RALosok9L5JDY
Ilustracja przedstawia kolorowe liczydło.

Kombinatoryka 

Źródło: Pexels, dostępny w internecie: https://pexels.com/.

5. Liczenie liczb

RujvO29WAFID21
portret Juliana Tuwima, Stanisław Ignacy Witkiewicz, 1929
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

J. Tuwim, Rachunek (fragment), z tomiku Wiersze zebrane, (1935)

Liczą mnie jacyś przez noc całą,

Piszą i piszą, a wciąż mało...

Skacze pokraczny szyfr.

Już jestem słaby i zmęczony,

Piszą biliony, kwadryliony,

Roi się szereg nieskończony

Cyfr...

Wokół wszyscy liczą i liczą – czas, pieniądze, średnią ocen, dni do wakacji...

My też będziemy liczyć – tym razem nic innego, tylko liczby. Liczenie liczb może wydać Ci się nieco dziwne, więc potraktuj proponowane tu zadania jako powtórzenie wiadomości z kombinatoryki i wprawka przed zadaniami z rachunku prawdopodobieństwa.

Twoje cele
  • Określisz liczbę liczb spełniających dane warunki.

  • Wykorzystasz aparat kombinatoryczny do wyznaczania liczby zdarzeń elementarnych w doświadczeniach „z liczbami”.

  • Stworzysz model matematyczny problemu z kontekstem realistycznym.

Chcąc określić liczbę wszystkich wyników doświadczenia losowego „na tworzenie liczb spełniających określone warunki” lub chcąc określić liczbę zdarzeń sprzyjających danemu zdarzeniu w doświadczeniu związanym z liczbami, najczęściej korzystamy ze wzorów kombinatorycznych, które przypominamy poniżej, a także reguł dodawania i mnożenia.

Wzory kombinatoryczne

Opis wzoru

Wzór

Liczba permutacji zbioru n–elementowego.

Pn=n!

Liczba k–elementowych wariacji bez powtórzeń zbioru n–elementowego.

Vnk=n!n-k!

Liczba k–elementowych wariacji z powtórzeniami zbioru n–elementowego.

Wnk=nk

Przykład 1

Obliczymy, ile jest:

  1. liczb dwucyfrowych o różnych cyfrach, w których nie występuje cyfra 0.
    Rozwiązanie: Zliczanie rozkładamy na dwa etapy:
    1 zapisanie cyfry dziesiątek (9 możliwości),
    2 zapisanie cyfry jedności, różnej od cyfry dziesiątek (8 możliwości).
    Zatem szukanych liczb dwucyfrowych o różnych cyfrach, w których nie występuje cyfra 0, jest
    9·8=72. Wybory i wszystkie utworzone w ich wyniku liczby można przedstawić w tabeli.

c1/c2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

12

13

14

15

16

17

18

19

2

21

23

24

25

26

27

28

29

3

31

32

34

35

36

37

38

39

4

41

42

43

45

46

47

48

49

5

51

52

53

54

56

57

58

59

6

61

62

63

64

65

67

68

69

7

71

72

73

74

75

76

78

79

8

81

82

83

84

85

86

87

89

9

91

92

93

94

95

96

97

98

  1. liczb trzycyfrowych o różnych cyfrach, w których nie występuje ani cyfra 0, ani cyfra 5.
    Rozwiązanie: Zliczanie rozkładamy na trzy etapy:
    1 zapisanie cyfry setek (8 możliwości),
    2 zapisanie cyfry dziesiątek, różnej od cyfry setek (7 możliwości),
    3 zapisanie cyfry jedności, różnej od cyfry setek i od cyfry dziesiątek (6 możliwości).
    Zatem szukanych liczb trzycyfrowych o różnych cyfrach, w których nie występuje ani cyfra 0, ani cyfra 5, jest
    8·7·6=336

