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 pokażemy przykłady typowych zadań, które odwołują się do elementów zbioru, w czytelny sposób dającego się podzielić na podzbiory dwuelementowe.

Przykład 1

Rozpatrujemy ośmiocyfrowe liczby naturalne o różnych cyfrach wybranych ze zbioru A=1,2,3,4,5,6,7,8. Obliczymy, ile jest wśród nich takich liczb, których zapis spełnia jednocześnie cztery warunki:

  1. cyfra 1 jest zapisana przed cyfrą 2,

  2. cyfra 3 jest zapisana przed cyfrą 4,

  3. cyfra 5 jest zapisana przed cyfrą 6,

  4. cyfra 7 jest zapisana przed cyfrą 8.

Rozwiązanie

I sposób:
Liczbę spełniającą warunki zadania będziemy konstruować w czterech etapach, odpowiadających narzuconym warunkom.

W pierwszym etapie wybierzemy dwa miejsca (spośród ośmiu dostępnych w zapisie dziesiętnym danej liczby) dla cyfr 1 oraz 2: możemy to zrobić na 82=28 sposobów. Następnie zapisujemy na tych miejscach cyfry 1 oraz 2 tak, aby cyfra 1 była zapisana przed cyfrą 2 – możemy to zrobić na jeden sposób.

W drugim etapie wybierzemy dwa miejsca (spośród sześciu pozostałych w zapisie dziesiętnym danej liczby) dla cyfr 3 oraz 4: możemy to zrobić na 62=15 sposobów. Następnie zapisujemy na tych miejscach cyfry 3 oraz 4 tak, aby cyfra 3 była zapisana przed cyfrą 4 – możemy to zrobić na jeden sposób.

W trzecim etapie wybierzemy dwa miejsca (spośród czterech pozostałych w zapisie dziesiętnym danej liczby) dla cyfr 5 oraz 6: możemy to zrobić na 42=6 sposobów. Następnie zapisujemy na tych miejscach cyfry 5 oraz 6 tak, aby cyfra 5 była zapisana przed cyfrą 6 – możemy to zrobić na jeden sposób.

W czwartym etapie na ostatnich dwóch miejscach zapisujemy cyfry 7 oraz 8 tak, aby cyfra 7 była zapisana przed cyfrą 8 – możemy to zrobić na jeden sposób.

Korzystając z reguły mnożeniareguła mnożeniareguły mnożenia, obliczamy, że liczb spełniających warunki zadania jest 82·62·42=28·15·6=2520.

II sposób
Ośmiocyfrową liczbę naturalną o różnych cyfrach wybranych ze zbioru A=1,2,3,4,5,6,7,8 utożsamiamy z permutacją a1,a2,,a8 zbioru A, skąd dostajemy, że wszystkich rozpatrywanych ośmiocyfrowych liczb naturalnych jest tyle, ile jest wszystkich permutacji zbioru A, czyli 8!.

Rozważmy dowolną permutację zbioru A. W takim ciągu pewne dwa miejsca zajmują elementy 1 oraz 2 – załóżmy, że ak=1al=2, gdzie k,l1,2,3,4,5,6,7,8kl.
Zamieniając miejscami elementy 12 dostaniemy permutację, w której ak=2al=1. W dokładnie jednym z dwóch omówionych właśnie przypadków element 1 jest zapisany przed elementem 2.
Zatem – korzystając z reguły równolicznościreguła równolicznościreguły równoliczności – stwierdzamy, że połowa spośród wszystkich rozpatrywanych liczb spełnia pierwszy warunek: cyfra 1 jest zapisana przed cyfrą 2. Liczb ośmiocyfrowych spełniających pierwszy warunek jest więc 8!2.

