第二课时 组合的综合应用
内 容 标 准 学 科 素 养
1.能应用组合知识解决有关组合的简单实际问题. 2.能解决有限制条件的组合问题. 利用数据分析
建立数学建模
提升数学运算
授课提示:对应学生用书第14页
[基础认识]
知识点 组合的特点
知识梳理 1.组合的特点是只取不排
组合要求n个元素是不同的,被取出的m个元素也是不同的,即从n个不同的元素中进行m次不放回地取出.
2.组合的特性
元素的无序性,即取出的m个元素不讲究顺序,没有位置的要求.
3.相同的组合
根据组合的定义,只要两个组合中的元素完全相同(不管顺序如何),就是相同的组合.
[自我检测]
1.某乒乓球队有9名队员,其中2名是种子选手,现在挑选5名选手参加比赛,种子选手必须在内,那么不同选法共有( )
A.26种 B.84种
C.35种 D.21种
答案:C
2.将4个颜色互不相同的球全部放入编号为1和2的两个盒子里,使得放入每个盒子里球的个数不小于该盒子的编号,则不同的放球方法有________种.
答案:10
授课提示:对应学生用书第14页
探究一 有限制条件的组合问题
[阅读教材P24例8]在100件产品中,有98件合格品,2件次品,从这100件产品中任意抽出3件,
(1)有多少种不同的抽法?
(2)抽出的3件中恰好有1件是次品的抽法有多少种?
(3)抽出的3件中至少有1件是次品的抽法有多少种?
题型:有限制条件的组合问题
方法步骤:对于(1)是无限制条件的组合问题,由组合数公式即可.
对于(2)是“恰好”有几个的组合问题,分两步完成这件事.
对于(3)是“至少”“至多”型的组合问题,分类完成这件事或者用间接法.
[例1] 课外活动小组共13人,其中男生8人,女生5人,并且男、女生各有一名队长,现从中选5人主持某项活动,依下列条件各有多少种选法?
(1)至少有一名队长当选;
(2)至多有两名女生当选;
(3)既要有队长,又要有女生当选.
[解析] (1)C-C=825(种).
(2)至多有2名女生当选含有三类:
有2名女生;只有1名女生;没有女生,
所以共有CC+CC+C=966(种)选法.
(3)分两类:
第一类女队长当选,有C=495(种)选法,
第二类女队长没当选,有CC+CC+CC+C=295(种)选法,
所以共有495+295=790(种)选法.
方法技巧 有限制条件的组合问题分类及解题策略
有限制条件的抽(选)取问题,主要有两类:
一是“含”与“不含”问题,其解法常用直接分步法,即“含”的先取出,“不含”的可把所指元素去掉再取,分步计数;
二是“至多”“至少”问题,其解法常有两种解决思路:一是直接分类法,但要注意分类要不重不漏;二是间接法,注意找准对立面,确保不重不漏.
跟踪探究 1.某医院从10名医疗专家中抽调6名组成医疗小组到社区义诊,其中这10名医疗专家中有4名是外科专家.问:
(1)抽调的6名专家中恰有2名是外科专家的抽调方法有多少种?
(2)至少有2名外科专家的抽调方法有多少种?
(3)至多有2名外科专家的抽调方法有多少种?
解析:(1)分步:首先从4名外科专家中任选2名,有C种选法,再从除外科专家外的6人中选取4人,有C种选法,所以共有C·C=90种抽调方法.
(2)(直接法)按选取的外科专家的人数分类:
①选2名外科专家,共有CC种选法;
②选3名外科专家,共有CC种选法;
③选4名外科专家,共有CC种选法,
所以至少有2名外科专家的抽调方法共有CC+CC+CC=185种.
(3)至多有2名外科专家的抽调方法有C+CC+CC=115种.
探究二 几何中的组合问题
[阅读教材P24例7](1)平面内有10个点,以其中每2个点为端点的线段共有多少条?
(2)平面内有10个点,以其中第2个点为端点的有向线段共有多少条?
题型:与几何图形有关的组合问题
方法步骤:(1)一条线段就是两个点的一个组合.由组合数公式得共有C条线段.
(2)一条有向线段就是两个点的一个排列.由排列数公式得共有A条有向线段.
