计数原理

分类加法与分步乘法计数原理;排列 AnmA_n^m 与组合 CnmC_n^m 公式及性质;二项式定理 (a+b)n=∑Cnkan−kbk(a+b)^n=\sum C_n^k a^{n-k}b^k 与通项。

适用前提与边界条件

  1. 已熟练乘法原理与加法原理
  2. 已掌握排列组合基本概念

定义

分类加法计数原理:完成一件事有 类办法,第 类有 种方法,则完成这件事共有

种不同方法。任选一类中任一方法即可完成。

分步乘法计数原理:完成一件事需分 个步骤,第 步有 种方法,则完成这件事共有

种不同方法。必须每一步都完成才算完成。

排列:从 个不同元素中取 个()按一定顺序排成一列,叫作从 个不同元素中取 个的一个排列。排列数

组合:从 个不同元素中取 个()并成一组,叫作从 个不同元素中取 个的一个组合。组合数

二项式定理:对任意正整数 ,

展开式第 项(通项)为 ()。

推导

排列数公式推导:从 个元素中取第 1 个有 种、第 2 个有 种、…、第 个有 种,由分步乘法原理

组合数公式推导:取 个元素的排列数 = 先取 个的组合数 这 个元素的全排列,即 ,故

组合数性质:

  • 对称性:(从 个取 个等价于取 个不取)
  • 递推性:(杨辉三角递推)
  • 和:

二项式定理推导: 展开式中项 的系数等于从 个括号 中取 个 、其余取 的方法数,即 ,故

杨辉三角:

行号 各项
01
11 1
21 2 1
31 3 3 1
41 4 6 4 1

两腰为 1,内部每数等于两肩之和(即 )。

典例精析

例 1:用 可组成多少个无重复数字的四位偶数?

分两步:个位先定,再定首位。

  • 个位为 0:其余 3 位从 取排列,;
  • 个位为 2 或 4:个位 种,首位不能为 0 且不能与个位重复,有 种(除 和个位数字外还有 个数字可选),中间两位从剩下 个取,,共 。

总数 。

例 2:从 6 男 4 女中选 3 人,至少 1 女,有多少种选法?

法一(直接):。

法二(间接):。

例 3:求 展开式中的常数项。

通项 。

令 ,,。

常数项为 。

例 4:求 展开式中系数最大的项。

设第 项系数 最大。由 在 时最大,,最大系数 ,对应项为 。

对比

概念公式有序无序
排列数 有序
组合数 无序
关系—
二项式通项—

正例与反例

✅ 正例

  • 从 3 男 2 女选 2 人参加活动:C52=10C_5^2=10 种选法(无序)
  • 4 人排成一排:A44=24A_4^4=24 种排法(有序)

❌ 反例

  • 从 3 男 2 女选男女各 1 人按"分类"算成 C52C_5^2 是错的,应分步 C31C21=6C_3^1 C_2^1=6
  • 二项式展开通项写 Tk=Cnkan−kbkT_k=C_n^k a^{n-k}b^k 错位,应为 Tk+1T_{k+1}

高频误解与考试易错

  • 混淆分类(加法)与分步(乘法):分类用"或"、分步用"且"
  • 排列与组合混淆:排列有序、组合无序
  • 二项式定理通项 Tk+1=Cnkan−kbkT_{k+1}=C_n^k a^{n-k}b^k 误写为 TkT_k(项序从 1 开始,k 从 0)
  • 重复计算:有序被当成无序会多算、无序当有序少算
  • 隔板法要求每组至少 1 个;允许某组分到 0 个时,要先给每组各加 1 个转化

常见问题

分类与分步如何区分?
分类用"或"连接,每类独立完成事件,用加法(如选 1 人从 A 班或 B 班);分步用"且"连接,每步不能单独完成事件,用乘法(如先选班长且再选副班长)。
排列数与组合数公式?
排列数 Anm=n!(n−m)!A_n^m=\dfrac{n!}{(n-m)!}(n,m∈N∗n,m\in\mathbb{N}^*,m≤nm\le n);组合数 Cnm=n!m!(n−m)!C_n^m=\dfrac{n!}{m!(n-m)!};关系 Anm=CnmAmmA_n^m=C_n^m A_m^m。
组合数的两个性质?
(1) Cnm=Cnn−mC_n^m=C_n^{n-m}(互补对称);(2) Cnm+Cnm−1=Cn+1mC_n^m+C_n^{m-1}=C_{n+1}^m(递推,即杨辉三角)。
二项式定理通项公式?
(a+b)n=∑k=0nCnkan−kbk(a+b)^n=\sum_{k=0}^{n}C_n^k a^{n-k}b^k,展开式第 k+1k+1 项 Tk+1=Cnkan−kbkT_{k+1}=C_n^k a^{n-k}b^k(k=0,1,…,nk=0,1,\ldots,n)。求指定项先定 kk。
杨辉三角的构造与性质?
两腰为 1,内部每数 = 两肩之和;第 nn 行(从 0 计)为 Cn0,Cn1,…,CnnC_n^0,C_n^1,\ldots,C_n^n;所有数之和 2n2^n。

依据与出处

  • 人教 A 版(2019 审定)选择性必修第三册 第六章《计数原理》