Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Na początek przedstawimy kilka nietrudnych zastosowań twierdzenia o liczbie kombinacjiliczba wszystkich k–elementowych kombinacji zbioru n–elementowegotwierdzenia o liczbie kombinacji, które dotyczą zliczania typowych figur płaskich: punktów leżących na prostej, punktów leżących na okręgu, wielokątów i ich przekątnych.

Przykład 1

a) Na płaszczyźnie poprowadzono 15 prostych tak, że żadne dwie z nich nie są równoległe oraz żadne trzy z nich nie przecinają się w jednym punkcie. Obliczymy, ile jest wszystkich punktów przecięcia się tych prostych.

Rozwiązanie

Z warunków zadania wynika, że każde dwie z rozpatrywanych prostych przecinają się i punkt ich przecięcia jest różny od każdego innego punktu, w którym przecinają się pewne dwie inne proste spośród tych 15. Zatem wszystkich punktów przecięcia tych prostych jest tyle, ile jest dwuelementowych kombinacjik–elementowa kombinacja zbioru n–elementowegokombinacji zbioru 15–elementowego, czyli 152=15·142=105

b) Na okręgu zaznaczono 20 różnych punktów. Obliczymy, ile jest różnych łuków o końcach w tych punktach.

Rozwiązanie

I sposób:

Ponieważ każda para wybrana spośród tych 20 punktów dzieli okrąg na dwa różne łuki, więc wszystkich różnych łuków jest 2·202=2·20·192=380.

II sposób:

Wybieramy jeden z zaznaczonych punktów i oznaczamy go przez A1. Następnie poruszamy się po okręgu zgodnie z ruchem wskazówek zegara i każdy kolejny napotkany punkt indeksujemy, od A2 do A20. Zauważmy teraz, że poruszając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara każdy z 20 wierzchołków możemy połączyć z każdym z 19 pozostałych łukiem i otrzymane w ten sposób łuki będą parami różne. Zatem wszystkich łuków jest 20·19=380.

c) Obliczymy, ile przekątnych ma n–kąt wypukły.

Rozwiązanie

I sposób:

Zauważmy, że dobierając wierzchołki w pary dostaniemy ich tyle, ile jest dwuelementowych kombinacjik–elementowa kombinacja zbioru n–elementowegokombinacji zbioru n–elementowego, czyli n2. Wszystkie te pary punktów dzielimy na dwie rozłączne grupy:

  • pary, które są końcami pewnego boku wielokąta,

  • pary, które są końcami pewnej przekątnej wielokąta.

Ponieważ par w pierwszej grupie jest n, więc przekątnych jest n2-n=n·n-12-n=n·n-1-2n2=n·n-32.

II sposób:

Zauważmy, że z każdego wierzchołka danego wielokąta można poprowadzić przekątną łącząc go z n-3 wierzchołkami (spośród n-1 różnych od niego wierzchołków odrzucamy dwa sąsiednie), więc licząc przekątne w każdym wierzchołku dostaniemy ich w sumie n·n-3. Ponieważ każdą przekątną policzyliśmy w ten sposób dwukrotnie (uwzględniliśmy ją w każdym z jej dwóch końców), więc wszystkich przekątnych w n–kącie jest n·n-32.

Przykład 2

Na każdym z boków trójkąta ABC zaznaczono po cztery punkty tak, że dzielą one każdy z tych boków na pięć odcinków równej długości. Obliczymy, ile jest wszystkich trójkątów, których wierzchołkami są trzy punkty wybrane spośród tych 12 zaznaczonych na bokach trójkąta.

Rozwiązanie

Zauważmy na początek, że wybrana trójka punktów to wierzchołki trójkąta (niezdegenerowanego) wtedy i tylko wtedy, gdy nie są to punkty leżące na jednej prostej. Korzystając z tego faktu pokażemy rozwiązanie na dwa sposoby.

I sposób:

Obliczamy, że wszystkich możliwych wyborów trzech punktów spośród 12 zaznaczonych na bokach trójkąta ABC jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacjik–elementowa kombinacja zbioru n–elementowegokombinacji zbioru 12–elementowego, czyli 123=12·11·103·2·1=220.

