组合数学全家桶

鸽巢原理

鸽巢原理,其实就是小学奥数里的抽屉原理。

  • n + 1 n+1 n+1 个元素划分至 n n n 个集合中,至少存在某个集合,其包含元素个数值大于等于 2 2 2
  • m n + 1 mn+1 mn+1 个元素划分至 n n n 个集合中,至少存在某个集合,其包含元素个数值大于等于 m + 1 m+1 m+1
  • n n n 个元素划分至 k k k 个集合中,至少存在某个集合,其包含元素个数值大于等于 ⌊ n k ⌋ \lfloor \dfrac{n}{k}\rfloor kn
  • q 1 + q 2 + ⋯ + q n − n + 1 q_1+q_2+\cdots+q_n-n+1 q1+q2++qnn+1 个元素划分至 n n n 个集合中,至少存在某个集合 A i A_i Ai,其包含元素个数值大于等于 q i q_i qi

排列组合

  • 前置知识:加法原理、乘法原理

    区别:加法原理是“分步完成”,乘法原理是“分类完成”。

区别:排列与元素的顺序有关,组合与顺序无关。

排列

线排列
  • 定义

    一般地,从 n n n 个不同的元素中,取出 m ( m ≤ n ) m(m\leq n) m(mn)个元素按照一定的顺序排成一列,叫做从 n n n 个不同的元素中取出 m m m 个元素的一个线排列。

    n n n 个不同的元素中取出 m ( m ≤ n ) m(m\leq n) m(mn)个元素的所有线排列的个数,叫做从 n n n 个不同元素中取出 m m m 个元素的排列数,用符号 P ( n , m ) P(n,m) P(n,m) P n m P_n^m Pnm 表示。

  • 排列数公式

    P n m = n ( n − 1 ) ( n − 2 ) ⋯ ( n − m + 1 ) = n ! ( n − m ) ! P_n^m=n(n-1)(n-2)\cdots(n-m+1)=\dfrac{n!}{(n-m)!} Pnm=n(n1)(n2)(nm+1)=(nm)!n!

相异元素可重复排列

n n n 个不同元素中可以重复地选取出 m m m 个元素的排列,叫做相异元素可重复排列。

排列方案数: n m n^m nm

圆排列

n n n 个不同元素中选取出 m m m 个元素,不分首尾地排成一个圆圈的排列叫做圆排列。

排列方案数: P n m = n ! m ( n − m ) ! P^m_n=\dfrac{n!}{m(n-m)!} Pnm=m(nm)!n!;如果 m = n m=n m=n P n m ( n − 1 ) ! P_n^m(n-1)! Pnm(n1)!

组合

n n n 个数选 m m m 个,表示为 C ( n , m ) C(n,m) C(n,m) C n m C_n^m Cnm ( n m ) \binom{n}{m} (mn)
C n m = A n m m ! = n ! m ! ( n − m ) ! C_n^m=\dfrac{A_n^m}{m!}=\frac{n!}{m!(n-m)!} Cnm=m!Anm=m!(nm)!n!

二项式相关

二项式定理

( a + b ) n = ∑ k = 0 n C n k a n − 1 b k (a+b)^n=\sum\limits_{k=0}^nC^k_na^{n-1}b^k (a+b)n=k=0nCnkan1bk

卡特兰数

卡特兰数,又称卡塔兰数(Catalan Number),是组合数学中一个常用的数列。其前几项为: 1 , 2 , 5 , 14 , 42 , 132 , 429 , 1430 , 4862 , ⋯ 1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,\cdots 1,2,5,14,42,132,429,1430,4862,

关于这个数列,显然我们是找不出什么规律的,所以直接公示如下:

  • 递归公式 1 1 1
    f ( n ) = ∑ i = 0 n − 1 f ( i ) × f ( n − i − 1 ) f(n)=\sum_{i=0}^{n-1}f(i)\times f(n-i-1) f(n)=i=0n1f(i)×f(ni1)

  • 递归公式 2 2 2
    f ( n ) = f ( n − 1 ) × ( 4 × n − 2 ) n + 1 f(n)=\dfrac{f(n-1)\times(4\times n-2)}{n+1} f(n)=n+1f(n1)×(4×n2)

  • 组合公式 1 1 1
    f ( n ) = C 2 n n n + 1 f(n)=\dfrac{C_{2n}^n}{n+1} f(n)=n+1C2nn

  • 组合公式 2 2 2
    f ( n ) = C 2 n n − C 2 n n − 1 f(n)=C_{2n}^n-C_{2n}^{n-1} f(n)=C2nnC2nn1

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