Тип и особенности: урок открытия и изучения новых знаний с помощью решения практико-ориентированных задач .

Цель урока: научить учащихся решать комбинаторные задачи методами: 1) конечного перебора; 2) построения дерева возможных вариантов; 3) с помощью таблицы.

Оборудование: компоненты УМК «Виленкин. 5», проектор, компьютер, интерактивная доска (ИД ) , на каждой парте по 2 листа (формата А4) с 7 решенными классными задачами и по 2 листа (формата А4) с 7 тестовыми задачами . На столе учителя лежат лист (формата А4) с 7 решенными классными задачами и лист (формата А4) с 7 тестовыми задачами их решениями, распечатки проектного задания на дом.

Этапы урока

Задачи этапа

Визуальный ряд

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

Формируемые УУД

Организационный

Собрать домашнее задание, настроить на урок

Слайд на доске:

«тяжело в учении легко в бою»

Прошу теперь сдать на проверку тетради с домашней работой. Напоминаю, что мы сегодня приступаем к изучению новой темы.

Дежурные проходят по классу собирают тетради.

Саморегуляция, прогнозирование и оценка

Актуализации теоретических знаний

Определить цель урока

На доске: дата и название темы: «Комбинаторные задачи»

Ребята, сегодня мы совершим увлекательное путешествие в мир «Комбинаторики»

Мысленно задают вопрос: «а что это такое»

Целеполагание, предметная рефлексия.

Объяснения нового материа

ла

Первичное знакомство с основными понятиями,

методами, способами

решения

комбинаторных задач

Слайд на доске: Слово «комбинаторика» произошло от латинского слова COMBINARE , что означает «соединять», «сочетать»

Учитель задаёт вопрос как вы думаете что означает слово «комбинаторика»?

Учитель делает паузу, слушает ответы потом говорит определение.

Слово «комбинаторика» произошло от латинского слова COMBINARE , что означает «соединять», «сочетать»

Дети отвечают, выдвигая гипотезы

Внимательно слушают, читают определение на раздаточных листках

Выдвижение и проверка гипотез.

Слайд на доске

Чтобы запереть чемодан с кодовым замком, состоящий из двух каких-либо цифр. Хозяин чемодана решил использовать только цифры 1, 2 и 3. Сколькими способами он может выбрать код?

Решить эту задачу можно с помощью древа возможных вариантов или перебора всех возможных вариантов

Внимательно слушают, смотрят слайд, думают, запоминают.

Смысловое чтение.

Слайд на доске:

Решение древом возможных

Вариантов

ДЕРЕВО ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ Часто процесс перебора удобно осуществлять путем построения специальной схемы - так называемого дерева возможных вариантов

изобразите корень дерева, для этого поставьте знак *.

Чтобы выбрать первую цифру кода, у нас есть три варианта: 1; 2; 3. Поэтому от корня дерева проведите три ветви и на их концах поставите цифры 1; 2; 3.

Для выбора второй цифры есть те же три варианта. Проводим «веточки»

Анализ объекта.

Слайд на доске:

Решение перебором

Подходящие коды - это двузначные числа, которые можно составить из цифр

1, 2, 3. Будем выписывать все такие цифры в порядке возрастания. Такой способ перебора позволит нам не пропустить никакой из кодов и в то же время не повторить ни один из них.

С начало запишем в порядке возрастания все коды, начинающиеся с цифры 1: 11, 12, 13. Затем запишем в порядке возрастания коды, начинающиеся с цифры 2: 21, 22, 23.

Затем запишем в порядке возрастания коды, начинающиеся с цифры 3: 31, 32, 33

Таким образом, имеется 9 способов выбора

кода: 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33.

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Анализ объекта.

Выбор оснований критериев для сравнения, сериации, классификации объектов.

Создание и преобразование модели и схемы для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Закрепления новых знаний

Показать практическое применение теоретических знаний

через их применение в решении практических задач

Слайд на доске с условием задачи №1

В столовой на завтрак можно выбрать пиццу, плюшку, бутерброд, а запить их можно чаем, соком. Из скольких вариантов завтрака можно выбирать?

Слайд на доске с решением

На слайде изображено дерево возможных вариантов

первый уровень «НАПИТКИ»

два варианта: ЧАЙ, СОК.

второй уровень три варианта: ПИЦЦА, ПЛЮШКА, БУТЕРБРОД.

Итого шесть ВАРИАНТОВ завтрака:

ЧАЙ+ПИЦЦА, ЧАЙ+ПЛЮШКА, ЧАЙ+БУТЕРБРОД, СОК+ПИЦЦА, СОК+ПЛЮШКА, СОК+БУТЕРБРОД.

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомство с профессиями.

Анализ объекта.

Выбор оснований критериев для сравнения, сериации, классификации объектов.

Создание и преобразование модели и схемы для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №2

Из страны «Математика» в страну «Литература» ведут три дороги, а из страны «Литература» в страну «Физкультура» - четыре дороги. Сколькими способами можно попасть из страны «Математика» в

Страну «Физкультура» через страну «Литература»?

Слайд на доске с решением

Рисунок поможет нам решить эту задачу.

Переберём все «ПУТИ»

Обозначим дороги идущие из страны «МАТЕМАТИКА» так: М1, М2, М3,

а из «ЛИТЕРАТУРА» Л1, Л2, Л3,Л4.

Переберём М1+Л1, М1+Л2, М1+Л3,М1+Л4, М2+Л1, М2+Л2, М2+Л3,

М2+Л4, М3+Л1, М3+Л2, М3+Л3, М3+Л4

Натолкнуть

Детей на мысль о перемножении Количества дорог

А можно взять и перемножить количество дорог 3*4 =12

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №3

Шифр сейфа составляют из букв и цифр, причём на первом месте ставится буква (например А7). Сколько различных вариантов шифра можно составить, используя буквы А, В, С и цифры 3, 7, 9?

