7.2 排 列
7.2.1 排 列(1)
1. 理解排列的意义,并能借助树形图写出所有排列.
2. 了解排列数的意义,掌握排列数公式及推导方法,从而体会“化归”的数学思想.
活动一 背景引入
问题1:高二(1)班准备从甲、乙、丙这3名学生中选出2人分别担任班长和副班长,有多少种不同的选法?
(1) 利用计数原理思考解决方案;
(2) 写出所有可能的结果.
问题2:从1,2,3这3个数字中取出2个数字组成两位数,这样的两位数共有多少个?
思考1
以上两个问题有什么共同点?
活动二 排列的概念
1. 排列的概念:
一般地,从n个不同的元素中取出m(m≤n)个元素,按照一定的顺序排成一列,叫作从n个不同元素中取出m个元素的一个排列.
思考2
(1) 排列的定义包括哪两个方面?
(2) 什么是相同的排列?什么是不同的排列?
例1 (1) 写出从a,b,c,d这4个字母中,取出2个字母的所有排列;
(2) 写出从a,b,c,d这4个字母中,取出3个字母的所有排列.
活动三 排列数的概念
2. 排列数的概念:
一般地,从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有排列的个数,叫作从n个不同元素中取出m个元素的排列数,用符号A表示.
思考3
排列和排列数有何区别?
3. 排列数公式的推导:
思考4
(1) 如何求A?
(2) 如何求A?
排列数公式:
A=n(n-1)(n-2)…(n-m+1)(m,n∈N*,m≤n)
说明:(1) 公式特征:第一个因数是n,后面每一个因数比它前面一个因数少1,最后一个因数是n-m+1,共有m个因数.
(2) 全排列:当m=n时,即n个不同元素全部取出的一个排列.
全排列数:A=n(n-1)(n-2)×…×2×1=n!(称为n的阶乘).
另外,我们规定 0!=1.
练习 计算下表中的阶乘并填入表中:
n 2 3 4 5 6 7 8
n!
例2 计算:
(1) A; (2) A;
(3) A; (4) A.
1. (教材改编)从5名学生中挑选2人,分别担任两个学科的课代表,则不同的安排方案有( )
A. 25种 B. 10种 C. 20种 D. 15种
2. (2024重庆月考)A+A的值为( )
A. 12 B. 18 C. 24 D. 30
3. (多选)(2023新余月考)下列选项中,属于排列问题的是( )
A. 从6名学生中选3名学生参加数学、物理、化学竞赛,共有多少种选法
B. 有12名学生参加植树活动,要求3人一组,共有多少种分组方案
C. 从3,5,7,9中任选两个数做指数运算,可以得到多少个幂
D. 从1,2,3,4中任取两个数作为点的坐标,可以得到多少个不同的点
4. (教材改编)用含A(n>m,n∈N*,m∈N*)的式子表示:9×8×7=________.
5. 一个火车站有8股岔道,停放4列不同的火车,有多少种不同的停放方法?(假定每股岔道只能停放1列火车)
7.2.2 排 列(2)
1. 巩固排列及排列数的概念,掌握并能应用排列数的两个公式.
2. 初步运用所学的排列知识解决简单的实际问题.
活动一 排列数公式的两种形式及应用
例1 计算:
(1) A;
(2) A;
(3) A÷A.
思考1
由(2)(3)我们看到,A=A÷A.那么,这个结果有没有一般性呢?
思考2
如何证明这个结论?
例2 (1) 求证:A=nA(n≥m≥2);
(2) 求证:A+mA=A;
(3) 解方程:A=12A.
注意:(1) 解含排列数的方程和不等式时要注意排列数A中,m,n∈N*且m≤n这些限制条件,要注意含排列数的方程和不等式中未知数的取值范围;
(2) 公式A=n(n-1)(n-2)…(n-m+1)常用来求值,特别是m,n为已知时,常用公式A=来证明或化简.
活动二 排列的简单应用
例3 某足球联赛共有12支球队参加,每队都要与其余各队在主、客场分别比赛 1次,共要进行多少场比赛?
例4 (1) 有5本不同的书,从中选 3本送给3名同学,每人各1本,共有多少种不同的送法?