Ponieważ wśród wyborów opisanych powyżej trzy punkty na jednej prostej dostaniemy, gdy będą one leżały na jednym z boków trójkąta ABC, więc jest ich w sumie 3·43=3·4=12.

Wynika stąd, że trójkątów spełniających warunki zadania jest 220-12=208.

II sposób:

Warunki zadania będą spełnione, gdy wybierzemy trzy punkty w dwóch następujących, rozłącznych przypadkach:

  • 1 kiedy dwa z nich leżą na jednym z boków trójkąta ABC, a trzeci – na jednym z dwóch pozostałych boków,

  • 2 kiedy każdy z tych trzech punktów leży na innym boku trójkąta ABC.

W przypadku 1 obliczenia przeprowadzamy w trzech kolejnych etapach: najpierw ustalamy jeden z trzech boków trójkąta ABC, następnie wybieramy na nim dwa punkty z dostępnych czterech, a następnie z pozostałych 8 dostępnych punktów na innych dwóch bokach tego trójkąta wybieramy jeden. Zatem w tym przypadku wszystkich możliwości jest 3·42·81=3·6·8=144.

W przypadku 2 mamy wybrać po jednym punkcie z czterech dostępnych na każdym z boków trójkąta ABC, więc tym razem wszystkich możliwości jest 41·41·41=4·4·4=64.

Oznacza to, że wszystkich trójkątów, które spełniają warunki zadania jest 144+64=208.

Przykład 3

Prostokąt ABCD, w którym AB=8, AD=11, podzielono prostymi równoległymi do boków na 88 kwadracików jednostkowych, jak na poniższym rysunku.

R1LPZJPhhSLLK

Obliczymy, ile jest prostokątów, których boki zawierają się w liniach otrzymanej w ten sposób siatki.

Rozwiązanie

Ponumerujmy widoczne na rysunku linie otrzymanej siatki:

  • pionowe, od 1 do 9,

  • poziome, od 1 do 12.

R1WQwj0ePyeec

Zauważmy, że każdy prostokąt narysowany zgodnie z warunkami zadania możemy przypisać do dwóch par liczb: pary „czerwonej”, wybranej spośród numerów przypisanych do linii pionowych oraz pary „niebieskiej”, wybranej spośród numerów przypisanych do linii poziomych.
Jeżeli umówimy się, że podając te dwie pary dla identyfikacji prostokąta jako pierwszą zapiszemy parę „czerwoną”, to zapis 2, 7, 3, 8 opisuje prostokąt, którego dwa boki pionowe leżą na liniach o numerach 2 oraz 7, a dwa boki poziome – na liniach o numerach 3 oraz 8.

R15OqJKrKsKgM

Zauważmy, że istotne jest ustalenie porządku przy wypisywaniu par omówionych wyżej – dwójka par 2, 7, 3, 8 opisuje inny prostokąt, niż dwójka par 3, 8, 2, 7 – ten drugi prostokąt prezentujemy poniżej.

RpahKWtnRJPzB

Z drugiej strony: jeżeli najpierw narysujemy prostokąt spełniający warunki zadania, to jemu przypiszemy dokładnie jedną dwójkę uporządkowanych jak wyżej par liczb. Zatem to przyporządkowanie:
prostokąt – dwójka par
jest wzajemnie jednoznaczne.
Wobec tego dla rozwiązania zadania wystarczy obliczyć, ile jest dwójek par liczb opisanych powyżej.

Ponieważ liczby w parze „czerwonej” wybierzemy na 92 sposobów, a liczby w parze „niebieskiej” – na 122 sposobów, więc korzystając z reguły mnożeniaReguła mnożeniareguły mnożenia obliczymy, że wszystkich prostokątów, których boki zawierają się w liniach otrzymanej w ten sposób siatki jest 92·122=36·66=2376.

Przykład 4

Rozpatrzmy wszystkie trójkąty, których wierzchołki są wybrane spośród wszystkich wierzchołków piętnastokąta foremnego. Obliczymy, ile jest wśród nich trójkątów nierównoramiennych.

