)规定:0!=________,Aeq \o\al(0,n)=________.
eq \f(n!,(n-m)!)
3.(与排列数有关的运算)89×90×91×…×100可表示为Aeq \o\al(n,100),则n=______.
【跟踪训练】
1.判断下列问题是否为排列问题:
(1)会场有50个座位,要求选出3个座位,有多少种方法?若选出3个座位安排三位客人,又有多少种方法?
(2)从集合M={1,2,…,9}中,任取两个元素作为a,b,可以得到多少个焦点在x轴上的椭圆方程eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1?可以得到多少个焦点在x轴上的双曲线方程eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1?
(3)从1,3,5,7,9中任取3个数字,有多少种方法?若这3个数字组成没有重复的三位数,又有多少种方法?
解:(1)第一问不是排列问题,第二问是排列问题.“入座”问题与顺序有关,故选3个座位安排三位客人是排列问题.
(2)第一问不是排列问题,第二问是排列问题.若方程eq \f(x2,a2)+eq \f(y2,b2)=1表示焦点在x轴上的椭圆,则必有a>b,a,b的大小关系一定;在双曲线eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1中,不管a>b还是a<b,方程eq \f(x2,a2)-eq \f(y2,b2)=1均表示焦点在x轴上的双曲线,且是不同的双曲线,故是排列问题.
(3)第一问不是排列问题,第二问是排列问题.从5个数字中取3个数字,与顺序无关;若这3个数字组成不同的三位数,则与顺序有关.
例3 (1)(x-2)(x-3)(x-4)…(x-15)(x∈N+,x>15)可表示为( )
A.Aeq \o\al(13,x-2)
B.Aeq \o\al(14,x-2)
C.Aeq \o\al(13,x-15)
D.Aeq \o\al(14,x-15)
解析 由题意x∈N+,x>15.其中最大的数(x-2)为n,则m=(x-2)-(x-15)+1=14,所以(x-2)(x-3)(x-4)…(x-15)=Aeq \o\al(14,x-2).
(2)计算:4,8)eq \f(4A+2Aeq \o\al(5,8),Aeq \o\al(8,8)-Aeq \o\al(5,9))
.
解 原式=4,8)eq \f(4A+2×4Aeq \o\al(4,8),4×3×2Aeq \o\al(4,8)-9Aeq \o\al(4,8))
=eq \f(4+8,24-9)=eq \f(4,5).
(3)解方程3Aeq \o\al(x,8)=4Aeq \o\al(x-1,9).
解 由3Aeq \o\al(x,8)=4Aeq \o\al(x-1,9),
得eq \f(3×8!,(8-x)!)=eq \f(4×9!,(10-x)!),
化简,得x2-19x+78=0,
解得x1=6,x2=13.
又x≤8,且x-1≤9,
所以原方程的解是x=6.
(4)解不等式Aeq \o\al(x,9)>6Aeq \o\al(x-2,9),其中x≥3,x∈N+.
解 由原不等式,得eq \f(9!,(9-x)!)>eq \f(6×9!,(9-x+2)!),其中3≤x≤9,x∈N+,即(11-x)(10-x)>6,
整理,得x2-21x+104>0,
解得x<8或x>13.
又3≤x≤9,x∈N+,
所以x=3,4,5,6,7.
故原不等式的解集为{3,4,5,6,7}.
(5)求证:Aeq \o\al(n+1,n+1)-Aeq \o\al(n,n)=n2Aeq \o\al(n-1,n-1).
证明 ∵Aeq \o\al(n+1,n+1)-Aeq \o\al(n,n)=n(n+1)Aeq \o\al(n-1,n-1)-nAeq \o\al(n-1,n-1)=(n2+n-n)Aeq \o\al(n-1,n-1)=n2Aeq \o\al(n-1,n-1),
∴Aeq \o\al(n+1,n+1)-Aeq \o\al(n,n)=n2Aeq \o\al(n-1,n-1).
(1)将连续正整数的乘积转化为排列数时,关键是搞清楚其中的最大因数以及因数的个数.
(2)求解与排列数有关的方程或不等式时,通常是利用阶乘形式的排列数公式,将方程或不等式通过通分、约分等化简为普通方程或不等式,然后进行求解.
(3)必须注意排列数Aeq \o\al(m,n)中m∈N,n∈N+,且m≤n这些限制条件.
(4)在解出方程或不等式后,要进行检验,把不符合题意的解舍掉.
【跟踪训练】
3.(1)设a∈N+,且a<27,则(27-a)(28-a)·…·(34-a)=( )
A.Aeq \o\al(8,27-a)
B.Aeq \o\al(27-a,34-a)
C.Aeq \o\al(7,34-a)
D.Aeq \o\al(8,34-a)
解析:27-a,28-a,…,34-a中最大的数为34-a,一共有34-a-(27-a)+1=8个因式,所以(27-a)(28-a)…(34-a)=Aeq \o\al(8,34-a).
