Kombinatoryka
3. Wariacje bez powtórzeń
Uczniowie Twojej szkoły biorą udział w loterii i każdy z nich kupuje jeden los. W loterii jest głównych nagród: – miesięczny karnet na siłownię; – dwutygodniowy karnet na basen, – bilety do kina, – powerbank, – gra planszowa. Na ile sposobów uczniowie mogą wylosować te nagrody? W tym materiale przedstawimy Ci narzędzie, które pozwoli odpowiedzieć na to pytanie.
Dowiesz się czym są wariacja bez powtórzeń.
Rozpoznasz wariacje bez powtórzeń w typowych doświadczeniach.
Nauczysz się, jak analizować modele odwołujące się do pojęcia wariacji bez powtórzeń w zadaniach różnego typu.
Utrwalisz umiejętność obliczania wszystkich możliwych wyników doświadczeń losowych, które opisywane są warunkiem 'co najmniej' albo 'co najwyżej'.
Załóżmy, że mamy do czynienia z doświadczeniem polegającym na wyborze kolejno elementów ze zbioru – elementowego, bez powtórzeń ( jest liczbą całkowitą spełniającą układ nierówności ).
Rozumując podobnie jak w tych przykładach, rozłóżmy doświadczenie na etapów. Wtedy w kolejnych etapach od pierwszego do ostatniego (o numerze ) liczby możliwości będą równe odpowiednio , , aż do . Stosując regułę mnożenia, stwierdzamy, że wszystkich możliwych wyników takiego doświadczenia jest
Doświadczenie polegające na wyborze kolejno – elementów ze zbioru – elementowego, bez powtórzeń, gdzie jest liczbą całkowitą spełniającą warunek , nazywa się zwyczajowo – wyrazową wariacją bez powtórzeń zbioru – elementowego.
Modelem dla tego typu doświadczenia jest – wyrazowy ciąg o elementach wybranych ze zbioru – elementowego bez powtórzeń.
Na podstawie spostrzeżenia poczynionego powyżej formułujemy twierdzenie.
Liczba wszystkich – wyrazowych wariacji bez powtórzeń zbioru n‑elementowego jest równa
Uwaga. Iloczyn kolejnych liczb naturalnych od do
nazywa się silnią liczby i oznacza się symbolem , co czytamy „ silnia”.
Zauważmy, że jeśli liczbę
pomnożymy i jednocześnie podzielimy przez iloczyn kolejnych liczb naturalnych od do , czyli przez liczbę , to stwierdzimy, że liczba wszystkich – wyrazowych wariacji bez powtórzeń zbioru – elementowego jest równa
Zwyczajowo liczbę wszystkich -elementowych wariacji bez powtórzeń zbioru -elementowego oznacza się symbolem .
Zatem dla dowolnych liczb całkowitych i takich, że mamy
Pięcioro przyjaciół: Jaś, Małgosia, Adaś, Ewa i Hela ma wybrać pięć miejsc spośród jedenastu dostępnych w tym samym rzędzie w kinie. Obliczymy, na ile różnych sposobów mogą tego dokonać.
Rozwiązanie:
Każdy dokonany wybór można przedstawić jako pięcioelementową wariację bez powtórzeń zbioru jedenastoelementowego.
Liczba wszystkich możliwych wyborów pięciu różnych miejsc w jedenastoelementowym rzędzie jest równa
.
Zatem jest rozmieszczeń opisanych warunkami zadania.
W rozwiązaniu kolejnego przykładu pokażemy, że jeden ze sposobów uzyskania wyniku opiera się na zastosowaniu reguły równolicznościreguły równoliczności.
Obliczymy, ile jest pięciocyfrowych liczb naturalnych o różnych cyfrach, które są podzielne przez .
Rozwiązanie:
Przypomnijmy, że liczba naturalna jest podzielna przez wtedy i tylko wtedy, gdy jej ostatnią cyfrą jest lub .
