第一節 組合的概念
典型的例子

上回提到小良是個書迷,他的習慣是讀畢一本才讀另一本。小良的爸爸送了四本書給他,分別是西遊記、紅樓夢、水滸傳及三國演義。他在這個假期只有時間讀兩本,請問假期後小良讀完的兩本書共有多少種不同的組合?

考慮小良的讀書次序,根據排列,他共有\(\;P^4_2=4 \times 3=12\;\)種方法讀兩本書。

根據階乘,對於任何兩本書,讀完的它們有\(\;2!=2\;\)種次序。

由於讀完兩本書的組合與讀的次序無關,所以不同的可能只有\(\;12/2=6\;\)種。

一般的理論

與排列不一樣,選取物件組合與次序無關。

一般來說,記錄\(\;n\;\)個相異物件選取\(\;r\;\)個物件的組合數目為\(\;C^n_r\),則\(\;C^n_r=\frac{n!}{r!(n-r)!}\)。

尤其當\(\;r=0\;\)或\(\;r=n\;\)時,算式結果為\(\;1\);而當\(\;r=1\;\)時,算式結果為\(\;n\),符合我們的期望。

組合與排列的差別在於組合不計較次序而排列計較次序。

上一模組,我們學過\(\;n\;\)個相異物件選取\(\;r\;\)個物件的排列數目是\(\;P^n_r=\frac{n!}{(n-r)!}\;\)。

記錄\(\;n\;\)個相異物件選取\(\;r\;\)個物件的組合數目為\(\;C^n_r\)

我們現在考慮\(\;n\;\)個相異物件選取\(\;r\;\)個物件的排列的另一種數法:先在\(\;n\;\)個相異物件選取\(\;r\;\)個物件的組合,有\(\;C^n_r\;\)種方法;然後給這\(\;r\;\)個物件分配次序,有\(\;r!\;\)種方法。

由於這兩種數排列的答案必須是一致的,那麼根據乘法法則,\(P^n_r=C^n_r\times r !\)。所以

\begin{align*} C^n_r=\frac{P^n_r}{r !}=\frac{n!}{r!(n-r)!}。 \end{align*}

  1. 對於整數\(\;n>r\),組合數目\(\;C^n_r\;\)必須是整數。我們又剛證明了\(\;C^n_r=\frac{P^n_r}{r !}\);則\(\;{P^n_r}\;\)必須被\(\;{r !}\;\)整除。

    也就是說任何\(\;r\;\)個正整數的連乘必為\(\;{r !}\;\)的倍數。

  2. 有關特殊情況,當\(\;n\;\)為質數,而且\(\;0 < r < n\),則組合數目\(\;C^n_r\;\)必為\(\;n\;\)的倍數。

    這是顯而易見的:整數\(\;C^n_r=\frac{n!}{r!(n-r)!}\),當\(\;n\;\)為質數,而且\(\;0 < r < n\),其分子是\(\;n\;\)的倍數而其分母沒有\(\;n\;\)的因子,則在此特殊情況下組合數目\(\;C^n_r\;\)必為\(\;n\;\)的倍數。

更多的例子
如互動素材所示,\(A_1A_2A_3A_4A_5A_6A_7A_8A_9A_{10}A_{11}\;\)是一個正十一邊形,在十一個頂點上任意選三點可以構作一個三角形,請問三角形總共有多少個?

在\(\;11\;\)個頂點中挑\(\;3\;\)個的組合數目\(\;=C^{11}_3=\frac{11!}{3!(11-3)!}=\frac{11\times 10\times 9}{3\times 2\times 1}=165\;\)個。

從\(\;10\;\)個相異物件選取\(\;4\;\)個物件的組合數目是多少?

從\(\;10\;\)個相異物件選取\(\;4\;\)個物件的組合數目為\(\;C^{10}_4=\frac{10!}{4!(10-4)!}=\frac{10\times 9\times 8\times 7}{4\times 3\times 2\times 1}=210\)。

試計算\(\;C^{10}_6\;\)的值。

\begin{align*} &C^{10}_6\\ =&\frac{10!}{6!(10-6)!}\\ =&\frac{10\times 9\times 8\times 7\times 6\times 5}{6\times 5\times 4\times 3\times 2\times 1}\\ =&210。 \end{align*}

請問\(\;(1+x)^6\;\)的展開式中\(\;x^2\;\)的係數是多少?

在展開式中\(\;x^2\;\)的係數是乘積中六個括號\(\;(1+x)\;\)中選取\(\;2\;\)個\(\;x\;\)和\(\;4\;\)個\(\;1\;\)的數目\(\;C^6_2=\frac{6\times 5}{1\times 2}=15\)。其實 \begin{align*} &(1+x)^6\\ = &(1+x)\times (1+x)\times (1+x)\times (1+x)\times (1+x)\times (1+x)\\ = &C^6_0+C^6_1 x+C^6_2 x^2+C^6_3 x^3+C^6_4 x^4+C^6_5 x^5+C^6_6 x^6\\ = &1+6x+15 x^2+20 x^3+15 x^4+6 x^5+ x^6\\ \end{align*} 這就是二項式定理,組合數目\(\;C^n_r\;\)也因此名為二項式係數。同學可以查看這一課
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