(2) 有5种不同的书,每种都超过3本,要选3本送给3名同学,每人1本,共有多少种不同的送法?
思考3
例4中两个问题的本质区别在哪里?
1. (教材改编)若1≤n≤10且n∈N*,则(11-n)(12-n)…(20-n)等于( )
A. A B. A C. A D. A
2. 参加完某项活动的6名成员合影留念,前排和后排各3人,不同排法的种数为( )
A. 360 B. 720 C. 2 160 D. 4 320
3. (多选)(教材改编)下列等式成立的是( )
A. A= B. (n+1)A=A
C. A-A=n2A D. nA=n!
4. 有3名男生,4名女生,选其中5人排成一行,共有______种不同的排法.
5. 有4种不同品种的蔬菜,从中选出3种,分别种植在不同土质的3块土地上进行试验,有多少种不同的种植方法?
7.2.3 排 列(3)
1. 会用排列数公式计算和解决简单的实际问题.
2. 能运用分类和分步计数原理解决有限制条件的排列问题.
3. 会用“捆绑法”和“插入法”解决相邻和不相邻问题的应用题.
4. 进一步培养分析问题、解决问题的能力,学会一题多解.
活动一 排数问题
例1 用0到9这10个数字,可以组成多少个没有重复数字的三位数?
1. 解决排列问题的关键是审题,确定分类与分步的标准,遵循两个原则:
(1) 按事情发生的过程进行分步;
(2) 按元素的性质进行分类.
2. 解题策略:
(1) 特殊元素优先安排的策略;
(2) 合理分类与准确分步的策略;
(3) 正难则反、等价转化的策略.
例2 用1,2,3,4,5这五个数字可组成多少个比20 000大,且百位数字不是3的无重复数字的五位数?
活动二 座位问题
例3 3个女生和5个男生排成一排.
(1) 如果两端都不排女生,有多少种不同的排法?
(2) 如果两端不能都排女生,有多少种不同的排法?
(3) 如果女生必须全排在一起,有多少种不同的排法?
(4) 如果男生相邻,女生也相邻,有多少种不同的排法?
(5) 如果女生必须全分开,有多少种不同的排法?
(6) 如果女生4人,男生5人,男女生相间有多少种排法?
(7) 如果女生4人,男生4人,男女生相间有多少种排法?
例4 将4位司机、4位售票员分配到 4辆不同班次的公共汽车上,每一辆汽车分别有1位司机和1位售票员,共有多少种不同的分配方案?
1. (2023池州期中)某一天的课程要排语文、数学、英语、物理、思想政治、体育、生物学共七门课各一节,若物理不排第一节,则排法总数为( )
A. A B. 6A C. A D. 5A
2. (2023德州一中期末)某夜市的一排摊位上共有9个铺位,现有6家小吃类店铺,3家饮料类店铺打算入驻,若要排出一个摊位规划,要求饮料类店铺不能相邻,则可以排出的摊位规划总个数为( )
A. AA B. AA C. AA D. AA
3. (多选)(2024中山月考)甲、乙、丙、丁、戊五名同学站一排,则下列结论中正确的是( )
A. 不同的站队方式共有120种
B. 若甲和乙相邻,则不同的站队方式共有36种
C. 若甲、乙、丙站一起,则不同的站队方式共有36种
D. 甲不在两端,则不同的站队方式共有72种
4. (2024南阳期末)某冬令营计划利用寒假开设甲、乙等六门体验课程,每天一门,连续开设六天,若课程甲、乙排在不相邻的两天,则不同的排法种数为________.
5. 已知圆的方程为(x-a)2+(y-b)2=r2(r>0),从0,3,4,5,6,7,8,9,10这9个数中选出 3个不同的数,分别作为圆心的横坐标、纵坐标和圆的半径.问:
(1) 经过原点的圆有多少个?
(2) 圆心在直线x+y-10=0上的圆有多少个?
7.2.1 排 列(1)
【活动方案】
问题1:(1) 第一步:从甲、乙、丙3名学生中选出1人担任班长;
第二步:从余下的2人中选出1人担任副班长,
根据分步计数原理可知,共有6种不同的选法.
