Розміщення без повторень
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Формула Aₙᵏ = n! / (n − k)! для впорядкованого вибору: посади, призові місця, прапори, коди без повторень, турніри у два кола. Як тестом «поміняй двох місцями» відрізнити розміщення від комбінації та перестановки.
У комбінаториці ми часто стикаємося із ситуацією, коли з кількох різних об’єктів треба вибрати кілька й розставити їх у певному порядку. Наприклад, з 25 учнів класу обрати старосту й заступника — це не просто "двоє людей", а конкретні ролі: та сама пара в різних ролях дає різний результат. Саме для таких задач існує поняття розміщення без повторень.
Що таке розміщення без повторень
Розміщенням з n елементів по k (позначають Aₙᵏ) називають упорядкований набір із k різних елементів, вибраних із даної множини, що містить n різних елементів, причому k ≤ n. Слово «упорядкований» — ключове: зміна порядку елементів дає нове розміщення, навіть якщо склад вибраних той самий.
Формула для обчислення числа розміщень:
Ця формула є в довідкових матеріалах НМТ, тому запам’ятовувати її не обов’язково — важливо розуміти, як нею користуватися.
Як обчислювати: добуток k спадних множників
На практиці зручніше не обчислювати факторіали окремо, а записати Aₙᵏ як добуток k послідовних спадних множників, починаючи з n:
Чому так? За правилом добутку: на першу позицію можна поставити будь-якого з n кандидатів; після цього на другу позицію залишається n − 1 кандидатів (одного вже використали); на третю — n − 2; і так далі, поки не виберемо всі k позицій. Перемноживши ці числа, отримуємо шукану кількість.
Приклади:
Окремі випадки
Формула | Значення | Пояснення |
|---|---|---|
Aₙ¹ | n | Вибираємо один елемент із n — можливих варіантів рівно n |
Aₙⁿ | n! | Вибираємо всі n елементів і розташовуємо їх у певному порядку — це перестановка Pₙ |
Aₙ⁰ | 1 | Один спосіб — нічого не вибирати |
Зверни увагу: Aₙⁿ = n! = Pₙ. Перестановка — це окремий випадок розміщення, коли вибирають усі елементи.
Приклад: староста й заступник
У класі 25 учнів. Треба обрати старосту та його заступника. Скількома способами це можна зробити?
Маємо n = 25 учнів, вибираємо k = 2 особи на різні посади. Порядок важливий: «староста Іван, заступник Олена» і «староста Олена, заступник Іван» — це два різні варіанти. Тому:
Отже, існує 600 способів обрати старосту й заступника.
Розміщення виникають скрізь, де ми розподіляємо різні ролі, місця або позиції між об'єктами. Розгляньмо кілька типових сценаріїв.
Посади та призові місця
Якщо з n людей треба призначити на k різних посад, кількість способів — це Aₙᵏ. Кожна посада — унікальна роль, тому порядок призначення має значення.
Голова, секретар і скарбник з 12 членів клубу: способів.
Золото, срібло й бронза серед 8 команд: варіантів розподілу медалей.
Розклад занять і прапори
Коли з набору предметів чи кольорів треба вибрати кілька й розташувати їх у певному порядку (наприклад, у розкладі уроків або на прапорі), знову працюють розміщення.
4 різні уроки в понеділок з 9 предметів: варіанти розкладу.
Прапор із трьох горизонтальних смуг різних кольорів, якщо є тканина 6 кольорів: різних прапорів.
Турнір у два кола
У спортивних турнірах, де кожна пара команд грає двічі (вдома й на виїзді), кількість матчів дорівнює Aₙ². Для n команд кожна зустріч — це впорядкована пара (господар, гість), тому порядок важливий.
Наприклад, для 10 команд: матчів.
Коди й числа з різних цифр
Особливість задач із цифрами — нуль не може стояти на першому місці числа (бо тоді це не число, а набір цифр). Розгляньмо два випадки.
Чотирицифровий код (пін-код) із різних цифр 0–9: тут код може починатися з нуля, тому просто .
Тризначні числа з різними цифрами: нуль на першому місці не можна. Є два способи розв'язання:
Безпосередньо: на перше місце — 9 цифр (1–9), на друге — 9 (будь-яка з 10, крім першої), на третє — 8. Разом: 9 · 9 · 8 = 648
Через розміщення: спочатку A₁₀³ = 720, потім віднімаємо ті, що починаються з нуля: A₉² = 9 · 8 = 72. 720 − 72 = 648
Запам'ятай: коли обчислюєш кількість чисел (не кодів!), завжди перевіряй, чи може нуль стояти на першому місці. Якщо ні — відніми варіанти з нулем попереду.