(2)若Aeq \o\al(5,m)=2Aeq \o\al(3,m),则m的值为( )
A.5
B.3
C.6
D.7
解析:若Aeq \o\al(5,m)=2Aeq \o\al(3,m),则m(m-1)(m-2)(m-3)·(m-4)=2×m(m-1)(m-2),即(m-3)(m-4)=2,由m≥5可得m=5.
(3)计算:4,8)eq \f(AAeq \o\al(4,12),12Aeq \o\al(6,11))
=________.
解析:解法一:4,8)eq \f(AAeq \o\al(4,12),12Aeq \o\al(6,11))
=eq \f(\f(8!,4!)×\f(12!,8!),\f(12×11!,5!))=5.
解法二:4,8)eq \f(AAeq \o\al(4,12),12Aeq \o\al(6,11))
=eq \f((8×7×6×5)×(12×11×10×9),12×(11×10×…×6))=5.
(4)不等式Aeq \o\al(2,n-1)-n<7的解集为________.
解析:由Aeq \o\al(2,n-1)-n<7,得(n-1)(n-2)-n<7,整理,得n2-4n-5<0,解得-1<n<5.又n-1≥2且n∈N+,所以3≤n<5且n∈N+,所以n=3或n=4.
(5)求证:Aeq \o\al(n,n)=Aeq \o\al(m,n)·Aeq \o\al(n-m,n-m).
证明:Aeq \o\al(m,n)·Aeq \o\al(n-m,n-m)=eq \f(n!,(n-m)!)·(n-m)!=n!=Aeq \o\al(n,n),等式得证.
2.计算6,7)eq \f(A-Aeq \o\al(5,6),Aeq \o\al(4,5))
=( )
A.12
B.24
C.30
D.36
解析:因为Aeq \o\al(6,7)=7×6×Aeq \o\al(4,5),Aeq \o\al(5,6)=6×Aeq \o\al(4,5),所以原式=4,5)eq \f(36A,Aeq \o\al(4,5))
=36.
解析:设车站数为n,则Aeq \o\al(2,n)=132,即n(n-1)=132,所以n=12.
解析:因为“word”有四个不同的字母,所以可能出现的错误的种数为Aeq \o\al(4,4)-1=23.
3.若S=Aeq \o\al(1,1)+Aeq \o\al(2,2)+Aeq \o\al(3,3)+Aeq \o\al(4,4)+…+Aeq \o\al(100,100),则S的个位数字是( )
A.8
B.5
C.3
D.0
解析:因为Aeq \o\al(1,1)=1,Aeq \o\al(2,2)=2,Aeq \o\al(3,3)=6,Aeq \o\al(4,4)=24,Aeq \o\al(5,5)=120,所以当n≥5时,Aeq \o\al(n,n)的个位数字是0,故S的个位数字取决于前四个排列数.又Aeq \o\al(1,1)+Aeq \o\al(2,2)+Aeq \o\al(3,3)+Aeq \o\al(4,4)=33,所以S的个位数字是3.
解析:因为0不能作首位,所以用0到9这10个数字,可以组成没有重复数字的三位数的个数为Aeq \o\al(3,10)-Aeq \o\al(2,9)=648.故选A.
5.(多选)下列各式中与排列数Aeq \o\al(m,n)相等的是( )
A.eq \f(n!,(m-n)!)
B.n(n-1)(n-2)…(n-m)
C.m+1,n)eq \f(A,n-m)
D.Aeq \o\al(1,n)Aeq \o\al(m-1,n-1)
解析:∵Aeq \o\al(m,n)=eq \f(n!,(n-m)!),A显然不满足题意;∵n(n-1)(n-2)…(n-m)=eq \f(n!,(n-m-1)!)=Aeq \o\al(m+1,n),∴Aeq \o\al(m,n)≠n(n-1)(n-2)…(n-m),故B不满足题意;∵m+1,n)eq \f(A,n-m)
=eq \f(1,n-m)·eq \f(n!,(n-m-1)!)=eq \f(n!,(n-m)!),∴Aeq \o\al(m,n)=m+1,n)eq \f(A,n-m)
,故C满足题意;∵Aeq \o\al(1,n)Aeq \o\al(m-1,n-1)=eq \f(n(n-1)!,[n-1-(m-1)]!)=eq \f(n(n-1)!,(n-m)!)=eq \f(n!,(n-m)!),∴Aeq \o\al(m,n)=Aeq \o\al(1,n)Aeq \o\al(m-1,n-1),故D满足题意.故选CD.
7.若Aeq \o\al(x,5)=2Aeq \o\al(x-1,6),则x=________.
解析:因为Aeq \o\al(x,5)=2Aeq \o\al(x-1,6),所以eq \f(5!,(5-x)!)=2·eq \f(6!,(7-x)!),且1≤x≤5,x∈N+,所以(7-x)(6-x)=12,解得x=3或x=10(舍去),所以x=3.