[例2] 平面内有12个点,其中有4个点共线,此外再无任何3点共线.以这些点为顶点,可构成多少个不同的三角形?
[解析] 法一:以从共线的4个点中取点的多少作为分类的标准.
第一类:共线的4个点中有2个点为三角形的顶点,共有CC=48个不同的三角形;
第二类:共线的4个点中有1个点为三角形的顶点,共有CC=112个不同的三角形;
第三类:共线的4个点中没有点为三角形的顶点,共有C=56个不同的三角形.
由分类加法计数原理知,不同的三角形共有48+112+56=216个.
法二:(间接法):从12个点中任意取3个点,有C=220种取法,而在共线的4个点中任意取3个均不能构成三角形,即不能构成三角形的情况有C=4种.
故这12个点构成三角形的个数为C-C=216个.
方法技巧 解答几何组合问题的策略
(1)几何组合问题,主要考查组合的知识和空间想象能力,题目多以立体几何中的点、线、面的位置关系为背景的排列组合.这类问题情境新颖,多个知识点交汇在一起综合性强.
(2)解答几何组合问题的思考方法与一般的组合问题基本一样,只要把图形的限制条件视为组合问题的限制条件即可.
(3)计算时可用直接法,也可用间接法,要注意在限制条件较多的情况下,需要分类计算符合题意的组合数.
跟踪探究 2.(1)四面体的一个顶点为A,从其他顶点和各棱的中点中取3个点,使它们和点A在同一平面上,有多少种不同的取法?
(2)四面体的顶点和各棱的中点共有10个点,在其中取4个不共面的点,有多少种不同的取法?
解析:(1)如图所示,在含顶点A的四面体的3个面上,除点A外都有5个点,从中任意取出3个点必与点A共面,共有3C种取法;
在含顶点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个点的取法有3C+3=33(种).
(2)如图所示,从10个点中取4个点的取法有C种,减去4点共面的取法种数就可以得到结果.
从四面体同一个面上的6个点中取出4点必定共面,有4C=60(种);
四面体的每一条棱上的3个点与相对的棱的中点共面,共有6种共面情况;
从6条棱的6个中点中取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点不共面的取法有C-(60+6+3)=141(种).
探究三 分组、分配问题
[例3] 6本不同的书,分为3组,在下列条件下各有多少种不同的分配方法?
(1)每组2本(平均分组);
(2)一组1本,一组2本,一组3本(不平均分组);
(3)一组4本,另外两组各1本(局部平均分组).
[解析] (1)每组2本,均分为3组的方法数为==15.
(2)一组1本,一组2本,一组3本的分组种数为CCC=20×3=60.
(3)一组4本,另外两组各1本的分组种数为==15.
方法技巧 “分组”与“分配”问题的解法
(1)分组问题属于“组合”问题,常见的分组问题有三种:
①完全均匀分组,每组的元素个数均相等;
②部分均匀分组,应注意不要重复,有n组均匀,最后必须除以n!;
③完全非均匀分组,这种分组不考虑重复现象.
(2)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.
跟踪探究 3.6本不同的书,分给甲、乙、丙3人,在下列条件下各有多少种不同的分配方法?
(1)甲2本,乙2本,丙2本;
(2)甲1本,乙2本,丙3本;
(3)甲4本,乙、丙每人1本;
(4)每人2本;
(5)一人1本,一人2本,一人3本;
(6)一人4本,其余两人每人1本.
解析:(1)(2)(3)中,由于每人分的本数固定,属于定向分配问题,由分步乘法计数原理得:
(1)共有CCC=90(种)不同的分配方法;
(2)共有CCC=60(种)不同的分配方法;
(3)共有CCC=30(种)不同的分配方法.
(4)(5)(6)属于不定向分配问题,是该类题中比较困难的问题.分配给3人,同一本书给不同的人是不同的分法,属于排列问题.实际上可看作两个步骤:先分为3组,再把这3组分给甲、乙、丙3人的全排列数A即可.因此,(4)共有CCC÷A×A=90(种)不同的分配方法;
(5)共有CCC×A=360(种)不同的分配方法;
(6)共有CCC÷A×A=90(种)不同的分配方法.