Найскладніше в задачах на комбінаторику — зрозуміти, яку формулу застосувати: розміщення, комбінацію чи перестановку. Розберімося раз і назавжди.
Тест «поміняй двох місцями»
Уяви, що ти вже вибрав k об'єктів. Поміняй двох із них місцями. Якщо отримав інший варіант — це розміщення. Якщо той самий — це комбінація.
Ситуація | Тест | Формула | Приклад |
|---|---|---|---|
Староста й заступник | Поміняли — новий варіант | A₂₅² | 600 |
Двоє чергових | Поміняли — той самий | C₂₅² | 300 |
Розсадка 8 гостей | Усі різні місця | P₈ = 8! | 40 320 |
Зв'язок між розміщеннями та комбінаціями
Існує простий зв'язок:
Спершу ми вибираємо k елементів без урахування порядку — це можна зробити Cₙᵏ способами. Потім упорядковуємо вибрану групу — це можна зробити k! способами. Перемноження дає кількість розміщень.
Наприклад: A₂₅² = 600, а двох однакових чергових з 25 учнів можна вибрати C₂₅² = 600 / 2! = 600 / 2 = 300 способами. Формула Cₙᵏ також є в довідкових матеріалах НМТ, а докладно ми розглянемо її в наступному юніті «Комбінації без повторень».
Розміщення чи перестановка?
Тут усе просто:
Якщо вибирають усі n елементів — це перестановка Pₙ (або Aₙⁿ, що те саме).
Якщо вибирають лише частину (k < n) — це розміщення Aₙᵏ.
Рівняння з розміщеннями
Іноді в задачі дано кількість варіантів, а треба знайти n. Наприклад:
Корені: n = 8 або n = −7. Від'ємний корінь відкидаємо, бо кількість елементів — натуральне число. Отже, n = 8.
Ще один приклад: турнір у два кола, зіграно 30 матчів. Скільки команд?
(корінь −5 відкидаємо).
Розв'яжемо кілька типових задач НМТ на розміщення. Уважно стеж за ходом думки — саме він допоможе тобі на тесті.
Приклад 1. Конкурс проєктів
Завдання. У конкурсі беруть участь 9 проєктів. Журі визначає переможця, друге й третє місця. Скільки існує варіантів розподілу цих місць?
Розв'язання. Маємо 9 проєктів (n = 9), і треба розподілити 3 різні місця (k = 3). Кожне місце унікальне: бути першим — не те саме, що другим. Отже, порядок важливий — це розміщення.
Відповідь: 504.
Чому інші варіанти неправильні:
84 — це C₉³ (комбінація), тобто вибір трьох проєктів без урахування місць. Порядок місць тут проігноровано.
729 — це 9³, коли припускають, що один проєкт може зайняти кілька місць (повторення), але проєкти різні.
27 — це 9 · 3, примітивне множення n на k.
362 880 — це 9!, тобто перестановка всіх 9 проєктів, а не вибір трьох.
Приклад 2. Чотирицифрові числа з непарними цифрами
Завдання. Скільки існує чотирицифрових чисел, у записі яких усі цифри різні й непарні?
Розв'язання. Непарні цифри: 1, 3, 5, 7, 9 — усього 5 цифр. Оскільки нуля серед них немає, проблема першої цифри не виникає. Маємо n = 5, k = 4, порядок важливий (різні числа — різний порядок цифр).
Відповідь: 120.
Поширені помилки: 625 = 5⁴ — допускають повторення цифр, а за умовою всі цифри різні. 5 = C₅⁴ — вибирають чотири цифри без урахування порядку, але різний порядок дає різні числа.
Приклад 3. Прапор із трьох смуг
Завдання. Скільки різних прапорів із трьох горизонтальних смуг можна скласти з тканини 7 кольорів, якщо всі смуги різного кольору?
Розв'язання. Маємо 7 кольорів (n = 7), обираємо 3 смуги (k = 3). Смуги розташовані в певному порядку: верхня, середня, нижня — зміна порядку кольорів дає інший прапор. Отже, це розміщення.
