Комбинаторика за час: сочетания, размещения, перестановки — все формулы с примерами
Комбинаторика — это искусство считать количество способов. Фундамент теории вероятностей: прежде чем считать $P(A) = m/n$, нужно уметь находить $m$ и $n$.
Три главных вопроса
Любая комбинаторная задача сводится к трём вопросам:
| Вопрос | Тип | Учитывается ли порядок? |
|---|---|---|
| Сколькими способами можно упорядочить $n$ объектов? | Перестановки $P_n$ | Да |
| Сколькими способами можно выбрать и упорядочить $k$ из $n$? | Размещения $A_n^k$ | Да |
| Сколькими способами можно просто выбрать $k$ из $n$? | Сочетания $C_n^k$ | Нет |
1. Перестановки
Перестановка — упорядочивание всех $n$ элементов.
$$P_n = n! = 1 \cdot 2 \cdot \ldots \cdot n$$
Пример: книги на полке
Сколькими способами можно расставить 5 книг на полке?
$$P_5 = 5! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 = 120$$
Перестановки с повторениями
Если среди $n$ элементов есть одинаковые: $n_1$ элементов первого типа, $n_2$ — второго, ...:
$$P_n(n_1, n_2, \ldots, n_k) = \frac{n!}{n_1! \cdot n_2! \cdot \ldots \cdot n_k!}$$
Пример: сколько анаграмм у слова «МАМА»?
$n = 4$, $n_М = 2$, $n_А = 2$
$$P_4(2, 2) = \frac{4!}{2! \cdot 2!} = \frac{24}{4} = 6$$
Действительно: МАМА, МААМ, АММА, АМАМ, ААММ, ММАА.
2. Размещения
Размещение — выбор $k$ элементов из $n$ с учётом порядка.
$$A_n^k = \frac{n!}{(n - k)!} = n \cdot (n-1) \cdot \ldots \cdot (n - k + 1)$$
Пример: призёры
В забеге 8 участников. Сколькими способами могут распределиться золото, серебро и бронза?
$$A_8^3 = 8 \cdot 7 \cdot 6 = 336$$
Первого выбираем из 8, второго — из оставшихся 7, третьего — из 6.
Размещения с повторениями
Если элементы можно использовать многократно (как цифры в числе):
$$\bar{A}_n^k = n^k$$
Пример: сколько трёхзначных чисел можно составить из цифр 1–9 (цифры могут повторяться)?
$$\bar{A}_9^3 = 9^3 = 729$$
3. Сочетания
Сочетание — выбор $k$ элементов из $n$ без учёта порядка.
$$C_n^k = \frac{n!}{k! \cdot (n - k)!} = \frac{A_n^k}{k!}$$
Делим размещения на $k!$, потому что каждый набор из $k$ элементов можно упорядочить $k!$ способами, а для сочетания все эти упорядочивания — один и тот же выбор.
Пример: команда
Из 10 человек нужно выбрать команду из 3. Сколькими способами?
$$C_{10}^3 = \frac{10 \cdot 9 \cdot 8}{3 \cdot 2 \cdot 1} = \frac{720}{6} = 120$$
Порядок не важен — Иванов-Петров-Сидоров и Сидоров-Петров-Иванов это одна команда.
Сочетания с повторениями
В кондитерской 5 видов пирожных. Сколькими способами можно купить 3 пирожных (виды могут повторяться, порядок не важен)?
$$\bar{C}_n^k = C_{n+k-1}^k = \frac{(n+k-1)!}{k! \cdot (n-1)!}$$
$$\bar{C}_5^3 = C_7^3 = \frac{7 \cdot 6 \cdot 5}{3 \cdot 2 \cdot 1} = 35$$
Сравнительная таблица
| Тип | Порядок важен? | Повторения? | Формула | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Перестановки | Да | Нет | $n!$ | Расставить $n$ книг |
| Перестановки с повторениями | Да | Да | $\frac{n!}{n_1!n_2!...}$ | Анаграммы слова |
| Размещения | Да | Нет | $\frac{n!}{(n-k)!}$ | Призёры из $n$ участников |
| Размещения с повторениями | Да | Да | $n^k$ | Числа из цифр |
| Сочетания | Нет | Нет | $\frac{n!}{k!(n-k)!}$ | Выбор команды |
| Сочетания с повторениями | Нет | Да | $C_{n+k-1}^k$ | Пирожные |
Свойства сочетаний
Симметрия
$$C_n^k = C_n^{n-k}$$
Выбрать $k$ элементов — то же самое, что выбрать $n - k$ элементов, которые НЕ войдут.