  2. liczb czterocyfrowych o różnych cyfrach, w zapisie których nie występuje żadna z cyfr: 0,2,4.
    Rozwiązanie: Zliczanie rozkładamy na cztery etapy:
    1 zapisanie cyfry tysięcy (7 możliwości),
    2 zapisanie cyfry setek, różnej od cyfry tysięcy (6 możliwości),
    3 zapisanie cyfry dziesiątek, różnej od cyfry tysięcy i od cyfry setek (5 możliwości),
    4 zapisanie cyfry jedności, różnej od każdej z trzech cyfr zapisanych wcześniej (4 możliwości),
    Zatem szukanych liczb czterocyfrowych o różnych cyfrach, w zapisie których nie występuje żadna z cyfr: 0, 2, 4, jest
    7·6·5·4=840

  3. liczb pięciocyfrowych o różnych cyfrach, w zapisie których występują wyłącznie cyfry 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Zliczanie rozkładamy na pięć etapów:

1 zapisanie cyfry dziesiątek tysięcy (7 możliwości),

2 zapisanie cyfry tysięcy, różnej od cyfry dziesiątek tysięcy (6 możliwości),

3 zapisanie cyfry setek, różnej od cyfr: tysięcy oraz dziesiątek tysięcy (5 możliwości),

4 zapisanie cyfry dziesiątek, różnej od każdej z trzech cyfr zapisanych wcześniej (4 możliwości),

5 zapisanie cyfry jedności, różnej od każdej z czterech cyfr zapisanych wcześniej (3 możliwości).

Zatem szukanych liczb pięciocyfrowych o różnych cyfrach, w zapisie których występują wyłącznie cyfry 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, jest:

7·6·5·4·3=2520

Przykład 2

Obliczymy, ile jest liczb naturalnych czterocyfrowych, w których zapisie nie występuje 0, jest dokładnie jedna cyfra 4 i dokładnie jedna cyfra nieparzysta.

Rozwiązanie.

Podzielmy zbiór 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 jak poniżej, zgodnie z warunkami podanymi w zadaniu.

cyfry do wyboru

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

cyfra 4

4

cyfry nieparzyste 

1, 3, 5, 7, 9

pozostałe cyfry

2, 6, 8

9 elementów

1 element

5 elementów

3 elementy

Najpierw wybierzemy dwa miejsca, na których ustawimy odpowiednio: cyfrę 4 oraz cyfrę nieparzystą.

Takich możliwości jest więc 4·3, bo wybieramy te dwa miejsca bez powtórzeń (Pierwszą liczbę możemy wstawić na cztery sposoby, a drugą na trzy).

W każdym z tych 12 przypadków pozostaje nam wstawić konkretne cyfry w trzy miejsca (cyfra 4 swoje miejsce już zajęła):

  • w miejsce przeznaczone dla cyfry nieparzystej możemy wstawić cyfrę ze zbioru   { 1 ,   3 ,   5 ,   7 ,   9 } – jest 5 takich możliwości,

  • w dwa pozostałe miejsca; w każde z nich musimy wstawić cyfrę parzystą ze zbioru 2,6,8 – jest 3·3=9 takich możliwości.

Zatem w sumie mamy 3·4=12 rozłącznych przypadków wyboru miejsc dla cyfr wyróżnionych w treści zadania , a w każdym z nich mamy 5·3·3 możliwości wstawienia odpowiednich cyfr.

Korzystając z reguły mnożenia, ostatecznie otrzymujemy

3·4·5·3·3=12·45=540

liczb naturalnych czterocyfrowych, w których zapisie nie występuje 0, jest dokładnie jedna cyfra 4 i dokładnie jedna cyfra nieparzysta.

Uwaga. Powyższe zliczanie możemy też rozłożyć na trzy etapy:

1 wybór miejsca dla cyfry 4 i zapisanie tej cyfry (4 możliwości),

2 wybór miejsca dla cyfry nieparzystej i zapisanie tej cyfry (3·5 możliwości),

3 zapisanie cyfr na pozostałych dwóch miejscach (3·3 możliwości).