探究四 排列、组合的综合应用
[阅读教材P28习题1.2 B组3题]从1,3,5,7,9中任取3个数字,从2,4,6,8中任取2个数字,一共可以组成多少个没有重复数字的五位数?
解析:分三步:
第一步:从1,3,5,7,9中任取3个数字,有C种取法.
第二步:从2,4,6,8中任取2个数字有C种取法.
第三步:将取出的5个数字全排列有A种排法.
共有CCA=7 200个没有重复数字的五位数.
[例4] 有4张分别标有数字1,2,3,4的红色卡片和4张分别标有数字1,2,3,4的蓝色卡片,从这8张卡片中取出4张卡片排成一行.如果取出的4张卡片所标的数字之和等于10,则不同的排法共有多少种?
[解析] 分三类:
第一类,当取出的4张卡片分别标有数字1,2,3,4时,不同的排法有C·C·C·C·A种.
第二类,当取出的4张卡片分别标有数字1,1,4,4时,不同的排法有C·C·A种.
第三类,当取出的4张卡片分别标有数字2,2,3,3时,不同的排法有C·C·A种.
故满足题意的所有不同的排法种数为C·C·C·C·A+2C·C·A=432.
方法技巧 解答排列、组合综合问题的思路及注意点
(1)解排列、组合综合问题的一般思路是“先选后排”,也就是先把符合题意的元素都选出来,再对元素或位置进行排列.
(2)解排列、组合综合问题时要注意以下几点:
①元素是否有序是区分排列与组合的基本方法,无序的问题是组合问题,有序的问题是排列问题.
②对于有多个限制条件的复杂问题,应认真分析每个限制条件,然后再考虑是分类还是分步,这是处理排列、组合综合问题的一般方法.
跟踪探究 4.某科室派出4名调研员到3个学校,调研该校高三复习备考近况,要求每个学校至少一名,则不同的分配方案种数为________.
解析:先分组再分配
第一步分组:有,
第二步分配:有A种,共有·A=36(种),
∴不同的分配方案种数为36.
答案:36
授课提示:对应学生用书第16页
[课后小结]
(1)无限制条件的组合应用题.其解题步骤为:
①判断;②转化;③求值;④作答.
(2)有限制条件的组合应用题:
①“含”与“不含”问题:
这类问题的解题思路是将限制条件视为特殊元素和特殊位置,一般来讲,特殊要先满足,其余则“一视同仁”.若正面入手不易,则从反面入手,寻找问题的突破口,即采用排除法.解题时要注意分清“有且仅有”“至多”“至少”“全 是”“都不是”“不都是”等词语的确切含义,准确把握分类标准.
②几何中的计算问题:在处理几何问题中的组合应用问题时,应先明确几何中的点、线、面及构型,明确平面图形和立体图形中的点、线、面之间的关系,将几何问题抽象成组合问题来解决.
③分组、分配问题:分组问题和分配问题是有区别的,前者组与组之间只要元素个数相同,是不可区分的,而后者即使两组元素个数相同,但因元素不同,仍然是可区分的.
[素养培优]
1.重复计数出错
某交通岗共有3人,从周一到周日的七天中,每天安排一人值班,每人至少值2天,其不同的排法共有多少种?
易错分析:第一个人先挑选2天,第二个人再挑选2天,剩下的3天给第三个人,这三个人要进行全排列,共有CCA=1 260(种).
这里是均匀分组问题.比如:第一人挑选的是周一、周二,第二人挑选的是周三、周四;也可能是第一个人挑选的是周三、周四,第二人挑选的是周一、周二,所以在全排列的过程中就重复计算了.考查数学建模及数学运算的学科素养.
自我纠正:共有·A=630种.
2.因漏解而致错
有编号分别为1,2,3,4的4个盒子和4个小球,把小球全部放入盒子,恰有一个空盒,有多少种放法?
易错分析:遗漏计数问题.从4个小球中取出3个(不妨设为1号、2号、3号)放入3个盒中,则把4号小球放入3个盒中的一个时,只有1号和4号;2号和4号;3号和4号三种情况,漏掉了1号和2号;1号和3号;2号和3号的情况.考查数学建模及数学运算的学科素养.
自我纠正:先分组再分配(“1,1,2”),
共有·A=144(种),
∴共有144种放法.