Rozważmy teraz taką permutację zbioru A, w której element 1 jest zapisany przed elementem 2. W takim ciągu pewne dwa miejsca zajmują elementy 3 oraz 4. Rozumując podobnie jak powyżej otrzymujemy następujący wniosek: jeżeli w tej permutacji zamienimy miejscami elementy 34, to w jednej z tych dwóch permutacji element 3 jest zapisany przed elementem 4.
Stwierdzamy więc, ponownie korzystając z reguły równolicznościreguła równolicznościreguły równoliczności, że połowa spośród rozpatrywanych liczb spełniających pierwszy warunek spełnia również drugi warunek: cyfra 3 jest zapisana przed cyfrą 4. Stąd liczb spełniających warunki (1) i (2) jest 8!2·2.

Rozważamy z kolei taką permutację zbioru A, w której element 1 jest zapisany przed elementem 2 oraz element 3 jest zapisany przed elementem 4.
Kolejny raz rozumujemy podobnie, jak to było zaprezentowane wcześniej i na tej podstawie stwierdzamy, że połowa spośród rozpatrywanych liczb spełniających warunki (1) i (2) spełnia również trzeci warunek: cyfra 5 jest zapisana przed cyfrą 6. Oznacza to, że liczb spełniających warunki (1), (2) oraz (3) jest 8!2·2·2.

Na koniec rozważamy taką permutację zbioru A, w której element 1 jest zapisany przed elementem 2, element 3 jest zapisany przed elementem 4 oraz element 5 jest zapisany przed elementem 6.
Rozumując podobnie, jak to zaprezentowane było powyżej stwierdzamy, że połowa spośród rozpatrywanych liczb spełniających warunki (1), (2) oraz (3) spełnia też czwarty warunek: cyfra 7 jest zapisana przed cyfrą 8.

Podsumowując stwierdzamy, że liczb spełniających wszystkie cztery warunki jest 8!2·2·2·2=2520.

Uwaga. Wykorzystując rozwiązanie zadania z powyższego przykładu, zauważymy, że ośmiocyfrowych liczb naturalnych, w których zapisie występują dwie jedynki, dwie trójki, dwie piątki i dwie siódemki (17335157 to przykładowa liczba spełniająca te warunki) jest 2520.

Wystarczy w tym celu zauważyć, że:

  1. jeżeli w liczbie spełniającej powyższe warunki zamienimy: drugą jedynkę na dwójkę, drugą trójkę na czwórkę, drugą piątkę na szóstkę oraz drugą siódemkę na ósemkę, to otrzymamy liczbę rozpatrywaną w powyższym przykładzie,

  2. jeżeli w liczbie spełniającej warunki podane w przykładzie zamienimy: dwójkę na jedynkę, czwórkę na trójkę, szóstkę na piątkę oraz ósemkę na siódemkę, to otrzymamy liczbę ośmiocyfrową, w której zapisie występują dwie jedynki, dwie trójki, dwie piątki i dwie siódemki.

Takie wzajemnie jednoznaczne przyporządkowanie pokazuje, że liczb w tych dwóch zbiorach jest tyle samo, a więc liczb spełniających podane warunki jest 2520.

Rozumując podobnie, jak w rozwiązaniu sposobem drugim, można pokazać, że:

  • ośmioliterowych wyrazów, w których zapisie występują dwie litery ‘a’, dwie litery ‘i’, dwie litery ‘k’ oraz dwie litery ‘t’ (‘tikitaka’ to przykładowy wyraz spełniający te warunki) jest 8!2·2·2·2=2520,

  • siedmiocyfrowych liczb naturalnych, w których zapisie występują dwie jedynki, dwie trójki oraz trzy piątki jest 7!2!·2!·3!=210,

  • jest n!n1!·n2!··nk! n–elementowych permutacji, w których parami różne elementy a1,a2,,ak powtarzają się odpowiednio n1,n2,,nk razy, przy czym n1+n2++nk=n.

Uwaga 2. Permutację, w której dopuszczalne są powtórzenia elementów, nazywa się permutacją z powtórzeniami.