Rozwiązanie

Ponieważ żadne trzy wierzchołki piętnastokąta foremnego nie leżą na jednej prostej, więc wszystkich trójkątów, których wierzchołki są wybrane spośród wierzchołków piętnastokąta foremnego jest 153=15·14·133·2·1=455. Obliczymy, ile jest wśród nich trójkątów równoramiennych.

Zauważmy, że w trójkącie równoramiennym wpisanym w okrąg prosta przechodząca przez środek tego okręgu i wierzchołek między ramionami trójkąta jest osią symetrii tego trójkąta. Zauważmy też, że żadne dwa wierzchołki piętnastokąta foremnego nie leżą na osi symetrii okręgu opisanego na tym wielokącie.

Oznaczmy wierzchołki rozpatrywanego piętnastokąta przez A1, A2, ..., A15. Wybierzmy dla przykładu wierzchołek A8 i poprowadźmy prostą przez środek O okręgu opisanego na piętnastokącie A1A2A3...A15.

RVjZtQBxCUxPp

Zauważmy, że pozostałe 14 wierzchołków można podzielić na 7 par tak, aby każda para wraz z A8 tworzyła trzy wierzchołki trójkąta równoramiennego. Są to pary: A1A15, A2A14, A3A13, A4A12, A5A11, A6A10 oraz A7A9.

R19BePUr2Go0Y

Jedna z tych par, A3A13, wraz z A8 daje trójkę wierzchołków trójkąta równobocznego.

RwdCBwRLjyYJb

Wobec tego jest 6 trójkątów równoramiennych, w których A8 to jedyny wierzchołek między równymi bokami.

Powtarzając to rozumowanie dla każdego z wierzchołków piętnastokąta foremnego stwierdzimy, że w sytuacji opisanej w zadaniu:

  • jest 15·6=90 nierównobocznych trójkątów równoramiennych,

  • jest 153=5 trójkątów równobocznych.

Wynika stąd, że wszystkich trójkątów równoramiennych, których wierzchołki są wybrane spośród wszystkich wierzchołków piętnastokąta foremnego jest 90+5=95.

Zatem wszystkich trójkątów nierównoramiennych spełniających warunki zadania jest 153-95=455-95=360.

Przykład 5

Rozpatrzmy wszystkie trapezy, których wierzchołki są wybrane spośród wierzchołków szesnastokąta foremnego. Obliczymy, ile jest wśród nich takich czworokątów, które nie są prostokątami.

Rozwiązanie

Zauważmy, że w każdy trapez wpisany w okrąg jest równoramienny, więc ma oś symetrii, która przechodzi przez środek tego okręgu.
Rozpatrzmy trapezy, których wierzchołki są wybrane spośród wszystkich wierzchołków szesnastokąta foremnego. Możemy je podzielić na dwie grupy ze względu na liczbę wierzchołków szesnastokąta, które leżą na osi symetrii rozpatrywanego trapezu.
1 na osi symetrii trapezu nie leży żaden z wierzchołków szesnastokąta.

RDwSNCPWX39yd

Wtedy dla wybranej osi symetrii, np. będącej symetralną boku A1A16, wszystkie 16 wierzchołków rozpatrywanego wielokąta można podzielić na 8 par odcinków, dla każdego z których ta symetralna jest osią symetrii.

R185UnTn7aP6q

Zatem jest 82=28 wszystkich trapezów, których osią symetrii jest ustalona symetralna.

Zauważmy, że wśród tych trapezów są 4 prostokąty.

R164GO6BNd1ag

Oznacza to, że dla ustalonej w tym przypadku osi symetrii są 24 trapezy, niebędące prostokątami.
Powtarzając to rozumowanie dla każdej z 162=8 osi symetrii otrzymamy tym razem 24·8=192 trapezy spełniające warunki zadania.

2 na osi symetrii trapezu leżą dokładnie dwa wierzchołki szesnastokąta.