Слайд на доске с решением

2)Чтобы выбрать букву кода, у нас есть три варианта: А; B ; C . Поэтому от корня дерева проведены три ветви и на их концах поставлены буквы: А; B ; C .

3)Для выбора цифры есть те же три варианта. Проводим «веточки»

Двигаясь от корня дерева по ветвям, мы получим все возможные коды

А3, А7, А9, В3, В7, В9, С3, С7, С9

Или Всего 3*3=9 вариантов

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №4

Несколько стран в качестве символа своего государства решили использовать флаг в виде трёх горизонтальных полос одинаковых по ширине, но разных по цвету: белый, синий, красный. Сколько стран могут использовать такую символику при условии, что у каждой страны свой, отличный от других, флаг?

Слайд на доске с решением

Первый способ: обозначим цвета полосок первыми буквами названий цветов

Б – белый, К – красный, С – синий.

Решим перебором:

БСК, БКС, СБК, СКБ, КБС, КСБ

Всего шесть вариантов.

Второй способ:

Берем карандаши и рисуем флаги

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №5

В семье 4 человек, и за столом в кухне стоят 4 стула. В семье решили каждый вечер, ужиная, рассаживаться на эти 4 стула по новому. Сколько дней члены семьи смогут делать это без повторений?

Слайд на доске с решением

Второй способ решения

Для наглядности раскрасим стулья разными цветами.

Зафиксируем красный стул вверху и, будем переставлять остальные три, получим шесть вариантов.

Эту же операцию проделаем с остальными цветами, получим 6*4=24 различных вариантов.

Второй способ:

На первый стул может сесть любой член семьи, т. е. 4 варианта; на второй – 3 человека так, как один член семьи уже сидит; на третий – 2 человека так, как

двое сидят; на четвёртый только один так, как три члена семьи уже сидят.

Итак, перемножим все варианты

4*3*2*1= 24

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №6

Вася решил пойти на новогодний

карнавал в костюме мушкетёра. В ателье проката ему предложили на выбор: три вида брюк, два камзола, три шляпы. Сколько различных карнавальных костюмов можно составить из этих предметов?

Слайд на доске с решением

Обозначим: первую шапку Ш1, вторую – Ш2, третью – Ш3

1) на слайде изображён корень дерева, в виде знака *.

2) первый уровень трое брюк;

3) второй уровень два камзола;

4) третий уровень три шапки;

Всего 18 вариантов

Или просто перемножить «уровни»

3*2*3=18

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Слайд на доске с условием задачи №7

При встрече 7 гномов обменялись рукопожатиями. Сколько всего было сделано рукопожатий?

Семь гномов решили обменяться фотографиями. Сколько нужно фотографий?

Слайд на доске с решением: а)

Слайд на доске с решением: б)

Эти две задачи очень похожи, но всё-таки они разные

При решении таких задач лучше использовать таблицу.

1)Нарисуем таблицу 8*8, первая строка и первый столбец это гномы.

2)Вычеркнем диагональ таблицы так, как гном сам с собою не может поздороваться.

3) Ячейки это кто с кем поздоровался.

4) Нижняя часть таблицы повторяет верхнюю.

Первый гном поздоровался со вторым = второй гном поздоровался с первым.

Всего 21 рукопожатие.

Задача б) отличается от а) тем, что нужно

учитывать нижнюю часть таблицы так, как

первый гном подарил фото второму, НЕРАВНО второй гном подарил фото первому.

Всего 42 фото.

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Знакомятся с моделями и схемами для решения задач в зависимости от конкретных условий.

Систематизации знаний

Систематизировать методы решений комбинаторных задач.

Слайды на доске

И следующий слайд,

Слайды решений задачи №7

Мы познакомились с тремя методами решения 1) древо вариантов; 2) перебор;

3) табличное представление данных

Внимательно слушают, смотрят слайды, думают, анализируют, классифицируют, запоминают.

Систематизация знаний по трём

методам.

Усвоения новых знаний

Дать определе-

ние комбинаторных задачач.

Слайд на доске

Попросить детей своими словами определить понятие «Комбинаторные задачи»

Отвечают на вопрос

Установление аналогий.

Умение классифициро

вать.

Определить три метода решения задач этого типа.

Следующий слайд;

Слайд решения задачи №7

Попросить детей своими словами рассказать о трёх методах решения

комбинаторных задач

Отвечают на вопрос

Умение классифициро

вать.

Выбор наиболее эффективных способов решения задач в зависимости от конкретных решений

Сделать вывод о многовариантном решении комбинаторных задач

Слайд

Спросить у детей, как вы думаете все ли комбинаторные задачи можно решить разными методами?

После показа слайда физкульт. минутка (к доске вызываются 3 ученика и разными способами рассаживаются за парту)

Отвечают на вопрос

Создавать модели и схемы для решения задач в зависимости от конкретных условий

Рефлек

сии

Провести самостоятельную работу в группах, в малых группах, индиви- дуально.

диагонали

пополам

равны

под прямым углом

да

Да

да

На парте у каждого лист (формата А4) с семью задачами (приложение№1)

Слайд с ответами

Таблица на доске (ответы команд)

Коман-

да №1

Коман-

да №2

7 а

7 б

Из класса выбираются две команды по 8 -12 человек. Даётся им задание:

1. Распределиться по задачам: на одну задачу по одному или по двое учеников.