Przykład 2

Ze zbioru A=1,2,3,,20 dwudziestu początkowych dodatnich liczb całkowitych losujemy 5–elementowy podzbiór. Obliczymy, ile spośród wszystkich wyników takiego losowania spełnia warunek: suma największego i najmniejszego elementu wylosowanego podzbioru jest równa 21.

Rozwiązanie

Zauważmy, że w podanym zbiorze jest 10 par liczb, których suma jest równa 21:
120, 219, 318, 417, 516, 615, 714, 813, 912 oraz 1011.

Dla dwóch ostatnich par liczb warunki zadania nie będą spełnione, wobec tego możliwe są następujące rozłączne przypadki:

  1. najmniejszy i największy element to odpowiednio 120. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 18–elementowego zbioru A1,20. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle,ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 18–elementowego, czyli 183=816,

  2. najmniejszy i największy element to odpowiednio 219. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 16–elementowego zbioru A1,2,19,20. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 16–elementowego, czyli 163=560,

  3. najmniejszy i największy element to odpowiednio 318. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 14–elementowego zbioru A1,2,3,18,19,20. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 14–elementowego, czyli 143=364,

  4. najmniejszy i największy element to odpowiednio 417. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 12–elementowego zbioru A1,2,3,4,17,18,19,20. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 12–elementowego, czyli 123=220,

  5. najmniejszy i największy element to odpowiednio 516. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 10–elementowego zbioru 6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych podzbiorów zbioru 10–elementowego, czyli 103=120,

  6. najmniejszy i największy element to odpowiednio 615. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 8–elementowego zbioru 7,8,9,10,11,12,13,14. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 8–elementowego, czyli 83=56,

  7. najmniejszy i największy element to odpowiednio 714. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 6–elementowego zbioru 8,9,10,11,12,13. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 6–elementowego, czyli 63=20,

  8. najmniejszy i największy element to odpowiednio 813. Wtedy podzbiór spełniający warunki zadania tworzą, wraz z tymi dwoma elementami, trzy elementy wybrane z 4–elementowego zbioru 9,10,11,12. W tym przypadku możliwych podzbiorów jest tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 4–elementowego, czyli 43=4.

Podsumowując, stwierdzamy, że wszystkich wyników losowania, które spełniają podany warunek jest 816+560+364+220+120+56+20+4=2160.

Przykład 3

Rozpatrzmy liczby 8-cyfrowe o różnych cyfrach wybranych ze zbioru A=1,2,3,4,5,6,7,8.
Obliczymy, ile jest wśród nich takich liczb, w których równe są następujące cztery sumy:
s1 – pierwszej i drugiej cyfry,
s2 – trzeciej i czwartej cyfry,
s3 – piątej i szóstej cyfry,
s4 – siódmej i ósmej cyfry.

Rozwiązanie

Ponieważ suma wszystkich cyfr opisanej liczby 8-cyfrowej jest równa 1+2++8=8·92=36, więc s1=s2=s3=s4=364=9.

Zauważmy, że zbiór A możemy następująco rozbić na cztery dwuelementowe podzbiory tak, żeby suma elementów w każdym podzbiorze była równa 9:
A=1,82,73,64,5.

Dalszą część rozwiązania przedstawimy dwoma sposobami.

I sposób:

Liczbę spełniającą warunki zadania będziemy konstruować w czterech etapach, odpowiadających narzuconym warunkom.

W pierwszym etapie wybierzemy pierwszą cyfrę, co możemy zrobić na 8 sposobów, a następnie dopiszemy do niej drugą, która - ze względu na wybraną pierwszą cyfrę - jest już wyznaczona jednoznacznie.

W drugim etapie spośród niewybranych jeszcze cyfr wybierzemy trzecią cyfrę, co możemy zrobić na 6 sposobów, a następnie dopiszemy do niej czwartą cyfrę, która po wyborze trzeciej cyfry jest wyznaczona jednoznacznie.

