常用排列组合公式

1. 排列公式

n 个相异物件取 r1 \leq r \leq n)个的不同排列总数,为

P_r^n = n(n-1)(n-2)\cdots(n-r+1)

特别地,若 n=r,得

P_r^r = r(r-1)\cdots 1 = r!

人们常约定把 0! 作为 1。当 r 不是非负整数时,记号 r! 没有意义。

2. 组合公式

n 个相异物件取 r 个(1 \leq r \leq n)个的不同组合总数,为

C_r^n = \binom{n}{r} = \frac{P_r^n}{r!} = \frac{n!}{r!(n-r)!} = \frac{n(n-1) \cdots (n-r+1)}{r!}

r=0 时,按 0!=1 的约定,算出 \binom{n}{0} = 1,这可看作一个约定。

只要 r 为非负整数,n 不论为任何实数,都有意义。故 n 可不必限制为自然数。例如:

\binom{-1}{r} = (-1)(-2) \cdots (-r) / r! = (-1)^r

3. 组合系数与二项式展开的关系

组合系数 \binom{n}{m} 又常称为二项式系数,因为它出现在下面熟知的二项式展开的公式中:

(a+b)^n = \sum_{i=0}^n \dbinom{n}{i}a^i b^{n-i}

利用这个关系式,可得出许多有用的组合公式。例如,令 a=b=1,得

\dbinom{n}{0} + \dbinom{n}{1} + \cdots + \dbinom{n}{n} = 2^n

a = -1,b = 1,则得:

\dbinom{n}{0} - \dbinom{n}{1} + \dbinom{n}{2} - \cdots + (-1)^n\dbinom{n}{n} = 0

另一个有用的公式是

\dbinom{m+n}{k} = \sum_{i=0}^{k}\dbinom{m}{i}\dbinom{n}{k-i}

它是由恒等式 (1+x)^{m+n} = (1+x)^m(1+x)^n

\sum_{j=0}^{m+n} \dbinom{m+n}{j} x^j = \sum_{j=0}^{m} \dbinom{m}{j} x^j \sum_{j=0}^{n} \dbinom{n}{j}x^j

比较两边的 x^k 项的系数得到的。

其实,这条公式从直观上理解要更容易,即有两堆物品,第一堆有 m 件,第二堆有 n 件,要从这两堆物品中取出 k 件,有多少种取法?显然,我们可以先在第一堆取 i 件(0 \leq i \leq k),然后在第二堆取 k - i 件,则取法有 \binom{m}{i} \binom{n}{k-i} 种,把 i 的所有取值结果相加,即得上面的公式。

4. 物品分堆

n 个相异物件分成 k 堆,各堆物件数分别为 r_1, \cdots, r_k 的分法是

\frac{n!}{r_1! \cdots r_k!}

此处,r_1, \cdots, r_k 都是非负整数,其和为 n注意:这里要计较堆的次序,例如,若有 5 个物体 a,b,c,d,e 分成 3 堆,则 (ac),(d),(be)(be),(ac),(d) 应算作两种不同的分法。如果不考虑次序,还需要再除以 k!

此式常称为多项式系数,因为它是 (x_1+\cdots+x_k)^n 的展开式中 x_1^{r_1} \cdots x_k^{r_k} 这一项的系数。

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