2. На решение отводится не более 7 минут

Примечание: создать команды может учитель, распределение по задачам нет, только дети сами должны распределиться за 1 минуту. Если не смогут, то по местоположению детей, ученик получит свою задачу.

1. за каждую правильно решенную

задачу команда получит 1 балл

1. проверяет класс: на доске выписываются ответы команд. Дети решавшие свою задачу говорят ответ дежурный записывает его

2. правильные ответы на слайде

Ученики, которые не задействованы в командах, решают по своему выбору и любое количество задач из семи

Выполняют самостоятельную работу в коллективе, в парах, индивидуально.

Сочетание индивидуальной самостоятельной работы и сотрудничество в коллективе

Объяснения домашнего задания

Обеспече

ние понимания детьми цели, содержания и способов выполне

ния домашнего задания.

У каждого ученика на парте лежит текст этого домашнего

задания.

Проектное домашнее задание

Придумать каждому по три

любые комбинаторные задачи.

Группа не более 5 человек

Эти задачи мы (Учитель и ученики) будем использовать в дальнейшем в конкурсах викторинах, и не только внутри класса, но и школы.

То есть создадим банк «Задач для викторин»

Продумывают условия выполнения д/з:

1)индивидуально или в группе;

2) что использовать при составлении задач, какие ресурсы.

Саморегуля

ция, развитие самосознания, ответствен

ного отношения

Приложение №1

Задача №1

В столовой на завтрак можно выбрать булочку, пирожок с капустой, пирожок с картошкой, бутерброд, а запить их можно чаем, компотом. Из скольких вариантов завтрака можно выбирать?

Задача №2

Из страны «Математика» в страну «Литература» ведут четыре дороги, а из страны «Литература» в страну «Физкультура» - пять дорог. Сколькими способами можно попасть из страны «Математика» в

страну «Физкультура» через страну «Литература»?

Задача №3

Шифр сейфа составляют из букв и цифр, причём на первом месте ставится буква (например А7). Сколько различных вариантов шифра можно составить, используя буквы А, M , F и цифры 1, 4, 6, 9?

Задача №4

Несколько стран в качестве символа своего государства решили использовать флаг в виде четырёх горизонтальных полос одинаковых по ширине, но разных по цвету: белый, синий, красный, зелёный. Сколько стран могут использовать такую символику при условии, что у каждой страны свой, отличный от других, флаг?

Задача №5

В семье 5 человек, и за столом в кухне стоят 5 стульев. В семье решили каждый вечер, ужиная, рассаживаться на эти 5 стульев по новому. Сколько дней члены семьи смогут делать это без повторений?

Задача №6

Вася решил пойти на новогодний карнавал в костюме мушкетёра. В ателье проката ему предложили на выбор: четыре вида брюк, два камзола, две шляпы. Сколько различных карнавальных костюмов можно составить из этих предметов?

Задача №7

При встрече 4 гнома обменялись рукопожатиями. Сколько всего было сделано рукопожатий?

Пять гномов решили обменяться фотографиями. Сколько нужно фотографий?

Приложение №2

Домашнее задание (Проектная деятельность)

Проектное домашнее задание

Придумать каждому по три

любые комбинаторные задачи.

При придумывании задач можно использовать: Учебник «Виленкин. Математика 5; другие книги; ресурсы интернета.

Можно объединяться в группы, но условие,

каждый ученик по три задачи остаётся.

Группа не более 5 человек

3) УМК « Дорофеев Математика 5»;

4) Ресурсы Интернета (gif1000)

КОМБИНАТОРИКА

Комбинаторика - раздел математики, который изучает задачи выбора и расположения элементов из некоторого основного множества в соответствии с заданными правилами. Формулы и принципы комбинаторики используются в теории вероятностей для подсчета вероятности случайных событий и, соответственно, получения законов распределения случайных величин. Это, в свою очередь, позволяет исследовать закономерности массовых случайных явлений, что является весьма важным для правильного понимания статистических закономерностей, проявляющихся в природе и технике.

Правила сложения и умножения в комбинаторике

Правило суммы. Если два действия А и В взаимно исключают друг друга, причем действие А можно выполнить m способами, а В - n способами, то выполнить одно любое из этих действий (либо А, либо В) можно n + m способами.

Пример 1.

В классе учится 16 мальчиков и 10 девочек. Сколькими способами можно назначить одного дежурного?

Решение

Дежурным можно назначить либо мальчика, либо девочку, т.е. дежурным может быть любой из 16 мальчиков, либо любая из 10 девочек.

По правилу суммы получаем, что одного дежурного можно назначить 16+10=26 способами.

Правило произведения. Пусть требуется выполнить последовательно k действий. Если первое действие можно выполнить n 1 способами, второе действие n 2 способами, третье - n 3 способами и так до k-го действия, которое можно выполнить n k способами, то все k действий вместе могут быть выполнены:

способами.

Пример 2.

В классе учится 16 мальчиков и 10 девочек. Сколькими способами можно назначить двух дежурных?

Решение

Первым дежурным можно назначить либо мальчика, либо девочку. Т.к. в классе учится 16 мальчиков и 10 девочек, то назначить первого дежурного можно 16+10=26 способами.

После того, как мы выбрали первого дежурного, второго мы можем выбрать из оставшихся 25 человек, т.е. 25-ю способами.

По теореме умножения двое дежурных могут быть выбраны 26*25=650 способами.

Сочетания без повторений. Сочетания с повторениями

Классической задачей комбинаторики является задача о числе сочетаний без повторений, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно выбрать m из n различных предметов ?

Пример 3.