(2) 所有可能的情况用树形图表示如下:
即共有6种不同的选法:甲乙、甲丙、乙甲、乙丙、丙甲、丙乙.
问题2:有12,13,23,21,31,32,共6个.
思考1:从3个元素中选择2个元素,按照一定的顺序排成一列.
思考2:(1) ①定义中给出的n个元素是互不相同的,且选取的m个元素也是互不相同的;②定义中指的是一个排列,而不是所有的排列.
(2) 元素和顺序都相同的排列是相同排列;元素和顺序至少有一个不同的排列是不同的排列.
例1 (1) ab,ac,ad,ba,bc,bd,ca,cb,cd,da,db,dc,共12个不同的排列.
(2) abc,abd,acb,acd,adb,adc,bac,bad,bca,bcd,bda,bdc,cab,cad,cba,cbd,cda,cdb,dab,dac,dba,dbc,dca,dcb,共24个不同的排列.
思考3:一个排列是指从n个不同的元素中每次取出m(m≤n)个元素,按照一定的顺序排成一列;排列数是指所有排列的个数,它是一个数.
3. 略
思考4:(1) 一般地,为了求出从n个不同元素中任意取出m个元素的排列数,可以把这m个元素所排列的位置划分为第1位、第2位……第m位.
第一步,第1位从n个元素中任取1个来填,有n种不同的方法;
第二步,第2位只能从余下的n-1个元素中任取1个来填,有n-1种不同的方法;
第三步,第3位只能从余下的n-2个元素中任取1个来填,有n-2种不同的方法,根据分步计数原理,A=n(n-1)(n-2).
(2) 同(1)可得A=n(n-1)(n-2)…(n-m+1).
练习:2 6 24 120 720 5 040 40 320
例2 (1) A=5×4×3=60.
(2) A=5×4×3×2×1=120.
(3) A=10×9×8×7=5 040.
(4) A=35×34×33×32=1 256 640.
【检测反馈】
1. C 从5名学生中挑选2人,分别担任两个学科的课代表,共有A=20(种)安排方案.
2. B A+A=3×2+4×3=18.
3. ACD 对于A,从6名学生中选3名学生参加数学、物理、化学竞赛,共有多少种选法属于排列问题,故A正确;对于B,有12名学生参加植树活动,要求3人一组,可分为四组,3人一组无先后顺序,不属于排列问题,故B错误;对于C,从3,5,7,9中任取两个数进行指数运算,可以得到多少个幂属于排列问题,故C正确;对于D,从1,2,3,4中任取两个数作为点的坐标,可以得到多少个点属于排列问题,故D正确.故选ACD.
4. A
5. 由题意,得从8股岔道选4股岔道停放4列火车,即从8个不同元素中取4个元素的一个排列,故不同的停放方法种数为A=8×7×6×5=1 680.
7.2.2 排 列(2)
【活动方案】
例1 (1) A=10×9×8=720.
(2) A=18×17=306.
(3) A÷A=18×17=306.
思考1:A==
思考2:因为A=n(n-1)(n-2)…(n-m+1),
=
=n(n-1)(n-2)…(n-m+1),
所以A==.
例2 (1) A==n·=n·=nA.
(2) A+mA=+m·
==
==A.
(3) 该方程可化为=12·,化简,得(11-m)(10-m)=12,解得m=7或m=14(舍去),故原方程的解为m=7.
例3 因为1场比赛对应于从12个不同元素中任取2个元素的1个排列,所以总共进行的比赛场次是A=12×11=132(场).故共要进行132场比赛.
例4 (1) 从5本不同的书中选3本送给3名同学,则不同的送法种数为A=5×4×3=60.
(2) 由题意,得送给每人的书都有5种可能,故不同的送法种数为53=125.
思考3:(1)中是从5本书中选3本的排列,(2)不是排列.