Ponieważ wyborów tych dokonujemy niezależnie, to korzystając z reguły mnożenia, obliczamy, że szukanych liczb jest

4·3·5·3·3=540

Przykład 3

Obliczymy ile jest liczb pięciocyfrowych w których cyfry:

  1. nie mogą się powtarzać,

  2. mogą się powtarzać.

Rozwiązanie:

  1. Liczbą pięciocyfrową można traktować jako pięciowyrazowy ciąg utworzony ze zbioru dziesięciu cyfr.
    Wszystkich takich liczb jest więc:
    V105=10!10-5!=10!5!=10·9·8·7·6=30240
    Wśród rozważanych ciągów są też takie, które mają na początku 0.
    V94=9!9-4!=9!5!=9·8·7·6=3024
    Zatem wszystkich liczb pięciocyfrowych o niepowtarzających się cyfrach jest
    30240-3024=27216.

  2. Chcąc utworzyć liczbę pięciocyfrową, w której cyfry mogą się powtarzać, mamy 9 sposobów wyboru cyfry dziesiątek tysięcy (cyfrą dziesiątek tysięcy nie może być zero). Na każdym z pozostałych miejsc może stać jedna z dziesięciu cyfr.
    Korzystamy z reguły mnożeniareguła mnożeniareguły mnożenia i wyznaczmy liczbę liczb:
    9·10·10·10·10=90000

Odpowiedź:
Liczb pięciocyfrowych o niepowtarzających się cyfrach jest 27216, a o powtarzających się cyfrach jest 90000.

Przykład 4

Ustalimy, ile dodatnich dzielników całkowitych ma każda z liczb: 72, 360 oraz 1410.

Rozwiązanie:

Skorzystamy z zapisu każdej z  tych liczb w postaci rozkładu na czynniki pierwsze.

Ponieważ 72=23·32, więc każdy dodatni czynnik całkowity liczby 72 jest liczbą postaci 2n·3m, przy czym n jest liczbą ze zbioru 0,1,2,3, natomiast m jest liczbą ze zbioru 0,1,2. Zauważmy, że wybór dzielnika liczby 72 polega na wykonaniu dwóch czynności: wyborze wykładnika dla czynnika 2 – co można zrobić na 4 sposoby, a następnie na wyborze wykładnika dla czynnika 3 – co można zrobić na 3 sposoby.

Korzystając z reguły mnożenia, stwierdzamy, że 72 ma 4·3=12 dzielników, które przedstawia poniższa tabela.

×

30

31

32

20

20·30=1

20·31=3

20·32=9

21

21·30=2

21·31=6

21·32=18

22

22·30=4

22·31=12

22·32=36

23

23·30=8

23·31=24

23·32=72

Ponieważ 360=23·32·5, więc każdy dodatni czynnik całkowity liczby 360 jest liczbą postaci 2n·3m·5k, przy czym n jest liczbą ze zbioru 0,1,2,3, m jest liczbą ze zbioru 0,1,2, natomiast k jest liczbą ze zbioru 0,1. Zauważmy, że wybór dzielnika liczby 360 polega na wykonaniu trzech czynności, z których pierwsza może skończyć się na jeden z 4 sposobów, druga – na jeden z 3 sposobów, a trzecia – na jeden z 2 sposobów.

Jeżeli najpierw rozpatrzymy wszystkie przypadki związane z wykonaniem dwóch pierwszych czynności (jest ich 12), a następnie wykonamy trzecią czynność, to dostaniemy 24 możliwości.

Korzystając z reguły mnożenia, stwierdzamy, że 360 ma 4·3·2=24 dodatnie dzielniki całkowite, które przedstawia poniższa tabela.