Необходимо выбрать в подарок 4 из 10 имеющихся различных книг. Сколькими способами можно это сделать?

Решение

Нам из 10 книг нужно выбрать 4, причем порядок выбора не имеет значения. Таким образом, нужно найти число сочетаний из 10 элементов по 4:

.

Рассмотрим задачу о числе сочетаний с повторениями: имеется по r одинаковых предметов каждого из n различных типов; сколькими способами можно выбрать m () из этих (n*r) предметов?

.

Пример 4.

В кондитерском магазине продавались 4 сорта пирожных: наполеоны, эклеры, песочные и слоеные. Сколькими способами можно купить 7 пирожных?

Решение

Т.к. среди 7 пирожных могут быть пирожные одного сорта, то число способов, которыми можно купить 7 пирожных, определяется числом сочетаний с повторениями из 7 по 4.

.

Размещения без повторений. Размещения с повторениями

Классической задачей комбинаторики является задача о числе размещений без повторений, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно выбрать и разместить по m различным местам m из n различных предметов?

Пример 5.

В некоторой газете 12 страниц. Необходимо на страницах этой газеты поместить четыре фотографии. Сколькими способами можно это сделать, если ни одна страница газеты не должна содержать более одной фотографии?

Решение.

В данной задаче мы не просто выбираем фотографии, а размещаем их на определенных страницах газеты, причем каждая страница газеты должна содержать не более одной фотографии. Таким образом, задача сводится к классической задаче об определении числа размещений без повторений из 12 элементов по 4 элемента:

Таким образом, 4 фотографии на 12 страницах можно расположить 11880 способами.

Также классической задачей комбинаторики является задача о числе размещений с повторениями, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно вы б рать и разместить по m различным местам m из n предметов, с реди которых есть одинаковые?

Пример 6.

У мальчика остались от набора для настольной игры штампы с цифрами 1, 3 и 7. Он решил с помощью этих штампов нанести на все книги пятизначные номера- составить каталог. Сколько различных пятизначных номеров может составить мальчик?

Перестановки без повторений . Перестановки с повторениями

Классической задачей комбинаторики является задача о числе перестановок без повторения, содержание которой можно выразить вопросом: сколькими способами можно разместить n различных предметов на n различных местах?

Пример 7.

Сколько можно составить четырехбуквенных «слов» из букв слова«брак»?

Решение

Генеральной совокупностью являются 4 буквы слова «брак» (б, р, а, к). Число «слов» определяется перестановками этих 4 букв, т. е.

Для случая, когда среди выбираемых n элементов есть одинаковые (выборка с возвращением), задачу о числе перестановок с повторениями можно выразить вопросом: сколькими способами можно переставить n предметов, расположенных на n различных местах, если среди n предметов имеются k различных типов (k < n), т. е. есть одинаковые предметы.

Пример 8.

Сколько разных буквосочетаний можно сделать из букв слова «Миссисипи»?

Решение

Здесь 1 буква «м», 4 буквы «и», 3 буквы «c» и 1 буква «п», всего 9 букв. Следовательно, число перестановок с повторениями равно

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ПО РАЗДЕЛУ "КОМБИНАТОРИКА"

Для построения соответствующих математических моделей комбинаторных задач будем использовать математический аппарат теории множеств . Может случиться, что в данном множестве порядок следования элементов не важен, а важен только состав множества. Но есть задачи, в которых прядок элементов является существенным.

Определение 1: Порядок во множестве изэлементов – это нумерация его элементов натуральными числами, т.е. отображение множества
на множество
.

Определение 2: Множество с заданным на нем порядком называется упорядоченным множеством.

Очевидно, что множество, содержащее более одного элемента, можно упорядочить не единственным способом.

Например, из двух букв иможно построить упорядоченное множество двумя различными способами:

и
.

Три буквы ,иможно расположить в виде последовательности шестью способами:

,
,
,
,
,
.

Для четырех букв путем перебора получим уже 24 различных упорядоченных последовательностей.

Упорядоченные последовательности элементов некоторого множества можно рассматривать как распределения или расстановки этих элементов в последовательности.

Определение 3: Пусть дано конечное множество
изэлементов. Всякий набор изэлементов данного множества (при этом элементы в наборе могут и повторяться) будем называть-расстановками .

Через понятие расстановки вводятся основные определения комбинаторики: сочетания, размещения и перестановки . При этом каждое из этих понятий может быть с повторениями и без повторений. В данном параграфе будут рассмотрены комбинаторные формулы без повторений.

Перестановки без повторений.

Определение 4: Пусть
- конечное множество изэлементов.Перестановками из различных элементов множества
называются все расположенияэлементов в определенном порядке. Обозначается:(от французского словаpermutation - перестановка).

Упорядоченные множества считаются различными, если они отличаются либо своими элементами, либо их порядком.

Определение 5: Различные упорядоченные множества, которые отличаются лишь порядком элементов, называются перестановками этого множества.

Последнее определение сформулировано с позиции теории множеств.

Определение 6: Произведение последовательных натуральных чисел в математике обозначаюти называютфакториалом .

Выбор для обозначения восклицательного знака, возможно, связан с тем, что даже для сравнительно небольших значенийчислоочень велико. Например,
,
,
,
,
,,и т.д.

Теорема 1: Число перестановок из различных элементов вычисляется по формуле:

Доказательство. Рассмотрим произвольное множество из элементов. Построим всевозможные расстановки из этихэлементов. На первое место расстановки можно поставить любой из элементов (способов выбора первого элемента). После того, как первый элемент выбран и независимо как он выбран, второй элемент можно выбрать
способом. Для выбора третьего элемента остается
способа и т.д. Последний элемент выбирается соответственно одним способом. Тогда, в силу комбинаторного принципа умножения, количество таких расстановок будет равно:

Теорема доказана.