Rozpatrzmy więc dwa rozłączne przypadki:
(1) gdy ostatnią cyfrą szukanej liczby pięciocyfrowej jest ; wtedy rozmieszczeń bez powtórzeń cyfr z pozostałych dziewięciu na czterech pierwszych miejscach jest ,
(2) gdy ostatnią cyfrą szukanej liczby pięciocyfrowej jest ; wtedy - ponieważ na pierwszym miejscu nie możemy zapisać cyfry - cyfrę na pierwszym miejscu z pozostałych do wypełnienia czterech możemy wybrać na sposobów, a cyfry na pozostałych miejscach możemy rozmieścić bez powtórzeń na sposobów. Zatem na podstawie reguły mnożeniareguły mnożenia stwierdzamy, że wszystkich możliwości jest w tym przypadku .
Korzystamy z reguły dodawaniareguły dodawania, skąd dostajemy ostatecznie, że wszystkich pięciocyfrowych liczb naturalnych o różnych cyfrach, które są podzielne przez jest .
Liczbę wszystkich możliwości w przypadku (2) można również obliczyć, korzystając z:
reguły równolicznościreguły równoliczności; zauważmy mianowicie, że po wstawieniu na ostatnim miejscu cyfry pozostałe cyfry można wybrać na sposobów. Ponadto cyfra to jedyna z dostępnych dziewięciu, której nie możemy wstawić na pierwszym miejscu. Zatem na pierwszym miejscu można wpisać osiem z dziewięciu dostępnych cyfr, więc wszystkich liczb pięciocyfrowych, które w tym przypadku spełniają warunki zadania jest ,
reguły dodawaniareguły dodawania; zauważmy mianowicie, że po wstawieniu na ostatnim miejscu cyfry pozostałe cyfry można wybrać na sposobów. Ponieważ cyfra nie może wystąpić na pierwszym miejscu, więc wszystkie przypadki z cyfrą zapisaną na pierwszym miejscu należy odrzucić. Jest ich tyle, ile wyborów cyfr spośród na trzech środkowych miejscach, czyli . Oznacza to, że wszystkich liczb pięciocyfrowych, które w tym przypadku spełniają warunki zadania jest .
Kwadrat o boku podzielono na kwadracików o boku - te kwadraciki będziemy nazywać polami.

Następnie w każde spośród szesnastu pól kwadratu wpisujemy jedną liczbę wybraną ze zbioru , przy czym wybrana liczba może być wpisana co najwyżej raz. Wymagamy ponadto, żeby pola, które przecina przekątna były wypełnione wyłącznie liczbami parzystymi, a pola, które przecina przekątna były wypełnione wyłącznie liczbami nieparzystymi.
Wykażemy, że wszystkich sposobów wypełnienia pól kwadratu według powyższych warunków jest więcej niż .
Dowód:
Obliczenia przeprowadzimy w trzech etapach.
W pierwszym etapie rozmieścimy różne liczby parzyste na czterech polach, które przecina przekątna .
Ponieważ dostępnych jest liczb parzystych, więc wszystkich możliwości w tym etapie jest .
W drugim etapie rozmieścimy różne liczby nieparzyste na czterech polach, które przecina przekątna .
Ponieważ dostępnych jest liczb nieparzystych, więc wszystkich możliwości w tym etapie jest .
W trzecim etapie rozmieścimy różne liczby spośród pozostałych na polach, które jeszcze nie zostały wypełnione - wszystkich możliwości w tym etapie jest .
Korzystając z reguły mnożeniareguły mnożenia otrzymujemy ostatecznie, że wszystkich sposobów wypełnienia pól kwadratu według powyższych warunków jest
.
To spostrzeżenie kończy dowód.
Obliczymy, ile jest wszystkich siedmiocyfrowych liczb naturalnych o różnych cyfrach, których trzy pierwsze cyfry są nieparzyste, pozostałe cztery cyfry są parzyste oraz w ich zapisie dziesiętnym występuje dokładnie jedna cyfra podzielna przez .