×

20·30

21·30

22·30

23·30

20·31

21·31

22·31

23·31

20·32

21·32

22·32

23·32

50

1

2

4

8

3

6

12

24

9

18

36

72

51

5

10

20

40

15

30

60

120

45

90

180

360

Ponieważ 1410=2·3·5·47, więc każdy dodatni czynnik całkowity liczby 1410 jest liczbą postaci 2n·3m·5k·47l, przy czym każda z liczb n, m, k, l wybierana jest ze zbioru 0,1.

Zauważmy, że wybór dzielnika liczby 1410 polega na wykonaniu czterech czynności, z których każda może skończyć się na jeden z 2 sposobów.

Korzystając z reguły mnożenia, stwierdzamy, że 1410 ma 2·2·2·2=16 dzielników.

Przykład 5

Obliczymy sumę wszystkich liczb dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr 1, 2, 3, 4, 5 (cyfry mogą się powtarzać).

Rozwiązanie:

Wszystkich liczb dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr 1, 2, 3, 4, 5 jest dokładnie tyle, ile dwuelementowych ciągów c1,c2, gdzie c1 oraz c2 to liczby wybrane ze zbioru 1,2,3,4,5, z powtórzeniami. Jest ich zatem 5·5=25.

Sumę tych wszystkich liczb obliczymy dwoma sposobami.

  • sposób I

Wypisujemy wszystkie liczby w tabeli, przy czym elementy c1, c2 pary c1,c2 to dla konkretnej liczby odpowiednio cyfra dziesiątek oraz cyfra jedności.

c1, c2

1

2

3

4

5

1

11

12

13

14

15

2

21

22

23

24

25

3

31

32

33

34

35

4

41

42

43

44

45

5

51

52

53

54

55

Sumujemy liczby dwucyfrowe w kolejnych wierszach. Zauważamy przy tym, że:

  • wszystkie liczby występujące w tym samym wierszu mają tę samą cyfrę dziesiątek,

  • cyfry jedności tych liczb są różnymi liczbami ze zbioru 1,2,3,4,5.

c1, c2

1

2

3

4

5

1

11

12

13

14

15

Suma: 5·10+1+2+3+4+5

2

21

22

23

24

25

Suma: 5·20+1+2+3+4+5

3

31

32

33

34

35

Suma: 5·30+1+2+3+4+5

4

41

42

43

44

45

Suma: 5·40+1+2+3+4+5

5

51

52

53

54

55

Suma: 5·50+1+2+3+4+5

razem

5·10+5·20+5·30+5·40+5·50+5·1+2+3+4+5

Na koniec dodajemy wszystkie otrzymane sumy i otrzymujemy

5·10+20+30+40+50+5·1+2+3+4+5

Oznacza to, że suma wszystkich liczb dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr 1, 2, 3, 4, 5 jest równa

5·10·1+2+3+4+5+5·1+2+3+4+5=5·10+1·1+2+3+4+5=5·11·15=825

  • sposób II

Oznaczmy przez S sumę wszystkich liczb dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr 1, 2, 3, 4, 5.

Podobnie jak poprzednio wypisujemy wszystkie liczby w tabeli, przy czym do każdej z nich dopisujemy teraz drugą liczbę dwucyfrową, w następujący sposób: do liczby opisanej przez parę c1,c2 dopisujemy liczbę opisaną przez parę 6-c1,6-c2.

c1, c2, 6-c1, 6-cc

1

2

3

4

5

1

11,55

12,54

13,53

14,52

15,51

2

21,45

22,44

23,43

24,42

25,41

3

31,35

32,34

33,33

34,32

35,31

4

41,25

42,24

43,23

44,22

45,21

5

51,15

52,14

53,13

54,12

55,11

Zauważmy, że:

  • istnieje wzajemnie jednoznaczne przyporządkowanie: liczby wyznaczonej przez parę c1,c2 do liczby wyznaczonej przez parę 6-c1,6-c2, a ponadto suma takich dwóch liczb jest w każdym przypadku równa 66,

  • każda z liczb dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr 1, 2, 3, 4, 5 jest przyporządkowana do dokładnie jednej pary 6-c1,6-c2, gdzie c1 oraz c2 to liczby wybrane ze zbioru 1,2,3,4,5.