Пример 1: Сколькими способами трое друзей могут занять в кинотеатре места с номерами 1, 2 и 3.

Решение. Количество искомых способов будет равно числу перестановок без повторений из трех элементов:
способов. При необходимости эти способы можно перебрать.

Перестановки букв некоторого слова называют анаграммами . Открытые еще в ІІІ веке до нашей эры греческим грамматиком Ликофроном анаграммы до сих пор привлекают внимание языковедов, поэтов и любителей словесности. Мастера словесных игр помимо эрудиции и большого запаса слов знают много секретов, связанных с комбинаторными навыками, один из которых – анаграммы. Часто требуется среди всех перестановок выбрать те, которые обладают определенным свойством. Например, среди анаграмм слова «крот» , которых всего
, только одна, не считая самого слова«крот» , имеет смысл в русском языке – «корт».

Кроме линейных перестановок, можно рассматривать перестановки круговые (или циклические). В этом случае перестановки, переходящие друг в друга при вращении, считаются одинаковыми и не должны засчитываться.

Теорема 2: Число круговых перестановок из различных элементов равно

Пример 2: Сколькими способами 7 детей могут стать в хоровод?

Решение. Число линейных перестановок 7 детей будет равно
. Если хоровод уже сформирован, тогда для него существует 7 круговых перестановок, переходящих друг в друга при повороте. Эти перестановки не должны быть засчитаны, поэтому круговых перестановок из 7 элементов будет.

Размещения без повторений.

Определение 7: Пусть имеется различных предметов. Расстановки изэлементов поэлементов (
) называютсяразмещениями без повторений . Обозначают: . Здесь имеется в виду, что элементы в расстановках не повторяются.

В данном определении существенной является следующая позиция: две расстановки различны, если они отличаются хотя бы одним элементом или порядком элементов.

Приведем еще одно определение размещений, эквивалентное исходному, более простое для понимания.

Определение 8: Конечные упорядоченные множества называются размещениями.

Теорема 3: Количество всех размещений из элементов поэлементов без повторений вычисляется по формуле:

Доказательство. Пусть имеется произвольное множество
, состоящее изэлементов. Необходимо выбрать из этого множестваразличных элементов. Причем, важен порядок выбора.

Выбор элементов осуществляется поэтапно. Первый элемент расстановки можно выбрать различными способами. Тогда из оставшихся элементов множества
второй элемент расстановки выбирается
способом. Для выбора третьего элемента возможно
способа и т.д. Тогда для выбора- го элемента имеем
способ. Следовательно, согласно правилу умножения, количество таких расстановок будет равно:

По определению, такие расстановки являются размещениями. Что и требовалось доказать.

Пример 3: Собрание из 25 человек выбирает президиум из 3 человек: 1) председатель, 2) заместитель, 3) секретарь. Сколько возможно вариантов выбора президиума?

Решение. Выбирая трех человек из 25, замечаем, что важен порядок выбора, поэтому количество президиумов будет равно:

Замечание: Число размещений без повторений можно также находить по формуле:

. (3)

Если в знаменателе дроби из формулы (3)
, то принято считать
.

Замечание: Формула (3) отличается компактностью, но при решении задач удобнее использовать формулу (2). Дробь, стоящая в правой части формулы (3), может быть сокращена до целого числа. Это число равно числу из правой части формулы (2).

Пример 4: Сколько можно составить двухбуквенных слов (буквы не повторяются) из 33 букв русского алфавита?

Решение. В данном случае мы имеем дело не со словами в лингвистическом понимании, а с буквенными комбинациями произвольного состава.

Тогда количество различных комбинаций из 2 букв, выбранных из 33 букв алфавита, будет равно:

.

В данном случае важен порядок букв. Если поменять 2 буквы в слове, то получим новое слово.

Замечание: Перестановка без повторений – это частный случай размещений без повторений при
. Можно сказать, что перестановка изэлементов – это размещение изэлементов поэлементов:

В некоторых задачах по комбинаторике не имеет значения порядок расположения объектов в той или иной совокупности. Важно лишь то, какие именно элементы ее составляют. В таких ситуациях мы имеем дело с сочетаниями .

Сочетания без повторений.

Определение 9: Сочетания без повторений из элементов некоторого множества поэлементов (
) – это расстановки, отличающиеся друг от другасоставом , но не порядком элементов. Обозначают: (от французского словаcombinaison – сочетание).

В данном случае в расстановках важен состав, а не порядок элементов в подмножестве. Если две расстановки отличаются только порядком следования элементов, то с точки зрения сочетаний они не различимы. Элементы в этих расстановках не повторяются.

С точки зрения теории множеств определение сочетаний можно сформулировать иначе.

Определение 10: Конечные неупорядоченные множества называются сочетаниями.

Таким образом, сочетания – это такая выборка элементов, при которой их порядок совершенно не важен.

Сочетаний из элементов поэлементов должно быть меньше, чем соответствующих размещений. Это следует из того, что не надо засчитывать расстановки одинакового состава.

Теорема 4: Число сочетаний находится по следующей формуле:

. (4)

Доказательство. Если из произвольного -элементного множества выбраныэлементов, то их можно пронумеровать номерами
числом способов, равным. Оставшиеся
элементов можно занумеровать номерами
,
, …,всего
способами. Кроме того, сам отборэлементов изэлементов можно осуществитьспособами. Таким образом, мы получили
вариантов нумерации полного множества из элементов, которых всего. Поэтому имеем
, откуда получаем:

.