Rozwiązanie:
Na wstępie zauważmy, że:
wśród cyfr zapisu dziesiętnego jest pięć nieparzystych: , , , , , przy czym jedna z nich, , dzieli się przez ,
wśród cyfr zapisu dziesiętnego jest pięć parzystych: , , , , , przy czym jedna z nich, , dzieli się przez .
Rozpatrujemy grupy cyfr określone warunkami zadania.
Trzy pierwsze cyfry mają być nieparzyste i różne, zatem można je zapisać na sposobów. Jeśli nie będzie wśród nich cyfry , to wtedy trzy pierwsze cyfry można zapisać na sposoby. Wobec tego trzy pierwsze cyfry wśród których jest cyfra 7 można - korzystając z reguły dodawaniareguły dodawania - zapisać na sposobów.
Cztery ostatnie cyfry mają być parzyste i różne, więc można je zapisać na sposobów. Jeśli nie będzie wśród nich cyfry , to wtedy cztery ostatnie cyfry można zapisać na sposoby. Oznacza to, że cztery ostatnie cyfry wśród których jest cyfra można zapisać na sposobów.
Wynika stąd, że liczbę spełniającą warunki zadania możemy otrzymać w jednym z dwóch rozłącznych przypadków:
(1) kiedy wśród trzech pierwszych cyfr jest siódemka i wśród czterech ostatnich nie ma zera; korzystamy z reguły mnożeniareguły mnożenia i stwierdzamy, że wszystkich takich liczb siedmiocyfrowych jest ,
(2) kiedy wśród trzech pierwszych cyfr nie ma siódemki i wśród czterech ostatnich jest zero; korzystamy z reguły mnożeniareguły mnożenia i stwierdzamy, że wszystkich takich liczb siedmiocyfrowych jest .
Korzystając z reguły dodawaniareguły dodawania otrzymujemy ostatecznie, że wszystkich liczb siedmiocyfrowych, które spełniają warunki zadania jest .
Aby ustalić, na ile sposobów można zapisać trzy pierwsze cyfry wśród których jest cyfra można rozumować następująco: miejsce dla cyfry możemy wybrać na sposoby, a pozostałe dwie cyfry – na sposoby, więc wszystkich takich możliwości jest .
Rozumując podobnie obliczymy, że liczba sposobów, na które można zapisać cztery ostatnie cyfry wśród których jest cyfra , jest równa .
Animacje multimedialne
Zapoznaj się z przedstawionymi poniżej animacjami. Przeanalizuj zaprezentowane w nich rozwiązania zadań dotyczących zapisu dziesiętnego liczb naturalnych.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1CDFSZVF1DMU
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącej wariacji bez powtórzeń.
Korzystając z przykładu omówionego w animacji, rozwiąż samodzielnie następujące zadanie.
Rozpatrujemy wszystkie pięciocyfrowe liczby naturalne o różnych cyfrach, w których zapisie dziesiętnym nie występuje żadna z cyfr , .
Oblicz, ile jest wśród nich liczb podzielnych przez .

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RLHE82XC7F5J3
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącej wariacji bez powtórzeń.
Rozumując podobnie, jak w rozwiązaniu zadania omówionego w powyższej animacji oblicz, ile jest wszystkich sześciocyfrowych liczb naturalnych o różnych cyfrach, które są mniejsze od .
Zestaw ćwiczeń interaktywnych
A, równa się, nawias klamrowy, a, przecinek, b, przecinek, c, przecinek, d, zamknięcie nawiasu klamrowego,
X, równa się, nawias klamrowy, x, przecinek, y, przecinek, zet, zamknięcie nawiasu klamrowego,
N, równa się, nawias klamrowy, jeden przecinek dwa, przecinek, trzy przecinek cztery, przecinek, pięć przecinek sześć, przecinek, siedem przecinek osiem, przecinek, dziewięć przecinek jeden zero, zamknięcie nawiasu klamrowego.
