为顺应“大众数学”的国际数学教育改革潮流,我国对排列组合知识的引入和应用介绍也越来越重视,解决这类问题的方法灵活,切入点多,且抽象性强,在做题过程中发生重复或遗漏现象不易被发现,所以成为学习难点之一。对此类问题的探讨有助于提高学生分析问题、解决问题的能力。除了课本介绍的常用方法外,用递推法来解某些排列组合应用题更具有一般性和规律性,鉴于这一方法在各类考试包括公务员考试和竞赛中应用越来越广泛,掌握和运用这种方法,就显得更加重要。
文[1]中有这样一道经典的排列组合问题:
同室4人各写一张贺年卡,先集中起来,然后每人从中拿一张别人送出的贺年卡,则4张贺年卡不同的拿法有().
A.6种B.9种C.11种D.23种
本题可用直接法(乘法原理)、间接法(四人逐一分析)、列举法(列表格)、构造法(构造三棱椎)和递推法作答。对前四种解法在此不一一赘述。经研究,发现用递推的思想解这道题,可以找到一般的递推关系,并可以利用这种递推关系解决同类型的的一些问题。下面详细介绍递推法。
递推法
我们先把文中题目所涉及的问题换一种说法.即把1,2,3,4四个数字排成一排,使得I不能排在第I位,I=1,2,3,4.求符合条件的排列数。
我们再把这问题推广为一般的模式。把1,2,3,…,n这n个数字排成一排,使得I不能排在第I 位,I=1,2,3,…,n.求符合条件的排列数。
设n个数字的这种排列数为Dn,若能推出Dn的通项公式或递推公式,那么上面的问题就迎刃而解且能解决一些较为复杂的问题。利用递推的数学思想分析如下:
容易知道D1=0,D2=1,n≥3时,考虑1,2,3,…n这n个数字的所有符合条件的排列数(以下称为n个元素的错位排列数).我们根据在排列中的第一位的数字是2,3,…,n,而将这些排列分成n-1类,显然每一类的排列数相等。令表示第一位是2的排列数。那么有Dn=(n-1)dn(1)
考察在dn中的排列,它们都是2I2I3…In的形式,其中,Ij≠j,j=2,3,…,n.我们进一步把这些排列分成两类,称I2=1的为第一子类,并把其中的排列个数记为dn';称I2≠1的为第二子类,它的排列个数记为dn'',那么有dn=dn'+dn''(2)
在第一子类中的排列具有21I3I4…In的形式,Ij≠j,j=3,4,…,n。所以dn'就是3,4,…,n,这n-2个元素的错位排列数Dn-2。在第二子类中的排列具有2I2I3…In的形式,其中I2≠1,j=3,4,…,n。所以dn''就是1,3,4,…,n,这n-1个元素的错位排列数Dn-1因此得到dn=Dn-2+Dn-1 (3)
把(3)代入(1)得Dn=(n-1)(Dn-2+Dn-1)
于是我们得到递推公式 (4)
Dn=(n-1)(Dn-2+Dn-1)D1=0,D2=1
回到原题,法五:利用递推公式(4),我们有
D3=(3-1)(D1+D2)=2×(0+1)=2,
D4=(4-1)(D2+D3)=3×(1+2)=9,
故有9种方法.
显然,递推法具有一般性,利用递推公式(4),我们还可以较易地解决一些常见的排列组合题.
例1.用1,2,3,4,5组成形如a1a2a3a4a5的五位数,但, a1≠1,a2≠2,a3≠3,a4≠4,a5≠5试求这样的五位数的个数.(选自《名校名师数学教学与训练荟萃》,原文用分析法.)
解:设这样的五位数的个数为D5.由递推公式(4)
Dn=(n-1)(Dn-2+Dn-1)D1=0,D2=1
得D3=2,D4=9,D5(5-1)(2+9)=44.
故这样的五位数有44个.
例2.一牧羊人赶着一群羊通过99个关口,每过一个关口,守关人将拿走当时羊的一半,然后退还一只,过完这些关口后牧羊人只剩2只羊,问原来牧羊人赶多少只羊?
分析:每道关口的守关人留羊的方法相同,即留下当时羊的一半再退还一只,因而牧羊人剩下当时羊的一半多一只。设过第n关后牧羊人剩下an+1只羊,则过第n关前的羊数为an只,由分析可建立数列{an}的递推关系式:
an+1=+1.即:2an+1=an+2,
由递推关系式可得:an=2(an+1-1).
将a100=2代入上式可得:a99=a98=…=a1=2,
即为牧羊人原来羊的只数——2只.
例3.有排成一行的n个方格,用红、黄、蓝三色涂每个格子,每格涂一色,要求任何相邻的格不同色,且首尾两格也不同色,问有多少种涂法?(江苏省数学夏令营)
解:设共有an种涂法,易见a1=3,a2=6,a3=6,且当n≥4时,将n个格子依次编号后,格1与格(n-1)不相邻.
情形1:格(n-1)涂色与格1不同,此时格n只有一色可涂,且前(n-1)格满足首尾两格不同色,故有种涂色方法.
情形2:格(n-1)涂色与格1相同,此时格(n-2)与格1涂色必然不同,不然,格(n-1)与(n-2)相同,于是前(n-2)格有an-2种涂色法.因为格n与格1不同色,有两种涂色法,故共有2an-2种涂色法.
综上,可得递推公式:
an=an-1+2an-2(n≥4)a1=3,a2=6,a3=6,
解得an=2n+2(-1)n.(n≥2,n∈N)
综上所述,运用递推法求解某些排列组合应用题,思路清晰,并可以找到一般的递推公式用于解决同类型的问题,既简洁又明了,有助于培养逻辑思维能力。
参考文献:
[1]吉一凡.用构造法巧解排列组合题[J].数学通报,1997,(5).
[2]赵玉勇.有条不紊—递推法破解难题[M].电脑报,2004,(7).
[3]卢开澄,卢华明.组合数学(第4版),清华大学出版社,2006,(12).