Теорема доказана.

Замечание: Дробь, стоящая в правой части (4), может быть сокращена до целого числа.

Из формулы числа сочетаний следует:

,
,
.

Формула (4) может быть преобразована к виду:
. Отсюда видно, что число размещенийвраз больше числа соответствующих сочетаний. Другими словами, чтобы посчитать все сочетания, нужно исключить из всех размещенийподмножества, отличающиеся порядком (их будетштук), т.е.делят на.

Пример 5: Сколькими способами можно выбрать 3 различные краски из имеющихся пяти.

Решение. Порядок выбора красок не важен. Важно только какие краски выбраны. Поэтому количество вариантов равно:
.

Пример 6: Сколькими способами можно пошить трехцветные полосатые флаги, если имеется материал пяти различных цветов.

Решение. Порядок выбора полос важен, поэтому количество таких флагов равно:
.

План:

1. Элементы комбинаторики.

2. Общие правила комбинаторики.

4. Применение графов (схем) при решении комбинаторных задач.

1. Комбинаторика и ее возникновение.

Комбинаторика - это область математики, в которой изучаются вопросы о том, сколько различных комбинаций, подчиненных тем или иным условиям, можно составить из элементов, принадлежащих данному множеству.

Комбинаторика возникла в XVI веке. В жизни привилегированных слоев тогдашнего общества большое место занимали азартные игры (карты, кости). Широко были распространены лотереи. Первоначально комбинаторные задачи касались в основном азартных игр: сколькими способами можно получить данное число очков, бросая 2 или 3 кости или сколькими способами можно получить 2-ух королей в некоторой карточной игре. Эти и другие проблемы азартных игр являлись движущей силой в развитии комбинаторики и далее в развитии теории вероятностей.

Одним из первых занялся подсчетом числа различных комбинаций при игре в кости итальянский математик Тарталья. Он составил таблицы (числа способов выпадения k очков на r костях). Однако, он не учел, одна и та же сумма очков может выпасть различными способами, поэтому его таблицы содержали большое количество ошибок.

Теоретическое исследование вопросов комбинаторики предприняли в XVII веке французские математики Блез Паскаль и Ферма. Исходным пунктом их исследований были так же проблемы азартных игр.

Дальнейшее развитие комбинаторики связано с именами Я. Бернулли, Г. Лейбница, Л. Эйлера. Однако, и в их работах основную роль играли приложения к различным играм.

Сегодня комбинаторные методы используются для решения транспортных задач, в частности задач по составлению расписаний, для составления планов производства и реализации продукции и т.д.

2. Общие правила комбинаторики.

Правило суммы: Если некоторый объект А может быть выбран m способами, а объект В- k способами, то объект «либо А, либо В» можно выбрать m +k способами.

Примеры:

1. Допустим, что в ящике находится n разноцветных шаров. Произвольным образом вынимается 1 шарик. Сколькими способами это можно сделать?

Ответ: n способами.

Распределим эти n шариков по двум ящикам: в первый- m шариков, во второй- k шариков. Произвольным образом из произвольно выбранного ящика вынимается 1 шарик. Сколькими способами это можно сделать?

Решение: Из первого ящика шарик можно вынуть m способами, из второго- k способами. Тогда всего способов m+k=n .

2. Морской семафор.

В морском семафоре каждой букве алфавита соответствует определенное положение относительно тела сигнальщика двух флажков. Сколько таких сигналов может быть?

Решение: Общее число складывается из положений, когда оба флажка расположены по разные стороны от тела сигнальщика и положений, когда они расположены по одну сторону от тела сигнальщика. При подсчете числа возможных положений применяется правило суммы.

Правило произведения: Если объект А можно выбрать m способами, а после каждого такого выбора другой объект В можно выбрать (независимо от выбора объекта А) k способами, то пары объектов «А и В» можно выбрать m *k способами.

Примеры:

1. Сколько двузначных чисел существует?

Решение: Число десятков может быть обозначено любой цифрой от 1 до 9. Число единиц может быть обозначено любой цифрой от 0 до 9. Если число десятков равно 1, то число единиц может быть любым (от 0 до 9). Таким образом, существует 10 двузначных чисел, с числом десятков- 1.Аналогично рассуждаем и для любого другого числа десятков. Тогда можно посчитать, что существует 9 *10 = 90 двузначных чисел.

2. Имеется 2 ящика. В одном лежит m разноцветных кубиков, а в другом- k разноцветных шариков. Сколькими способами можно выбрать пару «Кубик-шарик»?

Решение: Выбор шарика не зависит от выбора кубика, и наоборот. Поэтому, число способов, которыми можно выбрать данную пару равно m *k .

3. Генеральная совокупность без повторений и выборки без повторений.

Генеральная совокупность без повторений - это набор некоторого конечного числа различных элементов a 1 , a 2 , a 3 , ..., a n .

Пример: Набор из n разноцветных лоскутков.

Выборкой объема k (k n ) называется группа из m элементов данной генеральной совокупности.

Пример: Пестрая лента, сшитая из m разноцветных лоскутков, выбранных из данных n .

Размещениями из n элементов по k называются такие выборки, которые содержат по k элементов, выбранных из числа данных n элементов генеральной совокупности без повторений, и отличаются друг от друга либо составом элементов, либо порядком их расположения.

- число размещений из n по k .

Число размещений из n по k можно определить следующим способом: первый объект выборки можно выбрать n способами, далее второй объект можно выбрать n -1 способом и т.д.

Преобразовав данную формулу, имеем:

Следует помнить, что 0!=1.