W trzecim etapie spośród cyfr niewybranych w dwóch pierwszych etapach wybierzemy piątą cyfrę, co możemy zrobić na 4 sposoby, a następnie dopiszemy do niej szóstą cyfrę, która po wyborze piątej cyfry jest wyznaczona jednoznacznie.

W czwartym etapie pozostaje nam rozmieścić pozostałe dwie cyfry na ostatnich dwóch miejscach, co możemy zrobić na 2 sposoby.

Korzystając z reguły mnożeniareguła mnożeniareguły mnożenia, obliczamy, że wszystkich liczb spełniających warunki zadania jest 8·6·4·2=384.

II sposób:

Ponieważ:

  • sposobów podziału liczb ze zbioru A na cztery sumy s1,s2,s3,s4 jest tyle, ile jest permutacji zbioru 4–elementowego, czyli 4!=24,

  • w każdej z tak otrzymanych czterech sum ustalimy kolejność składników na 2 sposoby,

więc liczb spełniających warunki zadania jest 4!·24=24·16=384.

Przykład 4

W szufladzie znajduje się 10 par rękawiczek, przy czym każde dwie spośród tych par są w różnych kolorach. Losujemy z tej szuflady 7 rękawiczek. Obliczymy, ile jest takich wyników tego losowania, że:

  1. wśród wylosowanych nie będzie żadnej pary rękawiczek,

  2. wśród wylosowanych będzie dokładnie jedna para rękawiczek,

  3. wśród wylosowanych będą dokładnie dwie pary rękawiczek,

  4. wśród wylosowanych będą dokładnie trzy pary rękawiczek.

Rozwiązanie

Dobieramy w pary, zgodnie z kolorem, rękawiczki znajdujące się w szufladzie, a następnie numerujemy te pary od 1 do 10. Każdej z tak ponumerowanych par przypisujemy liczbę li (gdzie i=1,2,,10) rękawiczek wylosowanych z tej pary.

Ponieważ:

  • z każdej pary możemy wylosować co najwyżej 2 rękawiczki, więc li0,1,2, dla i=1,2,,10,

  • w sumie mamy wylosować 7 rękawiczek, więc l1+l2+l3+l4+l5+l6+l7+l8+l9+l10=7.

Zauważmy następnie, że:

  1. wśród wylosowanych nie będzie żadnej pary rękawiczek wtedy i tylko wtedy, gdy w ciągu l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10 żaden element nie będzie równy 2, dokładnie 7 elementów będzie równych 1 (możliwych wyborów jest więc tyle, ile jest 7–elementowych kombinacji zbioru 10–elementowego) i pozostałe 3 elementy będą równe 0. Wszystkich takich ciągów jest zatem 107=120;

  2. wśród wylosowanych będzie dokładnie jedna para rękawiczek wtedy i tylko wtedy, gdy w ciągu l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10 dokładnie 1 element będzie równy 2 (można go wybrać na 10 sposobów), dokładnie 5 elementów będzie równych 1 (możliwych wyborów jest więc tyle, ile jest 5–elementowych kombinacji zbioru 9–elementowego) i pozostałe 4 elementy będą równe 0. Oznacza to, że wszystkich takich ciągów jest 10·95=10·126=1260;

  3. wśród wylosowanych będą dokładnie dwie pary rękawiczek wtedy i tylko wtedy, gdy w ciągu l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10 dokładnie 2 elementy będą równe 2 (możliwych wyborów jest więc tyle, ile jest 2–elementowych kombinacji zbioru 10–elementowego), dokładnie 3 elementy będą równe 1 (możliwych wyborów jest więc tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 8–elementowego) i każdy z pozostałych 5 elementów będzie równy 0. Wobec tego wszystkich takich ciągów jest 102·83=45·56=2520;

  4. wśród wylosowanych będą dokładnie trzy pary rękawiczek wtedy i tylko wtedy, gdy w ciągu l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10 dokładnie 3 elementy będą równe 2 (możliwych wyborów jest więc tyle, ile jest 3–elementowych kombinacji zbioru 10–elementowego), dokładnie 1 element będzie równy 1 (można go wybrać na 7 sposobów) i każdy z pozostałych 6 elementów będzie równy 0. Stąd wszystkich takich ciągów jest 103·7=120·7=840.

