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组合计数 · 第 5 章

分类讨论

一下子数不清?把它分成互不重叠的几种情况,每种分别数,再加起来。

你需要先会
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5.10%

分类讨论基础

在本节中,你将能够 把一个计数或概率问题分成不重叠、不遗漏的几种情况,再把它们加起来。

掷两颗骰子。点数加起来等于 3 有多少种方法?你可以把 36 种结果全部列出来。也可以一次只问一个问题:如果第一颗是 1 呢?如果是 2 呢?

第二种做法就是分类讨论。把问题分成几种情况,每种情况分别数,再加起来。

注意:好的分类既不重叠,也不遗漏。这样,各种情况的个数加起来就是答案。

动手探索先玩,再学公式

两颗骰子:正在数和 = 3;还没有情况

建立情况:

两颗骰子:数出符合条件的结果 和 = 3答案: ?

    ? + ? + …

    点一个规则按钮,建立第一种情况。

    正在数:和 = 3。各种情况:还没有情况。点一个规则按钮,建立第一种情况。

    认识概念

    概念 5.1.1 · 分类讨论

    分类讨论就是在解计数或概率问题时,考虑各种不同的情况,再把它们加起来。很多计数或概率问题都可以这样解:把问题分成几种情况,分别算出每种情况的排法数或概率,最后求和。

    当没有其他明显的思路时,就可以试试分类讨论,它是 AMC 8 中最常用的技巧之一。

    好的分类要做到不重不漏:既互不重叠(没有一个结果同时属于两种情况),又完整(每个结果都属于某一种情况)。这样,各种情况的个数加起来就是答案。

    看例题先预测,再揭晓

    例 5.1

    掷两颗骰子。掷出的点数之和为 3 的方法有多少种?

    两颗骰子:正在数和 = 3;还没有情况

    建立情况:

    两颗骰子:数出符合条件的结果 和 = 3答案: ?

      ? + ? + …

      点一个规则按钮,建立第一种情况。

      正在数:和 = 3。各种情况:还没有情况。点一个规则按钮,建立第一种情况。

      1. 1

        两颗骰子的点数和为 3,有多少种方法?我们按第一颗骰子的点数分类。**情况 1:**第一颗掷出 1。第二颗必须是几?

        先预测一下:

      例 5.2

      一副牌里有 4 张红牌,分别标有 A、B、C、D,还有 4 张绿牌,也分别标有 A、B、C、D。从中发出 2 张牌。如果两张牌颜色相同,或者字母相同,就是获胜的一对。抽到获胜的一对有多少种方法?

      两张牌:正在数获胜的一对;还没有情况

      建立情况:

      两张牌:数出符合条件的牌对 获胜的一对答案: 16

        ? + ? + …

        点一个规则按钮,建立第一种情况。

        正在数:获胜的一对。各种情况:还没有情况。点一个规则按钮,建立第一种情况。

        1. 1

          抽到获胜的一对有哪几种不同的方式?一对牌能不能既颜色相同又字母相同?

          先预测一下:

        例 5.3

        Omega Learn

        Sohil 有 10 个盒子。每个盒子里都有绿、橙、红、蓝四种颜色的球各一个。他随机选一个盒子,再从这个盒子里等可能地随机取出一个球。然后他重复这个过程:随机选任意一个盒子(可以再选同一个盒子),再从那个盒子里随机取一个球。两个球颜色相同的概率是多少?

        1. 1

          Sohil 留着他取出的第一个球,不放回盒子。按什么分类比较好?

          先预测一下:
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        自己做

        习题 5.3.1

        AMC 8

        如果不考虑钞票的顺序,用 $5 的钞票和 $2 的钞票凑出总共 $17,有多少种不同的组合?

        习题 5.3.4

        AMC 8

        Paul 欠 Paula 35 美分。他的口袋里装满了 5 美分、10 美分和 25 美分的硬币,可以用来还钱。他还钱时用的硬币个数最多和最少相差多少?

        习题 5.3.6

        AMC 8

        把一枚均匀的硬币抛 3 次。至少出现 2 次连续正面的概率是多少?

        习题 5.3.3

        各位数字互不相同的三位偶数有多少个?

        两位数:正在数偶数,数字互不相同;还没有情况

        建立情况:

        两位数:数出符合条件的数 偶数,数字互不相同答案: ?

          ? + ? + …

          点一个规则按钮,建立第一种情况。

          正在数:偶数,数字互不相同。各种情况:还没有情况。点一个规则按钮,建立第一种情况。

          热身:用两位数练习同样的想法。

          竞赛角真实竞赛题

          习题 5.3.2

          AMC 8

          “Middle School Eight”篮球联盟有 8 支球队。每个赛季,每支球队都要和联盟内的其他每支球队各打两场(主场和客场各一场),每支球队还要和联盟外的对手打 4 场比赛。一个赛季中,有“Middle School Eight”球队参加的比赛一共有多少场?

