[组合数学] 不相邻的组合数

一、从排成一行的 n 个球中选出互不相邻的 r 个球,有多少种取法?

  • n < 2r-1 时,取法为 0 种。例如 4 个球里取 3 个互不相邻的球,找不到这样的组合。
  • n \geq 2r-1 时,取法为 C_{n-r+1}^r 种。这里考虑逆向思维,先从 n-r+1 个球中任取 r 个球,取法为 C_{n-r+1}^r 种,然后再另外拿 r-1 个球插到那 r 个球的 r-1 个空位中,这样使得我们原本取出的 r 个球都互不相邻,并且最后总球数为 n 个。不难验证逆向思维得出的情况与正常考虑的情况是一一对应的,故我们可以得到上面的结论。(临界情况: n=2r-1 时,比如 5 个里取 3 个, 7 个里取 4 个,此时恰好只有 C_{n-r+1}^r = C_r^r = 1 种取法)

二、从围成一圈的 n 个球中选出互不相邻的 r 个球有多少种取法?

  • n < 2r 时,取法为 0 种。例如 4 个球围成一圈,选互不相邻的 3 个球,找不到这样的组合。
  • n \geq 2r 时,取法为 \frac{nC_{n-r}^r}{n-r} 种。首先对球进行编号 1n ,对于任何可行的组合,都只有两种情况,即包含 1 号球的和不包含 1 号球的:
    • 包含 1 号球:首先选出 1 号球,然后需要从 3 号球到 n-1 号球取出 r-1 个互不相邻的球,根据上面那道题的结论,取法为 C_{n-3-(r-1)+1}^{r-1} = C_{n-r-1}^{r-1}
    • 不包含 1 号球:我们需要从 2 号球到 n 号球取出 r 个互不相邻的球,根据上面那道题的结论,取法为 C_{n-1-r+1}^{r} = C_{n-r}^{r}

因此,当 n \geq 2r 时,取法总数为 C_{n-r-1}^{r-1} + C_{n-r}^{r} = \frac{n C_{n-r}^r}{n-r} 种。(临界情况:当 n=2r 时,例如 4 个里取 2 个,共有 \frac{2rC_{r}^r}{r} = 2 种)

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