一、分类讨论的思想
许多“数数”问题往往情境复杂,层次多,视角广,这就需要我们在分析问题时,选择恰当的切入点,从不同的侧面,把原问题变成几个小问题。分而治之,各个击破。
例1、已知集合A和集合B各含有12个元素,含有4个元素,求同时满足下面两个条件的集合C的组合方法;(1),且C中含有3个元素;(2)。
分析:该题是1986年的高考题,可算是高考试题里“数数”问题第一例,此题单纯利用集合的概念及运算显然无法解决。因C中的三个元素的取法不止一类,故可考虑分类解之。
解:因为A、B各有12个元素,含有4个元素,所以中元素的个数是(个)。其中,属于A的元素有12个,属于B而不属于A的元素有8个,要使,则组成C中的元素至少有一个含在A中,集合C的组合方法是
(1)只含A中1个元素的有种;
(2)含A中2个元素的有种;
(3)含A中3个元素的有种。
故所求的集合C的组合方法共有
种
二、等价转化的思想
很多“数数”问题的解决,如果能跳出题设所限定的“圈子”,根据题目的特征构思设计出一个等价转化的途径,就可以使问题的解决呈现出“柳暗花明”的格局。
1、具体与抽象的转化
例2、某人射击7枪,击中5枪,问击中与未击中的不同顺序情况有多少种?
分析:设击中用“1”表示,未击中用“0”表示,那么我们考虑的问题就转化为下列问题:
数列中有5项是1,两项是0,不同的数列数目有多少个?
解:(1)两个“0”不相邻的情况有种;
(2)两个“0”相邻的情况有种。
故击中和未击中的不同顺序情况有种。
2、不同数学概念之间的转化
例3、连结正方体8个顶点的直线中,为异面直线的有多少对?
分析:正面求解或反面考虑(利用补集)虽然可行,但容易遗漏或重复。注意到这样一个事实,每一个三棱锥对应着3对异面直线,因而转化为计算以正方体的顶点为顶点,可以组成的三棱锥的个数。
解:从正方体的8个顶点中任取4个,有种取法,其中4点共面的有12种(6个表面正方形,6个对角面长方形)。将不共面的4点构成一个三棱锥,共有个三棱锥,每个三棱锥确定了3对异面直线,因而共有对异面直线。
3、情景迁移转化
例4、在的展开式中x的系数为( )
A. 160
B. 240
C. 360
D. 800
分析:这是1992年的高考题,从表面看,题目并非要求“数数”,但如果我们将情景迁移,便可转化为“数数”问题。
解:根据多项式的乘法法则,不妨将
看作是五个相同的口袋,每个口袋都装有三个不同颜色的球,即,依次记为黑、白、红球,于是可得下面的做法:先从五个口袋中的一个口袋取出一个白球(3x),有种取法,然后从剩下的四个口袋中各取出一个红球(2),有种取法,则得含x的项为,其系数为,故选B。
利用此法可准确、迅速地解决如下更一般的问题:
展开式中含项的系数(其中)是。在这里,精巧的构思转化发挥了令人振奋的作用。
4、分解(分组)转化
例5、从集合{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}中任取三个元素作为直线中的a、b、c,其中a>b>c,那么不同的直线共有多少条?
解:考虑到,构造行列表如下:
第1行:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
第2行:2 4 6 8 10 12
第3行:3 6 9 12
易知第2行、第3行中任三数作出的直线必与第1行中对应的三个数作出的直线相同,故不同的直线共有条。
三、数与形的转化的思想
例6、设,从A中任取两个元素构成向量(a≠b且b≠0),则能组成模大于5的不同向量的个数为多少?
解:由题设知a≠b,b≠0;根据抽量模的几何意义,结合补集思想,只需求出以O为圆心,5为半径的圆上及圆内所包含的以A中元素为横纵坐标的点的个数,然后从A中所有元素组成的不同坐标对应的点中除去即可。
圆内及圆上的点有个(不含x轴上的5个点)
满足a≠b,b≠0的所有点有个(不含x轴上的10个点),所以满足题设的点共有个。
四、构造模型的思想
证明组合恒等式,一般是利用组合数公式、组合数的性质、数学归纳法、二项式定理等,通过适当的计算或化简来完成。但是很多恒等式,也可以直接利用组合数的定义来证明,即构造一个组合问题的模型,把等式两边看成同一个组合问题的两种计算方法,由组合个数相等即可证出要证明的组合恒等式。如,组合数的两个性质①,②在课本中是利用组合数的定义证明的。
例7、证明。
证明:原式左端可看成一个班有m个人,从中选出n个人打扫卫生,在选出的n个人中,p人打扫教室,余下的人打扫环境卫生的选法数。原式右端可看成直接在m人中选出p人打扫教室,在余下的人中再选出人打扫环境卫生。显然,两种算法计算的是同一个问题,结果当然是一致的。
上例揭示了用组合数的意义证明组合恒等式的一般思路:先由恒等式中意义比较明显的一边构造一个组合问题的模型,再根据加法原理或乘法原理对另一边进行分析。若是几个数(组合数)相加的形式,可以把构造的组合问题进行适当分类,若是几个数(组合数)相乘的形式,则应进行适当的分步计算,很多情况下是两者结合使用的。
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