解析:由于lg a-lg b=lg eq \f(a,b)(a>0,b>0),从1,3,5,7,9中任取两个不同的数作eq \f(a,b)有Aeq \o\al(2,5)种情况,又eq \f(1,3)与eq \f(3,9)相同,eq \f(3,1)与eq \f(9,3)相同,故lg a-lg b的不同值的个数是Aeq \o\al(2,5)-2=20-2=18.
10.(1)求值:Aeq \o\al(7,7)-6Aeq \o\al(6,6)-6Aeq \o\al(5,5);
(2)解方程:Aeq \o\al(4,2x+1)=140Aeq \o\al(3,x);
(3)求值:m-1,n-1)eq \f(A·Aeq \o\al(n-m,n-m),Aeq \o\al(n-1,n-1))
;
(4)化简:1!+2·2!+3·3!+…+n·n!;
(5)化简:eq \f(1,2!)+eq \f(2,3!)+eq \f(3,4!)+…+eq \f(n-1,n!).
解:(1)原式=7Aeq \o\al(6,6)-6Aeq \o\al(6,6)-Aeq \o\al(6,6)=0.
(2)根据原方程,x应满足eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2x+1≥4,,x≥3,x∈N+,))
解得x≥3,x∈N+.
根据排列数公式,原方程可化为(2x+1)2x·(2x-1)(2x-2)=140x(x-1)(x-2).
又x≥3,两边同时除以4x(x-1),
得(2x+1)(2x-1)=35(x-2),即4x2-35x+69=0,
解得x=3或x=eq \f(23,4)(舍去).
故原方程的解为x=3.
(3)原式=eq \f((n-1)!,[n-1-(m-1)]!)·(n-m)!·eq \f(1,(n-1)!)=eq \f((n-1)!,(n-m)!)·(n-m)!·eq \f(1,(n-1)!)=1.
(4)原式=(2!-1!)+(3!-2!)+(4!-3!)+…+[(n+1)!-n!]=(n+1)!-1.
(5)∵eq \f(n-1,n!)=eq \f(1,(n-1)!)-eq \f(1,n!),
∴eq \f(1,2!)+eq \f(2,3!)+eq \f(3,4!)+…+eq \f(n-1,n!)
=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,1!)-\f(1,2!)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2!)-\f(1,3!)))+eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,3!)-\f(1,4!)))+…+eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(1,(n-1)!)-\f(1,n!)))=1-eq \f(1,n!).
解析:当四位数各位数字均为奇数时,有Aeq \o\al(4,5)=120个;当四位数各位数字中有两个奇数和两个偶数时,有3Aeq \o\al(2,5)Aeq \o\al(2,4)=720个.所以各位数字之和为偶数的四位奇数共有120+720=840个.故选D.
解析:由于7个数互不相同,故将这7个数全排列共有Aeq \o\al(7,7)=5040种排序方法,而一个数阵有m行7列,要使任意两行的顺序都不相同,则m的最大值为5040.
解:由题意可知,原有车票的种数是Aeq \o\al(2,n),现有车票的种数是Aeq \o\al(2,n+m),∴Aeq \o\al(2,n+m)-Aeq \o\al(2,n)=62,
即(n+m)(n+m-1)-n(n-1)=62,
∴m(2n+m-1)=62=2×31.
∵m<2n+m-1,且n≥2,m>1,m,n∈N+,
∴eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(m=2,,2n+m-1=31,))解得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(m=2,,n=15.))
故原有15个车站,现在有17个车站.
14.(1)解不等式:Aeq \o\al(x,8)<6Aeq \o\al(x-2,8);
(2)求证:Aeq \o\al(m,n)+mAeq \o\al(m-1,n-1)+m(m-1)Aeq \o\al(m-2,n-1)=Aeq \o\al(m,n+1)(n,m∈N+,n≥m>2).
解:(1)由Aeq \o\al(x,8)<6Aeq \o\al(x-2,8),
得eq \f(8!,(8-x)!)<6·eq \f(8!,(10-x)!),2≤x≤8,x∈N,
化简,得x2-19x+84<0,解得7<x<12.
所以x=8.
(2)证明:因为左边=eq \f(n!,(n-m)!)+m·eq \f((n-1)!,(n-m)!)+m(m-1)·eq \f((n-1)!,(n-m+1)!)
=eq \f(n!(n-m+1)+m(n-1)!(n-m+1)+m(m-1)(n-1)!,(n-m+1)!)
=eq \f((n-1)![n(n-m+1)+m(n-m+1)+m(m-1)],(n-m+1)!)
=eq \f((n-1)!(n2+n),(n-m+1)!)=eq \f((n+1)!,(n+1-m)!)=Aeq \o\al(m,n+1)=右边,
所以等式成立.
$