Пример: выбрать 2 человек из 5 на дежурство — то же, что выбрать 3, которые НЕ дежурят. $C_5^2 = C_5^3 = 10$.
Рекуррентное соотношение (правило Паскаля)
$$C_n^k = C_{n-1}^{k-1} + C_{n-1}^k$$
Основа треугольника Паскаля: каждый элемент — сумма двух над ним.
Бином Ньютона
$$(a + b)^n = \sum_{k=0}^{n} C_n^k \cdot a^{n-k} \cdot b^k$$
Коэффициенты разложения — это в точности числа из строки $n$ треугольника Паскаля.
Пример: $(x + 2)^4 = 1 \cdot x^4 + 4 \cdot x^3 \cdot 2 + 6 \cdot x^2 \cdot 4 + 4 \cdot x \cdot 8 + 1 \cdot 16 = x^4 + 8x^3 + 24x^2 + 32x + 16$
Полезные следствия
- $\sum_{k=0}^n C_n^k = 2^n$ — сумма всех сочетаний (число всех подмножеств)
- $\sum_{k=0}^n (-1)^k C_n^k = 0$ — знакопеременная сумма
Треугольник Паскаля
n=0: 1
n=1: 1 1
n=2: 1 2 1
n=3: 1 3 3 1
n=4: 1 4 6 4 1
n=5: 1 5 10 10 5 1
n=6: 1 6 15 20 15 6 1
Строка $n = 6$: $C_6^0 = 1$, $C_6^1 = 6$, $C_6^2 = 15$, $C_6^3 = 20$, $C_6^4 = 15$, $C_6^5 = 6$, $C_6^6 = 1$.
Задачи для закрепления
1. Пароли
Пароль состоит из 4 различных букв латинского алфавита (26 букв). Сколько вариантов?
Решение: $A_{26}^4 = 26 \cdot 25 \cdot 24 \cdot 23 = 358\,800$
2. Шахматная доска
Сколькими способами можно выбрать 2 белые и 2 чёрные клетки на шахматной доске?
Решение: $C_{32}^2 \cdot C_{32}^2 = 496 \cdot 496 = 246\,016$
3. Флаги
Флаг состоит из 3 горизонтальных полос разных цветов. Доступно 7 цветов. Сколько разных флагов?
Решение: $A_7^3 = 7 \cdot 6 \cdot 5 = 210$
4. Карты
Из колоды в 36 карт сдают 6. Сколькими способами можно получить ровно 2 туза?
Решение: $C_4^2 \cdot C_{32}^4 = 6 \cdot 35\,960 = 215\,760$
5. Комиссия
Из 8 мужчин и 5 женщин выбирают комиссию из 4 человек. Сколько вариантов, где женщин больше мужчин?
Решение: 3 женщины + 1 мужчина ИЛИ 4 женщины.
$C_5^3 \cdot C_8^1 + C_5^4 \cdot C_8^0 = 10 \cdot 8 + 5 \cdot 1 = 80 + 5 = 85$
Типичные ошибки
| Ошибка | Почему | Как правильно |
|---|---|---|
| $A_n^k$ вместо $C_n^k$ | Учли порядок там, где не нужен | Спросить: «Имеет ли значение, кто первый?» |
| $C_n^k$ вместо $A_n^k$ | Не учли порядок там, где нужен | Спросить: «Алёша-Боря и Боря-Алёша — это одно и то же?» |
| Забыли умножение | Выбрали белых И выбрали чёрных — не сложили | Умножаем для «И», складываем для «ИЛИ» |
| Умножение вместо сложения | Выбрать 2 ИЛИ 3 туза — разные несовместные случаи | Разбить на случаи и сложить |
Итого
Ключевой навык комбинаторики — определить, что перед вами:
- Порядок важен? Да → размещения (или перестановки). Нет → сочетания.
- Элементы могут повторяться? Да → с повторениями. Нет → без повторений.
- Один выбор ИЛИ несколько случаев? Несколько → сложить. Последовательные выборы → умножить.
Всё остальное — подстановка в формулы и аккуратный счёт.
Связанные статьи: Теория вероятностей и матстатистика — полная шпаргалка