【检测反馈】
1. A 因为(11-n)(12-n)…(20-n)=(20-n)(19-n)…(12-n)(11-n),且(20-n)-(11-n)+1=10,所以由排列数公式可得(11-n)(12-n)…(20-n)=A.
2. B 分两步完成:第一步:从6人中选3人排前排有A=120(种)不同排法;第二步:剩下的3人排后排有A=6(种)不同排法,再按照分步计数原理,则有120×6=720(种)不同排法.
3. BCD 对于A,A=,故A错误;对于B,(n+1)A=(n+1)=,A==,故B正确;对于C,A-A=(n+1)!-n!=n!(n+1-1)=n·n!,n2A=n2(n-1)!=n·n!,故C正确;对于D,nA=n(n-1)!=n!,故D正确.故选BCD.
4. 2 520 从7名学生中选5人进行排列,故有A=7×6×5×4×3=2 520(种).
5. 相当于从4种蔬菜中选3种进行排列,故不同的种植方法种数为A=4×3×2=24.
7.2.3 排 列(3)
【活动方案】
例1 方法一:由于百位上的数字不能是0,所以为了得到这个三位数,可以分两步完成:
第一步:排百位上的数字,可从1~9这9个数字中任选1个,有A种选法;
第二步:排十位和个位上的数字,可以从余下的9个数字中任选2个,有A种选法.
根据分步计数原理,所求的三位数的个数是AA=9×9×8=648.
方法二:考虑到0是一个特殊元素,所以符合条件的三位数可以分成3类:
第一类:每一位数字都不是0的三位数有A个;
第二类:个位数字是0的三位数有A个;
第三类:十位数字是0的三位数有A个.
根据分类计数原理,符合条件的三位数的个数是A+A+A=9×8×7+9×8+9×8=648.
方法三:从0到9这10个数字中任取3个数字的排列数为A,其中0在首位的排列数为A,这些排列不能构成三位数,所以组成的三位数的个数为A-A=10×9×8-9×8=648.
例2 由题意,得万位上的数字是2,3,4,5中一个,
当万位上的数字是3时,有A=24(种)情况;
当万位上的数字是2,4,5时,因为百位上的数字不是3,所以有3(A-A)=54(种)情况.
综上,所求无重复数字的五位数有24+54=78(个).
例3 (1) AA=5×4×6!=14 400(种).
(2) A-AA=8!-3×2×6!=36 000(种).
(3) AA=3!×6!=4 320(种).
(4) AAA=1 440(种).
(5) AA=5!×6×5×4=14 400(种).
(6) AA=4!×5!=2 880(种).
(7) 2AA=2×4!×4!=1 152(种).
例4 AA=4!×4!=576(种),
故共有576种分配方案.
【检测反馈】
1. B 若物理不排第一节,则第一节可以排语文、数学、英语、思想政治、体育、生物学六门课中的一门,剩余六门课随便排,所以不同的排法种数为6A.
2. D 先将6个小吃类店铺进行全排列,有A种排法,再从这6个小吃类店铺形成的7个空中选3个进行排列,有A种排法,故排出的摊位规划总个数为AA.
3. ACD 对于A,甲、乙、丙、丁、戊五名同学站一排,不同的站队方式共有A=120(种),故A正确;对于B,甲和乙相邻的站队方式有AA=48(种),故B错误;对于C,甲、乙、丙站一起的不同的站队方式有AA=36(种),故C正确;对于D,甲不在两端的不同的站队方式有AA=72(种),故D正确.故选ACD.
4. 480 先排甲、乙以外的四门体验课程,此时有A=24(种),再用插空法排甲、乙两门体验课程,此时有A=20(种),则不同的排法共有AA=480(种).
5. (1) 若圆(x-a)2+(y-b)2=r2经过原点,则a,b,r满足a2+b2=r2,
根据题意满足该条件的a,b,r共有3,4,5与6,8,10两组.考虑a,b的顺序,有A种情况,
所以符合题意的圆有2A=4(个).
(2) 若圆心在直线x+y-10=0上,
则满足a+b=10,
根据题意满足条件的a,b有三组:0,10;3,7;4,6.
当a,b取10,0时,r有7种情况,
当a,b取3,7;4,6时,r不可取0,分别有6种情况,
考虑a,b的顺序,有A种情况,
所以满足题意的圆共有7A+2×6A=38(个).