Примеры:

1. В первой группе класса А первенства по футболу участвует 17 команд. Разыгрываются медали: золото, серебро и бронза. Сколькими способами они могут быть разыграны?

Решение: Комбинации команд-победителей отличаются друг от друга составом и порядком следования элементов, т.е. являются размещениями из 17 по 3.

2. Научное общество состоит из 25-ти человек. Необходимо выбрать президента общества, вице-президента, ученого секретаря и казначея. Сколькими способами это можно сделать?

Решение: Комбинации руководящего состава общества отличаются друг от друга составом и порядком следования элементов, т.е. являются размещениями из 25 по 4.

Перестановками без повторений из n элементов называются размещения без повторений из n элементов по n , т.е. размещения отличаются друг от друга только порядком следования элементов.

Число перестановок.

Примеры:

1. Сколько различных пятизначных чисел можно составить из цифр 1, 2, 3, 4, 5 при условии, что они должны состоять из различных цифр?

Решение: Имеем перестановки из 5 элементов. 2. Сколькими способами можно собрать 6 разноцветных лоскутков в пеструю ленту?
Решение: Имеем перестановки из 6 элементов.

Сочетаниями без повторений из n элементов по k называются такие выборки, которые содержат по k элементов, выбранных из числа данных n элементов генеральной совокупности без повторений, и отличаются друг от друга только составом элементов.

- число сочетаний из n по k

Элементы каждого из сочетаний можно расставить способами. Тогда Примеры:

1. Если в полуфинале первенства по шахматам участвует 20 человек, а в финал выходят лишь трое, то сколькими способам и можно определить эту тройку?

Решение: В данном случае порядок, в котором располагается эта тройка, не существенен. Поэтому тройки, вышедшие в финал, являются сочетаниями из 20 по 3.

2. Сколькими способами можно выбрать трех делегатов из десяти человек на конференцию?

Решение: В данном случае порядок, в котором располагается эта тройка, не существенен. Поэтому тройки делегатов являются сочетаниями из 10 по 3.

Конспект:

4.Применение графов (схем) при решении комбинаторных задач.

В случае, когда число возможных выборов на каждом шагу зависит от того, какие элементы были выбраны ранее, можно изобразить процесс составления комбинаций в виде «дерева». Сначала из одной точки проводят столько отрезков, сколько различных выборов можно сделать на первом шагу. Из конца каждого отрезка проводят столько отрезков, сколько можно сделать выборов на втором шагу, если на первом шагу был выбран данный элемент и т.д.

Задача:

При составлении команд космического корабля учитывается вопрос и психологической совместимости участников путешествия. Необходимо составить команду космического корабля из 3 человек: командира, инженера и врача. На место командира есть 4 кандидата: a 1 , a 2 , a 3 , a 4 .На место инженера- 3: b 1 , b 2 , b 3 . На место врача- 3: c 1 , c 2 , c 3 . Проведенная проверка показала, что командир a 1 психологически совместим с инженерами b 1 и b 3 и врачами c 1 и c 3 . Командир a 2 - с инженерами b 1 и b 2 . и всеми врачами. Командир a 3 - с инженерами b 1 и b 2 и врачами c 1 и c 3 . Командир a 4 -со всеми инженерами и врачом c 2 . Кроме того, инженер b 1 не совместим с врачом c 3 , b 2 - с врачом c 1 и b 3 - с врачом c 2 . Сколькими способами при этих условиях может быть составлена команда корабля?

Решение:

Составим соответствующее «дерево».

Ответ: 10 комбинаций.

Такое дерево является графом и применяется для решения комбинаторных задач.

Посвященный решению задач выбора и расположения элементов некоторого, обычно конечного, множества в соответствии с заданными правилами. Например, сколькими способами можно выбрать 6 карт из колоды, состоящей из 36 карт, или сколькими способами можно составить очередь, состоящей из10 человек и т.д. Каждое правило в комбинаторике определяет способ построения некоторой конструкции, составленной из элементов исходного множества и называемой комбинацией . Основная цель комбинаторики состоит в подсчете количества комбинаций, которые можно составить из элементов исходного множества в соответствии с заданным правилом. Простейшими примерами комбинаторных конструкций являются перестановки, размещения и сочетания.

Рождение комбинаторики связано с работами Б. Паскаля и П. Ферма по поводу азартных игр, большой вклад внесли Лейбниц, Бернулли, Эйлер. В настоящее время интерес к комбинаторике связан с развитием компьютеров. Нас в комбинаторике будет интересовать возможность определения количественно различных подмножеств конечных множеств для вычисления вероятности классическим способом.

Для определения мощности множества, которое соответствует тому или иному событию, полезно разобраться с двумя правилами комбинаторики: правило произведения и правило суммы (иногда их называют принципами умножения и сложения соответственно).

Правило nроизведения: пусть из некоторого конечного множества

1-й объект можно выбрать k 1 способами,

2-ой объект - k 2 способами,

n -ый объект - k n способами. (1.1)

Тогда произвольный набор, перечисленных n объектов из данного множества можно выбрать k 1 , k 2 , …, k n способами.

Пример 1. Сколько существует трехзначных чисел с разными цифрами?

Решение . В десятичной системе исчисления десять цифр: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9. На первом месте может стоять любая из девяти цифр (кроме нуля). На втором месте - любая из оставшихся 9 цифр, кроме выбранной. На последнем месте любая из оставшихся 8 цифр.

По правилу произведения 9·9·8 = 648 трёхзначных чисел имеют разные цифры.

Пример 2. Из пункта в пункт ведут 3 дороги, а из пункта в пункт - 4 дороги. Сколькими способами можно совершить поездку из в через ?

