教材 · 数学 Course 1 · 概率与统计 · 场合数与概率

计数原理

数え上げの原則

5 場合の数と確率 / 数え上げの原則 (集合の要素の個数,和の法則,積の法則を含む)
一句话结论

分类、只做其中一类,用加法;分步、每一步都要做,用乘法。加法要求各类互不重叠,有重叠就减去重叠部分;乘法要求每一步的做法个数固定。数「是 A」麻烦时,改数「不是 A」,再用全体去减。

食堂午饭有 3 种主食、4 种饮料。只买一样,有 3+4=73+4=7 种买法;主食和饮料各买一样,有 3×4=123\times4=12 种。同样是 3 和 4,一次相加、一次相乘,差别在于两件事是「只做其中一件」还是「两件都要做」。后面的排列、组合和概率,说到底都是在数情况数(場合の数),用的就是这两条规则;真正要花心思的,是数的时候不漏也不重。

为什么是这样

数情况要做到两点:不漏、不重(もれなく、重複なく)。最稳的办法是定一个顺序去列。一种是按字典顺序列(辞書式配列法),先按第一个字母从小到大,第一个相同再比第二个;另一种是画树形图(樹形図),第一步的每种做法画一根大枝,每根大枝上再分出第二步的做法,最末一层的每根枝梢就是一种情况。

和的法则(和の法則):一件事分成几类做法,各类不会同时发生,总数就是各类相加。用集合的话说,A∩B=∅A\cap B=\varnothing 时 n(A∪B)=n(A)+n(B)n(A\cup B)=n(A)+n(B)。两类有重叠时,重叠部分被数了两次,要减去一次(详见「集合与元素个数」)。

积的法则(積の法則):一件事分两步完成,第一步有 mm 种做法,而且不论第一步怎么做,第二步都有 nn 种,总数就是 mnmn。看树形图最清楚:mm 根大枝,每根上都长 nn 根小枝,枝梢共 m×nm\times n 根。要紧的是每根大枝上小枝的个数相同,小枝具体是哪几种可以不同。用 1∼91\sim9 组成十位、个位不同的两位数,十位选了哪个,个位都还剩 8 个可选,所以有 9×8=729\times8=72 个。

积的法则用树形图数枝梢,和的法则把互不重叠的类相加积的法则:两步都要做主食饮料饭饭+茶饭+水饭+奶饭+汁面面+茶面+水面+奶面+汁饺饺+茶饺+水饺+奶饺+汁3 根大枝,每根都长 4 根小枝:3 × 4 = 12 种和的法则:只做其中一类只买主食饭面饺只买饮料茶水奶汁两类不会同时发生:3 + 4 = 7 种ABA∩B有重叠时,重叠部分数了两次n(A∪B) = n(A) + n(B) − n(A∩B)

定量表达

约数的个数是积的法则最典型的用法。把正整数分解成 N=paqbrcN=p^aq^br^c,它的每个正约数都写成 pxqyrzp^xq^yr^z,xx 可取 0,1,…,a0,1,\dots,a 共 a+1a+1 种,yy、zz 同理,三步都要选,所以正约数有 (a+1)(b+1)(c+1)(a+1)(b+1)(c+1) 个。指数取 00 表示不含这个素因数,不能丢:约数 11 就是三个指数都取 00。

把 (1+p+⋯+pa)(1+q+⋯+qb)(1+r+⋯+rc)(1+p+\cdots+p^a)(1+q+\cdots+q^b)(1+r+\cdots+r^c) 展开,每一项是从每个括号里各取一个幂相乘,正好是一个约数,而且每个约数只出现一次,所以这个积就是正约数的总和。同一个道理,(a+b)(x+y+z)(a+b)(x+y+z) 展开后有 2×3=62\times3=6 项。

数「是 A」比数「不是 A」麻烦时,用补集:n(A)=n(U)−n(A‾)n(A)=n(U)-n(\overline{A})。题目说「至少一个」,它的反面是「一个也没有」。

N=paqbrc ⟹ 正约数个数=(a+1)(b+1)(c+1),正约数之和=(1+p+⋯+pa)(1+q+⋯+qb)(1+r+⋯+rc)N=p^aq^br^c\ \Longrightarrow\ \text{正约数个数}=(a+1)(b+1)(c+1),\quad\text{正约数之和}=(1+p+\cdots+p^a)(1+q+\cdots+q^b)(1+r+\cdots+r^c)
NN
要研究的正整数
p, q, rp,\ q,\ r
NN 的互不相同的素因数
a, b, ca,\ b,\ c
各素因数的指数(正整数)
适用条件
  • 先把 NN 分解成素因数的积;素因数个数不是 3 时,括号个数随之增减
  • 每个括号里从指数 00 写起:p0=1p^0=1 对应「不含因数 pp」,约数 11 和 NN 本身都算在内

怎么用

先判断是分类还是分步:几种做法只做一种是分类,用加法;几个步骤都要做是分步,用乘法。分类时按限制最多的那个量来分,类数最少。用 100 元、50 元、10 元硬币凑出 400 元(某种可以不用),按 100 元硬币用 0∼40\sim4 枚分五类,每类里 50 元硬币的枚数一定、剩下由 10 元补足,共 9+7+5+3+1=259+7+5+3+1=25 种。

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