R8PgF1KQzGyqJ

Wtedy dla wybranej osi symetrii, np. prostej A1A9, wszystkie 14 pozostałych wierzchołków rozpatrywanego wielokąta można podzielić na 7 par odcinków, dla każdego z których ta symetralna jest osią symetrii.

R1G4WAMK8ycRk

Zatem jest 72=21 wszystkich trapezów, których osią symetrii jest ustalona symetralna.

Zauważmy, że wśród tych trapezów są 3 prostokąty.

RhlpUqf5sQtpi

Oznacza to, że dla ustalonej w tym przypadku osi symetrii jest 18 trapezów, niebędących prostokątami.
Powtarzając to rozumowanie dla każdej z 162=8 osi symetrii otrzymamy 18·8=144 trapezy spełniające warunki zadania.

Podsumowując, otrzymujemy 192+144=336 trapezów spełniających warunki zadania.

Przykład 6

Spośród wszystkich wierzchołków 50–kąta foremnego wybieramy 3. Obliczymy, ile spośród wybranych trójek punktów to wierzchołki trójkąta rozwartokątnego.

Rozwiązanie

Oznaczamy:

  • kolejne wierzchołki 50–kąta foremnego przez A1, A2, A3, ..., A50,

  • okrąg opisany na rozpatrywanym wielokącie foremnym przez o.

Dalszą część rozwiązania przedstawimy na dwa sposoby.

I sposób:

Wszystkich trójkątów o wierzchołkach wybranych spośród A1, A2, A3, ..., A50 jest tyle, ile jest trzyelementowych kombinacjik–elementowa kombinacja zbioru n–elementowegokombinacji zbioru 50–elementowego, czyli 503=50·49·483·2·1=19600. Trójkąty te możemy podzielić na trzy rozłączne grupy:

  • trójkąty prostokątne,

  • trójkąty ostrokątne,

  • trójkąty rozwartokątne.

Obliczymy, ile jest trójkątów w każdej z tych grup.

Najpierw obliczamy, ile jest trójkątów prostokątnych.

Zauważmy, że każdy trójkąt prostokątny wpisany w dany 50–kąt foremny jest jednoznacznie identyfikowany przez swoją przeciwprostokątną (średnicę okręgu o) oraz wierzchołek kąta prostego (punkt leżący na jednym z półokręgów wyznaczonych przez tę średnicę).
Ponieważ wszystkich średnic o końcach w wierzchołkach 50–kąta foremnego jest 502=25, a dla każdej z nich jako przeciwprostokątnej trzeci wierzchołek trójkąta prostokątnego możemy wybrać dowolnie spośród 48 pozostałych wierzchołków danego wielokąta, więc wśród rozpatrywanych trójkątów jest 25·48=1200 prostokątnych.

Obliczamy z kolei, ile jest trójkątów ostrokątnych.

Weźmy pod uwagę przykładowy prostokąt o wierzchołkach wybranych spośród wierzchołków 50–kąta foremnego. Przyjmijmy, że jednym z jego boków jest cięciwa AiAi+k, która nie jest średnicą okręgu o. Wtedy ten prostokąt to czworokąt AiAi+kA25+iA25+i+k.

RuidmkAachk2k

Powyższych oznaczeń będziemy używać do opisu każdego z prostokątów o wierzchołkach wybranych spośród wierzchołków 50–kąta foremnego, jeśli spełnione są jednocześnie trzy następujące warunki:

  • i=1, 2, ..., 50,

  • 0<k<25 (wtedy przy ustalonym i dla dowolnego k wszystkie odcinki AiAi+k leżą po jednej stronie środka okręgu o),

  • jeśli liczba opisująca indeks przy numeracji wierzchołków (czyli i+k, 25+i lub 25+i+k) jest większa od 50, to dla otrzymania właściwej wartości indeksu należy ją zmniejszyć o 50, tzn. 51 zamieniamy na właściwe 1, 52 zamieniamy na właściwe 2, itd. (krótko mówiąc: liczby opisujące indeksy przy numeracji wierzchołków bierzemy modulo 50).

