计数与概率方法 · 相邻整体

捆绑法

把必须相邻的对象缩成一个块,数清外部排列,再还原内部顺序。

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01

五个人,怎样保证甲乙相邻?

甲、乙、丙、丁、戊五个不同的人排成一行。甲和乙必须相邻,其他人没有限制。甲乙内部先后顺序不限,左右位置不同算不同排法。共有多少种?

第1步 / 共5步:先读约束

甲乙丙丁戊

这里只展示一排样例。甲乙之间不能插入其他人。

对应左侧五人排队题

相邻

先读约束

相邻只限制甲乙之间不能插人,没有固定谁站左边。

演示只切换代表性的排法;没有用五幅画代替枚举48种。位置表示先后,不按距离比例。

02

学习准备与适用条件

学习目标

  • 用压缩与还原解释为什么不重不漏。
  • 正确相乘外部排列数和内部合法顺序数。
  • 处理互不重叠的多组相邻与相同对象。
  • 识别重叠约束、环形排列等边界。

必要前置

会分类、分步乘法原理和阶乘。n!表示n个不同对象的直线全排列数,即n×(n−1)×…×1,约定0!=1。相同对象互换不产生新排法。

本页“相邻成块”指一组对象占据连续位置,组内不能混入其他对象;不要求占据特定位置。题目若另有限制,内部合法顺序必须单独核对。

S班是本项目的内容深度编排,非已核实的地方官方课纲。例题和练习均为自拟教学题。

03

为什么“外部×内部”成立?

从每个合法队列出发

在原队列中找到连续的甲乙,将它们压成一个标记块,并记下块内是“甲乙”还是“乙甲”。就得到四个不同对象的外部队列,以及一个内部顺序。

从记录反向还原

任取外部队列和内部顺序,在块所在位置展开甲乙。所得五人队列满足相邻条件;展开结果唯一。两条原队列若记录相同,还原也相同,因此不重复。每个合法队列都能压缩,因此不遗漏。按分步乘法原理,答案为24×2=48种。

块的左端位置已经由外部队列决定,不能再乘“块能放几个位置”。内部有固定顺序时只能乘1;题意允许任意顺序时才乘阶乘。

单组与多组的通式

单组: (n−r+1)! × r!

n个不同对象排直线,指定r个必须占据连续位置,组内顺序任意;1≤r≤n。外部有n−r+1个不同对象。

多组: (n−Σ(rᵢ−1))! × ∏ rᵢ!

指定的各组互不重叠,第i组有rᵢ个不同对象,各组内部任意,未规定组间不相邻。缩成若干可区分的块后排外部,再独立排各组内部。若内部还有限制,用各组的合法内部顺序数替换rᵢ!。本页只讨论线性排列。

04

两道完整例题:多组与相同对象

例题一|两对各自相邻

甲、乙、丙、丁、戊、己六个不同的人排成一行,甲乙相邻,丙丁相邻,各对内部顺序不限,其他没有限制。共有多少种?

  1. 把甲乙捆为X块,丙丁捆为Y块。X、Y、戊、己是四个不同对象。
  2. 外部有4!=24种;X内部2种,Y内部2种。
  3. 总数24×2×2=96种。两块挨着也合法,例如甲乙丙丁戊己。
  4. 一排合法队列可唯一确定X、Y的位置及各自内部顺序,因此即使两块相邻也没有重复。

若再要求“两块不能相邻”,需减去X、Y相邻的外部排法:外部合法数24−3!×2=12,原队列共12×2×2=48种。本题没有这个额外条件。

例题二|相同字母不能贴假标签

用字母A、A、B、B、C排成长度为5的字符串,两只A必须相邻。相同字母互换不算新字符串,B无相邻限制。有多少种?

  1. 将AA视为唯一的X块,外部为X、B、B、C四个符号。
  2. 若先临时区分两只B,外部有4!=24种。去掉B的临时标签后,每个字符串恰好被算2!=2次,故外部有24÷2=12种。
  3. AA内部只有一种可见顺序,不能再乘2。答案为12种。
  4. 两只A全在唯一AA块内,所以压缩位置唯一。若有更多相同A且只要求“至少一对相邻”,可选的AA块可能不唯一,需要另行去重。
05

迁移练习:先写结构,再计算

练习一|三人组与两人组

甲、乙、丙、丁、戊、己、庚七个不同的人排一行。甲乙丙三人必须占据连续位置,丁戊两人必须相邻;各组内部顺序任意,两组之间没有限制。有多少种?

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缩成X=[甲乙丙]、Y=[丁戊]后,外部为X、Y、己、庚四个不同对象,有4!=24种。X内部3!=6种,Y内部2!=2种。答案24×6×2=288种。两组互不重叠,压缩唯一;两块相邻也合法。

练习二|乙同时靠近甲和丙

甲、乙、丙、丁、戊五个不同的人排一行,甲与乙相邻,同时乙与丙相邻。其他没有限制。共有多少种?

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乙的左右位置必须分别留给甲、丙,所以三人连续,且只有甲乙丙、丙乙甲两种内部顺序。把这三人视为X块,外部X、丁、戊有3!=6种。答案6×2=12种。若直接乘3!=6种内部顺序,会把甲丙乙等不满足甲乙相邻的队列算入。

06

边界、反例与回顾

先查对象是否可区分 → 识别连续组和重叠 → 缩成块 → 数外部 → 数内部合法顺序 → 检查压缩还原是否唯一。动画是这一对应的示意,完整理由见上文。

07

逐章回看

点击章节标题,定位到视频中的对应讲解。全文默认展开。

甲、乙、丙、丁、戊五个不同的人排成一行,甲乙必须相邻,有多少种排法?

相邻表示中间不能插人。先把甲乙捆成一个块,和丙丁戊一起排。

外部只有四个不同对象,依次有四、三、二、一种选择,共二十四种。

每种外部顺序里,甲乙还可互换。所以二十四乘二,共四十八种。

压缩和还原一一对应。不能漏掉内部顺序,也不能再选一次块的位置。

六个不同的人中,甲乙、丙丁分别相邻。捆成两块后,外部仍是四个对象。

两块内部各有两种,得到二十四乘二乘二,共九十六种。两块之间允许相邻。

若甲乙相邻,乙丙也相邻,两块重叠,只能排成甲乙丙或丙乙甲。

内部不能算六种。捆绑前先检查对象是否相同、约束是否重叠,再数内外。