          习题 5.3.5

          AMC 8

          一个正方体有多少对互相平行的棱?

          习题 5.3.7

          AMC 8

          有多少个四位正整数满足:四个数字互不相同,首位不是 0,这个数是 5 的倍数,并且 5 是其中最大的数字?

          习题 5.3.8

          AMC 10

          掷三颗均匀的六面骰子。其中两颗骰子的点数之和等于剩下那颗骰子点数的概率是多少?

          习题 5.3.12

          MATHCOUNTS

          在一场单败淘汰赛中,只剩下 Beavers、Ducks、Platypuses 和 Narwhals 四支篮球队。每一轮,各队两两比赛,每场比赛的胜者进入下一轮。如果各队随机配对,并且每支队伍赢任何一场比赛的概率都相同,那么 Ducks 和 Beavers 在两轮中的某一轮相遇的概率是多少?用最简分数表示你的答案。

          过关检测(第 5.1 节)

          3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
          1

          掷两颗骰子。掷出的点数之和等于 4 的方法有多少种?

          2

          只用 5 美分硬币(nickel)和 10 美分硬币(dime)凑出 30 美分,有多少种方法?硬币的顺序无关。

          3

          掷三颗不同的均匀四面体骰子,每颗的各面分别标有 1、2、3、4。掷出的点数之和为 7 的方法有多少种?

          5.20%

          更难的分类讨论例题

          在本节中,你将能够 选一个分类标准,当某种情况还太大时,再分成子情况。

          有些问题需要情况里面套情况。想象一棵树:树干分成几根大树枝,大树枝又能分成更小的树枝。数出所有的叶子,再加起来。

          选一个分类标准,比如蓝盒子的个数或者百位数字。如果某种情况还是很难,就再分一次。

          动手探索先玩,再学公式

          各位数字之和为 3 的三位数:7 种最底层的情况,3 + 2 + 1 + 0 = 6 个数

          ?
          • ?
          • ?
          • 百位是 3:只有 300
          • 百位是 4 或更大
          已数出 7 种情况中的 0 种

          各位数字之和为 3 的三位数:已数出 7 种情况中的 0 种

          认识概念

          注 5.2.1

          做分类讨论题时,选一个特征作为分类标准,然后求出每种情况下的方法数。在上一题中,这个特征是蓝盒子的个数。有时题目还需要子情况:一种情况里面再分情况。

          看例题先预测,再揭晓

          例 5.4

          Omega Learn

          有 3 个相同的蓝盒子、6 个相同的绿盒子和 5 件互不相同的物品。每件物品都必须放进一个绿盒子或蓝盒子里,每个盒子最多放 1 件物品。假设所有盒子都不相同,有多少种放法?

          放进蓝盒子的物品:正在数放得下(≤ 3 个蓝盒);还没有情况

          建立情况:

          放进蓝盒子的物品:数出符合条件的方法 放得下(≤ 3 个蓝盒)答案: 26

            ? + ? + …

            点一个规则按钮,建立第一种情况。

            正在数:放得下(≤ 3 个蓝盒)。各种情况:还没有情况。点一个规则按钮,建立第一种情况。

            每块方格列出了放进蓝盒子的物品。
            1. 1

              要把 5 件物品放进 9 个盒子中的 5 个。怎样把这个问题分成几种情况?一共有几种情况?

              先预测一下:

            例 5.5

            AMC 8

            在 3×3 方格的 9 个小方格中,每格放一个 △\triangle 或一个 ◯\bigcirc。下图是一种示例摆法,其中有三个 △\triangle 连成一条线。有多少种摆法既有三个 △\triangle 连成一条线,又有三个 ◯\bigcirc 连成一条线?

            1. 1

              △\triangle 组成的线和 ◯\bigcirc 组成的线能共用一个方格吗?

              先预测一下:
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            自己做

            习题 5.3.11

            Omega Learn Math Contest

            给定集合 {1,2,3,4,5,6,7}\{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7\},它有多少个非空子集,使得子集中元素的和是偶数?

            习题 5.3.22(补充题)

            BMMT

            在 Berkeley Sandwich Parlor,著名的 BMT 三明治在两片面包之间最多夹五份配料。配料可以是培根(bacon)、蛋黄酱(mayo)或番茄(tomato),同一种配料之间不可区分。如果三明治里每种配料都至少要有一份,并且配料放进三明治的顺序有区别,那么做一个 BMT 三明治一共有多少种方法?