Obliczymy, ile jest trójkątów ostrokątnych, w których jeden z boków to cięciwa AiAi+k. Zauważmy, że wówczas trzeci wierzchołek takiego trójkąta może być wybrany jedynie spośród k-1 wierzchołków: A26+i, A27+i, ..., A25+k-1+i.

RDdP7zJEh7zuw

To znaczy, że dla ustalonych i oraz k do cięciwy AiAi+k dobierzemy trzeci wierzchołek trójkąta ostrokątnego na k-1 sposobów.

Ponieważ k1, 2, 3, ..., 24, więc dla ustalonego i wszystkich trójkątów ostrokątnych opisanych powyższymi warunkami jest 0+1+2+...+23=23·242=276.
Ponadto i1, 2, 3, ..., 50, zatem zliczając trójkąty dla każdej z 50 możliwych wartości i dostaniemy, że jest ich 50·276=13800.
W trójkącie ostrokątnym przy każdym z trzech wierzchołków jest kąt ostry, skąd wynika, że otrzymana powyżej wartość jest trzykrotnie większa od poszukiwanej liczby trójkątów ostrokątnych. Wobec tego trójkątów ostrokątnych, których wierzchołki można wybrać spośród wierzchołków 50–kąta foremnego jest 138003=4600.

Oznacza to, że trójkątów rozwartokątnych spełniających warunki zadania jest 19600-1200-4600=13800.

II sposób:

Obliczymy najpierw, ile jest trójkątów rozwartokątnych A1BC, wpisanych w 50–kąt foremny, w których kąt przy wierzchołku A1 jest ostry oraz B, CA2, ..., A50.

Zauważmy, że odcinek A1A26 jest średnicą okręgu o, opisanego na rozpatrywanym 50–kącie.
Oznacza to, że pozostałe dwa wierzchołki BC poszukiwanego trójkąta leżą na okręgu o po tej samej stronie średnicy A1A26. Zatem możemy je wybrać w jednym z dwóch rozłącznych przypadków:
1 spośród 24 wierzchołków A2, A3, ..., A25,
2 spośród 24 wierzchołków A27, A28, ..., A50.

W każdym z tych dwóch przypadków wybieramy dwa wierzchołki spośród 24, a więc razem mamy 2·242=2·24·232=552 możliwości. Oznacza to, że dla ustalonego wierzchołka rozpatrywanego 50–kąta są 552 trójkąty spełniające warunki zadania, w których kąt w tym wybranym wierzchołku jest ostry.
Powtarzając to rozumowanie dla każdego z 50 wierzchołków otrzymamy ogółem 50·552=27600 możliwości. Zwróćmy uwagę, że ponieważ w trójkącie rozwartokątnym przy dwóch wierzchołkach są kąty ostre, więc otrzymana wartość jest dwukrotnie większa od poszukiwanej liczby trójkątów rozwartokątnych. Wobec tego trójkątów rozwartokątnych, których wierzchołki można wybrać spośród wierzchołków 50–kąta foremnego jest 276002=13800.

Słownik

k–elementowa kombinacja zbioru n–elementowego
k–elementowa kombinacja zbioru n–elementowego

każdy k–elementowy podzbiór zbioru n–elementowego, gdzie 0kn, nazywamy k–elementową kombinacją tego zbioru n–elementowego

liczba wszystkich k–elementowych kombinacji zbioru n–elementowego
liczba wszystkich k–elementowych kombinacji zbioru n–elementowego

liczba wszystkich k–elementowych kombinacji zbioru n–elementowego, gdzie 0kn, jest równa

nk=n!k!·n-k!=n·n-1·...·n-k+11·2·...·k
reguła mnożenia
reguła mnożenia

liczba wszystkich możliwych wyników doświadczenia polegającego na wykonaniu po kolei n czynności, z których pierwsza może zakończyć się na jeden z k1 sposobów, druga – na jeden z k2 sposobów, trzecia – na jeden z k3 sposobów i tak dalej do n–tej czynności, która może zakończyć się na jeden z kn sposobów, jest równa

k1·k2·...·kn