Oznaczmy przez:
k - liczbę wszystkich funkcji różnowartościowych ze zbioru A do zbioru N,
m - liczbę wszystkich funkcji różnowartościowych ze zbioru X do zbioru N.
Oblicz początek ułamka, k, mianownik, m, koniec ułamka.
W kratkach poniżej wpisz kolejno trzy pierwsze cyfry po przecinku rozwinięcia dziesiętnego otrzymanego wyniku. Tu uzupełnijTu uzupełnijTu uzupełnij
Rozmieszczamy różne kule w różnych pudełkach tak, żeby w każdym pudełku znalazła się co najwyżej jedna kula.
Wykaż, że wszystkich takich rozmieszczeń jest .
W kratkach poniżej wpisz kolejno cyfry setek, dziesiątek i jedności otrzymanego wyniku. Tu uzupełnij Tu uzupełnij Tu uzupełnij
A - liczb, które są podzielne przez dwa lub przez pięć, w których zapisie dziesiętnym każda z trzech początkowych cyfr jest nieparzysta,
B - liczb, które nie są podzielne ani przez dwa ani przez pięć, w których zapisie dziesiętnym każda z trzech początkowych cyfr jest parzysta,
C - liczb, które nie są podzielne ani przez dwa ani przez pięć, w których zapisie dziesiętnym suma każdych dwóch sąsiednich cyfr jest nieparzysta,
D - liczb, które są podzielne przez dwa lub przez pięć, w których zapisie dziesiętnym suma każdych dwóch sąsiednich cyfr jest parzysta.
Znajdź pary równych liczb. miara zbioru A Możliwe odpowiedzi: 1. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 2. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 3. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 4. cztery, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego miara zbioru B Możliwe odpowiedzi: 1. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 2. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 3. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 4. cztery, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego miara zbioru C Możliwe odpowiedzi: 1. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 2. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 3. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 4. cztery, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego miara zbioru D Możliwe odpowiedzi: 1. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 2. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, razy, cztery, 3. V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, plus, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, 4. cztery, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego
x - liczba wszystkich możliwych wyborów cztery osób tak, aby wśród uczniów wskazanych do rozwiązania zadania była co najmniej jedna dziewczynka,
y - liczba wszystkich możliwych wyborów cztery osób tak, aby wśród uczniów wskazanych do rozwiązania zadania był co najmniej jeden chłopiec.
Oblicz początek ułamka, x, mianownik, y, koniec ułamka. Zakoduj w kratkach poniżej kolejno trzy pierwsze cyfry po przecinku rozwinięcia dziesiętnego otrzymanego wyniku. Tu uzupełnij Tu uzupełnij Tu uzupełnij
(1) w ich zapisie dziesiętnym nie występuje cyfra zero,
(2) w ich zapisie dziesiętnym jest co najmniej jedna cyfra parzysta,
(3) w ich zapisie dziesiętnym jest co najmniej jedna cyfra nieparzysta.
Ile jest wszystkie takich liczb? Możliwe odpowiedzi: 1. V, indeks dolny, dziewięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, minus, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, minus, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego, 2. trzy, razy, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, plus, trzy, razy, V, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, indeks górny, jeden, koniec indeksu górnego, razy, V, indeks dolny, pięć, koniec indeksu dolnego, indeks górny, dwa, koniec indeksu górnego, 3. więcej niż pięćset, 4. mniej niż czterysta
Słownik
–wyrazowy ciąg o elementach wybieranych bez powtórzeń ze zbioru –elementowego, gdzie
funkcja, której dziedziną jest zbiór wszystkich dodatnich liczb całkowitych lub pewien jego podzbiór, a wartościami są liczby rzeczywiste