Oznacza to, że dodając wszystkie liczby dwucyfrowe wpisane w ten sposób do tabeli:

  • dodamy sumy par liczb wpisanych w 25 komórkach tabeli, czyli 25 razy liczbę 66,

  • dokładnie dwa razy obliczymy każdy składnik sumy S.

Stąd

2S=25·66

a więc

S=12·25·66=25·33=825

Animacje

Zapoznaj się z filmem, który pokazuje jak można wykorzystać permutacje do zliczania ilości liczb spełniających określone warunki.

R16e634rqyVFf
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącego liczenia liczb.
Polecenie 1

Wykorzystując informacje zawarte w filmie oblicz, ile wyrazów (mających sens lub nie) można utworzyć ze wszystkich liter słowa:

  1. LITERA

  2. LITERAT

  3. APARATURA

Zapoznaj się z filmem, który pokazuje zastosowania wariacji z powtórzeniami do wyznaczania liczby liczb spełniających określone warunki.

RxT7yIYJt98SV
Film nawiązujący do treści materiału dotyczący liczenia liczb.
Polecenie 2

Oblicz, ile istnieje parzystych liczb pięciocyfrowych, które są podzielne przez 5:

  1. jeżeli cyfry w tej liczbie nie mogą się powtarzać,

  2. jeżeli cyfry w tej liczbie mogą się powtarzać,

  3. jeżeli cyfry w tej liczbie nie mogą się powtarzać oraz liczba ta jest mniejsza niż 5000.