Решение . В пункте есть 3 способа выбора дороги в пункт , а в пункте есть 4 способа попасть в пункт . Согласно принципу умножения, существует 3×4 = 12 способов попасть из пункта в пункт .

Правило суммы: при выполнении условий (1.1), любой из объектов можно выбрать k 1 +k 2 +…+k n способами.

Пример 3. Сколько существует способов выбора одного карандаша из коробки, содержащей 5 красных, 7 синих, 3 зеленых карандаша.

Решение . Один карандаш, по правилу суммы, можно выбрать 5+7+3 = 15 способами.

Пример 4. Пусть из города в город можно добраться одним авиамаршрутом, двумя железнодорожными маршрутами и тремя автобусными маршрутами. Сколькими способами можно добраться из города в город ?

Решение . Все условия принципа сложения здесь выполнены, поэтому, в соответствии с этим принципом, получим 1+2+3 = 6 способов.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий различие принципов умножения и сложения.

Пример 5. В магазине электроники продаются три марки телевизоров и два вида видеомагнитофонов. У покупателя есть возможности приобрести либо телевизор, либо видеомагнитофон. Сколькими способами он может совершить одну покупку? Сколько различных комплектов, содержащих телевизор и магнитофон, можно приобрести в этом магазине, если покупатель собирается приобрести в паре и телевизор, и видеомагнитофон?

Решение . Один телевизор можно выбрать тремя способами, а магнитофон - другими двумя способами. Тогда телевизор или магнитофон можно купить 3+2=5 способами.

Во втором случае один телевизор можно выбрать тремя способами, после этого видеомагнитофон можно выбрать двумя способами. Следовательно, в силу принципа умножения, купить телевизор и видеомагнитофон можно 3×2 = 6 способами.

Рассмотрим теперь примеры, в которых применяются оба правила комбинаторики: и принцип умножения, и принцип сложения.

Пример 6. В корзине лежат 12 яблок и 10 апельсинов. Ваня выбирает либо яблоко, либо апельсин. После чего Надя выбирает из оставшихся фруктов и яблоко и апельсин. Сколько возможно таких выборов?

Решение . Ваня может выбрать яблоко 12 способами, апельсин - 10 способами. Если Ваня выбирает яблоко, то Надя может выбрать яблоко 11 способами, а апельсин - 10 способами. Если Ваня выбирает апельсин, то Надя может выбрать яблоко 12 способами, а апельсин - 9 способами. Таким образом, Ваня и Надя могут сделать свой выбор способами.

Пример 7. Есть 3 письма, каждое из которых можно послать по 6 адресам. Сколькими способами это можно сделать?

Решение . В данной задаче мы должны рассмотреть три случая:

а) все письма рассылаются по разным адресам;

б) все письма посылаются по одному адресу;

в) только два письма посылаются по одному адресу.

Если все письма рассылаются по разным адресам, то число таких способов легко находится из принципа умножения: n 1 = 6×5×4 = 120 способов. Если все письма посылаются по одному адресу, то таких способов будет n 2 = 6. Таким образом, остается рассмотреть только третий случай, когда только 2 письма посылаются по одному адресу. Выбрать какое-либо письмо мы можем 3 способами, и послать его по какому-либо выбранному адресу можем 6 способами. Оставшиеся два письма мы можем послать по оставшимся адресам 5 способами. Следовательно, послать только два письма по одному адресу мы можем n 3 =3×6×5=90 способами. Таким образом, разослать 3 письма по 6 адресам в соответствие с принципом сложения можно

способами.

Обычно в комбинаторике рассматривается идеализированный эксперимент по выбору наудачу k элементов из n . При этом элементы: а) не возвращаются обратно (схема выбора без возвращений); б) возвращаются обратно (схема выбора с возвращением).

1. Схема выбора без возвращений

Размещением из n элементов по k называют любой упорядоченный набор из k элементов, принадлежащих n - элементному множеству. Различные размещения отличны друг от друга или порядком элементов, или составом.

Число размещений из n элементов по k обозначается и вычисляется по формуле

(1.2)

где n ! = 1×2×3×…×n , 1! = 1, 0! = 1.

Пример 8. В соревнованиях участвует 10 человек, трое из них займут 1, 2, 3 место. Сколько существует различных вариантов?

Решение . В этом случае важен порядок распределения мест. Число различных вариантов равно

Перестановкой из n элементов называют размещение из n элементов по n. Число перестановок из n элементов обозначают P n и вычисляют по формуле

(1.3)

Пример 9. Сколько существует способов расстановки 10 книг на полке?

Решение . Общее число способов расстановки определяется как число перестановок (1.3) из 10 элементов и равно Р 10 = 10! = 3628 800.

2. Схема выбора с возвращениями

Если при выборе k элементов из n , элементы возвращаются обратно и упорядочиваются, то говорят, что это размещения с nовторениями .

Число размещений с повторениями:

Пример 11. В гостинице 10 комнат, каждая из которых может разместить четырех человек. Сколько существует вариантов размещения, прибывших четырех гостей?

Решение . Каждый следующий гость из 4 может быть помещён в любую из 10 комнат, так как рассматривается идеализированный опыт, поэтому общее число размещений, по формуле размещений с повторениями (1.5), равно

.

Если при выборе k элементов из n элементы возвращаются обратно без последующего упорядочивания, то говорят, что это сочетания с nовторениями. Число сочетаний с повторениями из n элементов по k определяется:

Пример 12. В магазине продается 10 видов тортов. Очередной покупатель выбил чек на три торта. Считая, что любой набор товаров равновозможен, определить число возможных заказов.

Решение . Число равновозможных заказов по формуле (1.6) равно

.