            习题 5.3.23(补充题)

            Omega Learn

            有多少个四位数满足:第 2 位是偶数,第 3 位是 3 的倍数但不是 2 的倍数,第 4 位是 4 的倍数,并且所有数字都大于 0 且互不相同?

            竞赛角真实竞赛题

            习题 5.3.9

            AMC 10

            把 abcdabcd 重新排列,要求任意两个相邻的字母在字母表中都不相邻,这样的排列有多少种?例如,这样的排列中不能出现 abab 或 baba。

            习题 5.3.10

            AMC 10

            某个州的车牌由 4 个数字(可以相同)和 2 个字母(也可以相同)组成。这六个字符可以按任意顺序出现,只是两个字母必须相邻。一共可能有多少种不同的车牌?

            习题 5.3.13

            AMC 10

            一位农民的长方形田地被分成 2×2 的方格,共 4 块长方形区域,如图所示。农民要在每块区域种一种作物:玉米、小麦、大豆或土豆。农民不想在任何两块有公共边界的区域分别种玉米和小麦,也不想在任何两块有公共边界的区域分别种大豆和土豆。在这些限制下,农民为田地的四块区域选择作物,有多少种方法?

            习题 5.3.14

            AMC 10

            把 3 个不可区分的红色筹码、3 个不可区分的蓝色筹码和 3 个不可区分的绿色筹码放进 3×33 \times 3 方格的小方格中,要求任意两个同色筹码都不能上下或左右直接相邻,有多少种放法?

            过关检测(第 5.2 节)

            3 题中答对 2 题即可掌握本节。每题只有一次机会,没有提示。
            1

            有 2 个相同的蓝盒子、5 个相同的绿盒子和 4 件互不相同的物品。每件物品单独放进一个盒子。有多少种放法?

            2

            各位数字之和为 4 的三位数有多少个?

            3

            你想数出两颗骰子点数和为 5 的结果数。下面哪一组分类既互不重叠又完整?

            5.3

            练习题

            在本节中,你将能够 在竞赛题中,把分类讨论和你学过的其他方法结合起来。

            来一次大综合!骰子、数字、硬币和方格。动手数之前,先问自己:我该按什么分类?每道题都有三条提示,卡住了就看看。

            想在一页里看到本章所有的题目吗?打开习题集。

            综合练习

            习题 5.3.20(补充题)

            掷三颗不同的均匀四面体骰子,每颗的各面分别标有 1、2、3、4。掷出的点数之和为 7 的方法有多少种?

            习题 5.3.16(补充题)

            AMC 8

            三个正整数 aa、bb、cc 相乘,积是 100。假设 a<b<ca < b < c。这三个数有多少种选法?

            习题 5.3.17(补充题)

            AMC 8

            回文数是从左往右读和从右往左读都一样的数。(例如,12321 是回文数。)设 NN 是不是回文数、但能表示为三个互不相同的两位回文数之和的最小三位整数。NN 的各位数字之和是多少?

            习题 5.3.24(补充题)

            MATHCOUNTS

            40,231 是一个五位正整数,它用到了五个连续的数字,只是不一定按顺序排列。这样的五位数有多少个?

            竞赛角真实竞赛题

            习题 5.3.15(补充题)

            AMC 8

            Abby、Bridget 和她们的四位同学要坐成两排、每排三人拍集体照,如图所示。

            XXXXXX\begin{matrix} X & X & X \\ X & X & X \end{matrix}

            如果座位是随机分配的,Abby 和 Bridget 在同一排或同一列中相邻的概率是多少?

            习题 5.3.18(补充题)

            EMCC

            Fred 和 George 有一颗均匀的 8 面骰子,各面上写着数字 0,1,2,9,2,0,1,1。如果 Fred 和 George 各掷一次骰子,Fred 掷出的数比 George 大的概率是多少?

            习题 5.3.19(补充题)

            AMC 12

            在一颗标准骰子上随机去掉一个点,每个点被选中的可能性相同。然后掷这颗骰子。朝上的一面点数为奇数的概率是多少?

            习题 5.3.21(补充题)

            EMCC

            Chad 和 Jordan 各自独立地选一个两位正整数,然后把这两个数相乘。乘积的个位是 0 的概率是多少?

            习题 5.3.25(补充题)

            MATHCOUNTS

            在图中的方格里,每次水平或竖直移动一格,可以重复经过方格,拼出单词“QUEUE”有多少种方法?

            习题 5.3.26(补充题)

            EMCC

            Jasmine 掷一颗均匀的六面骰子(各面标有 1 到 6)和一颗均匀的二十面骰子(各面标有 1 到 20)。两次掷出的数之积加上两次掷出的数之和,结果是 3 的倍数的概率是多少?