Zestaw ćwiczeń interaktywnych

1
Pokaż ćwiczenia:
R1DQMj7v7z6Df1
Ćwiczenie 1
Ile jest liczb naturalnych trzycyfrowych podzielnych przez sześć lub przez piętnaście? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. dwieście dziesięć, 2. sto osiemdziesiąt, 3. sto pięćdziesiąt, 4. sześćdziesiąt
RMteW6egnBaby1
Ćwiczenie 2
Ile jest liczb naturalnych dziesięciocyfrowych w zapisie dziesiętnym których tylko pierwsza cyfra jest parzysta, a pozostałe cyfry są nieparzyste? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. cztery, razy, pięć indeks górny, dziewięć, koniec indeksu górnego, 2. cztery, razy, dziewięć indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, 3. pięć, razy, cztery indeks górny, dziewięć, koniec indeksu górnego, 4. pięć, razy, dziewięć indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego
REptruSFomKzj2
Ćwiczenie 3
Dostępne opcje do wyboru: piętnaście tysięcy sto dwadzieścia, dwa tysiące sześćset osiemdziesiąt osiem, trzy tysiące dwadzieścia cztery, pięć tysięcy siedemset dwanaście. Polecenie: W koszu jest tyle piłeczek, ile jest liczb naturalnych pięciocyfrowych o różnych cyfrach podzielnych przez pięć. Przeciągnij poprawną odpowiedź. W koszu jest luka do uzupełnienia piłeczek.
R1b6NtkHr2rUN2
Ćwiczenie 4
Oblicz, ile jest liczb naturalnych dodatnich mniejszych od tysiąc jeden podzielnych przez trzy, ale niepodzielnych przez pięć.
Uzupełnij rozwiązanie zadania, wpisując odpowiednie liczby naturalne. Niech A będzie zbiorem liczb naturalnych dodatnich mniejszych od tysiąc jeden podzielnych przez trzy. Niech B będzie zbiorem liczb naturalnych dodatnich mniejszych od tysiąc jeden podzielnych przez pięć. Niech C będzie zbiorem liczb naturalnych dodatnich mniejszych od tysiąc jeden podzielnych przez trzy, ale niepodzielnych przez pięć. Wtedy: miara zbioru A równa się Tu uzupełnij miara zbioru B równa się Tu uzupełnij Zbiór A iloczyn zbiorów B składa się z liczb podzielnych przez Tu uzupełnij. miara zbioru A razy B równa się Tu uzupełnij miara zbioru C równa się miara zbioru A odjąć miarę zbioru A razy B równa się Tu uzupełnij minus Tu uzupełnij równa się Tu uzupełnij
RfYVZFGsf1x082
Ćwiczenie 5
Łączenie par. Ze zbioru liczb nawias klamrowy, jeden, przecinek, dwa, przecinek, trzy, przecinek, cztery, przecinek, pięć, zamknięcie nawiasu klamrowego losujemy kolejno ze zwracaniem trzy liczby. Zaznacz, czy dane zdanie jest prawdziwe, czy fałszywe.. Zdanie 1. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zdanie 2. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zdanie 3. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zdanie 4. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
R1AZ2yRbG6G0N1
Ćwiczenie 6
Ile jest wszystkich liczb naturalnych trzycyfrowych, w których jedynie cyfra setek jest nieparzysta, a cyfra dziesiątek i cyfra jedności są równe? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. piętnaście, 2. dwadzieścia pięć, 3. sto dwadzieścia pięć, 4. pięćset
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
RfahWcI5DtrWo1
Ćwiczenie 7
Ile dodatnich dzielników całkowitych ma liczba dwa indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, razy, pięć indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego? Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. dwadzieścia, 2. dwanaście, 3. dziewięć, 4. siedem
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
Rg1Db8ndbtepX1
Ćwiczenie 8
Ile jest równa suma wszystkich liczb naturalnych dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr jeden, dwa, trzy? Cyfry mogą się powtarzać. Zaznacz poprawną odpowiedź. Możliwe odpowiedzi: 1. trzysta dziewięćdziesiąt sześć, 2. sto dziewięćdziesiąt osiem, 3. sto trzydzieści dwa, 4. sześćdziesiąt sześć
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 9
RzdNRUjYqpLzL
Oblicz, ile jest wszystkich liczb naturalnych dwucyfrowych zapisanych wyłącznie za pomocą cyfr zero, jeden, dwa, trzy, cztery, pięć, wiedząc, że: 1. cyfry mogą się powtarzać, Wszystkich liczb naturalnych jest Tu uzupełnij. 2. cyfry są różne. Wszystkich liczb naturalnych jest Tu uzupełnij.
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
2
Ćwiczenie 10
RHXoZdly6ghJy
Oblicz ile dzielników naturalnych mają podane liczby. Uzupełnij poniższe zdania, wpisując w luki odpowiednie liczby. Liczba dwa indeks górny, pięć, koniec indeksu górnego, razy, jeden jeden indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego ma Tu uzupełnij dzielników.Liczba trzy indeks górny, sześć, koniec indeksu górnego, razy, jeden siedem indeks górny, trzy, koniec indeksu górnego ma Tu uzupełnij dzielników.Liczba trzy tysiące dziewięćset sześćdziesiąt dziewięć ma Tu uzupełnij dzielników.Liczba cztery tysiące ma Tu uzupełnij dzielników.
Źródło: Zespół autorski Politechniki Łódzkiej, licencja: CC BY 3.0.
3
Ćwiczenie 11

Oblicz, ile jest liczb naturalnych sześciocyfrowych, których suma cyfr jest równa 3.

3
Ćwiczenie 12

Oblicz, ile jest liczb trzycyfrowych, które w dzieleniu przez 7 dają resztę 4.

Słownik

reguła mnożenia
reguła mnożenia

jeżeli wynik pewnego doświadczenia losowego zależy od kolejno podejmowanych m decyzji, to liczba wszystkich różnych wyników tych decyzji jest równa

w1·w2··wm,

gdzie:
wk, 1km – liczba możliwości wyboru przy podejmowaniu decyzji k