Ponieważ jedną rękawiczkę z ustalonej pary możemy wybrać na dwa sposoby, więc ostatecznie otrzymujemy, że:

  1. jest 107·27=120·128=15360 możliwych wyników losowania takich, że wśród wylosowanych nie będzie żadnej pary rękawiczek,

  2. jest 10·95·25=1260·32=40320 możliwych wyników losowania takich, że wśród wylosowanych będzie dokładnie jedna para rękawiczek,

  3. jest 102·83·23=2520·8=20160 możliwych wyników losowania takich, że wśród wylosowanych będą dokładnie dwie pary rękawiczek,

  4. 103·7·21=840·2=1680 możliwych wyników losowania takich, że wśród wylosowanych będą dokładnie trzy pary rękawiczek.

Dla podsumowania zauważmy, że
15360+40320+20160+1680=77520=207.

Przykład 5

Rozpatrzmy zbiór A=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Obliczymy, ile jest takich podzbiorów zbioru A, które wśród swoich elementów nie mają pary liczb o sumie równej 12.

Rozwiązanie

Zauważmy, że w podanym zbiorze jest 5 par liczb, których suma jest równa 12:
111, 210, 39, 48, 57. Bez pary pozostaje element 6.

Podzbiór spełniający warunki zadania będziemy konstruowali w 6 etapach:

  • I etapie wybierzemy podzbiór zbioru A1=1,11; ze wszystkich czterech podzbiorów tego zbioru nie możemy wybrać jedynie całego zbioru A1, a więc pozostają nam 3 możliwości,

  • II etapie wybierzemy podzbiór zbioru A2=2,10; ze wszystkich czterech podzbiorów tego zbioru nie możemy wybrać jedynie całego zbioru A2, wobec tego pozostają nam 3 możliwości,

  • III etapie wybierzemy podzbiór zbioru A3=3,9; ze wszystkich czterech podzbiorów tego zbioru nie możemy wybrać jedynie całego zbioru A3, co oznacza, że pozostają nam 3 możliwości,

  • IV etapie wybierzemy podzbiór zbioru A4=4,8; ze wszystkich czterech podzbiorów tego zbioru nie możemy wybrać jedynie całego zbioru A4, a więc pozostają nam 3 możliwości,

  • V etapie wybierzemy podzbiór zbioru A5=5,7; ze wszystkich czterech podzbiorów tego zbioru nie możemy wybrać jedynie całego zbioru A5, zatem pozostają nam 3 możliwości,

  • VI etapie wybierzemy podzbiór zbioru A6=6; tym razem możemy wybrać każdy podzbiór tego zbioru, wobec tego mamy 2 możliwości.

Korzystając z reguły mnożeniareguła mnożeniareguły mnożenia, obliczamy, że podzbiorów spełniających warunki zadania jest 3·3·3·3·3·2=2·35=2·243=486.

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 równoliczności
reguła równoliczności

dwa zbiory AB są równoliczne (mają tyle samo elementów) jeżeli ich elementy można przyporządkować wzajemnie jednoznacznie, to znaczy: każdemu elementowi zbioru A przyporządkujemy dokładnie jeden element zbioru B oraz każdemu elementowi zbioru B przyporządkujemy dokładnie jeden element zbioru A

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

permutacja zbioru n–elementowego
permutacja zbioru n–elementowego

każdy ciąg utworzony ze wszystkich elementów zbioru n–elementowego

liczba wszystkich permutacji zbioru n–elementowego
liczba wszystkich permutacji zbioru n–elementowego

liczba wszystkich permutacji zbioru n–elementowego jest równa Pn=n!