Відповідь: 210.
Дистрактори: 35 = C₇³ (комбінація — не враховують порядок смуг); 343 = 7³ (повторення кольорів дозволені); 21 = 7 · 3 (просте множення); 5 040 = 7! (перестановка всіх семи кольорів).
Приклад 4. Шаховий турнір
Завдання. У шаховому турнірі кожен учасник зіграв з кожним по дві партії — білими й чорними. Усього зіграно 132 партії. Скільки було учасників?
Розв'язання. Для n учасників кожна пара грає дві партії (одну білими, одну чорними); партію задає впорядкована пара «хто грає білими, хто — чорними», тому кількість партій — це Aₙ²:
Корені: n = 12 та n = −11. Від'ємний корінь відкидаємо.
Відповідь: 12 учасників.
Пастка: деякі учні помилково ділять на 2, розв'язуючи рівняння n(n−1)/2 = 132. Воно не має натурального розв'язку, бо n² − n − 264 = 0 дає дискримінант 1 + 1 056 = 1 057, який не є повним квадратом.
Приклад 5. Прибираємо чи чергуємо?
Завдання. З 8 учнів вибирають двох. У першому випадку обоє прибирають клас, у другому один миє дошку, а другий поливає квіти. Скільки способів вибору в кожному випадку?
Розв'язання. Перший випадок: обоє виконують однакову роботу. Порядок неважливий — це комбінація:
Другий випадок: роботи різні (мити дошку ≠ поливати квіти). Порядок важливий — це розміщення:
Відповідь: 28 і 56 (спочатку для однакових ролей, потім для різних).
Дистрактори: «56 і 28» — переплутали місцями; «56 і 56» — не помітили різниці в ролях; «16 і 64» — примітивне множення; «28 і 28» — не врахували, що в другому випадку ролі різні.
Розберемо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні на НМТ в задачах на розміщення. Уникаючи їх, ти збережеш дорогоцінні бали.
Застосовують комбінації замість розміщень. Коли ролі різні (посади, призові місця), учні іноді обчислюють C₂₅² = 300 замість A₂₅² = 600. Перевіряй тестом «поміняй двох місцями».
Множать n на k або підносять n до степеня k. Наприклад, замість A₉³ = 504 пишуть 9 · 3 = 27 або 9³ = 729. Запам'ятай: розміщення — це добуток k спадних множників, а не множення на k.
Беруть неправильну кількість множників. Наприклад, A₁₀³ = 10 · 9 = 90 (тільки 2 множники замість 3) або 10 · 9 · 8 · 7 = 5 040 (4 множники замість 3). Кількість множників має дорівнювати k.
Рахують числа, не враховуючи нуль на першому місці. У тризначних числах з різними цифрами часто отримують 720 (A₁₀³) замість правильних 648. Не забувай: нуль не може бути першою цифрою числа.
Плутають знаменник у формулі. Пишуть n! / k! замість n! / (n − k)!. Наприклад, A₇³ = 7! / 3! = 840 (неправильно) замість 7! / 4! = 210 (правильно). Перевіряй через добуток k множників.
У рівнянні Aₙ² = 56 розв'язують n² = 56. Це дає n ≈ 7,5, що не є цілим числом. Правильно: n(n − 1) = 56, тобто квадратне рівняння n² − n − 56 = 0. Також не забувай відкидати від'ємний корінь.
Розміщення без повторень входять до теми програми НМТ з математики «Перестановки, комбінації, розміщення (без повторень)…» розділу «Елементи комбінаторики, початки теорії ймовірностей та елементи математичної статистики». У програмі зазначено: означення розміщення (без повторень) і вміння «розв'язувати задачі на … розміщення (без повторень)».
Довідкові матеріали
На НМТ ти отримаєш довідкові матеріали, у яких є всі три формули:
— перестановки
— розміщення
— комбінації
Увага! Довідка не підказує, яку з формул застосувати. Це вирішує питання «чи важливий порядок». Якщо порядок має значення — бери розміщення. Якщо ні — комбінації. Якщо використовуються всі елементи — перестановки.
Формати завдань
Номери завдань | Тип | Бали | Особливості |
|---|---|---|---|
1–15 | Вибір однієї відповіді (А–Д) | 0 або 1 бал | Типові хибні варіанти: Cₙᵏ, nᵏ, n · k |
19–22 | Коротка відповідь (число) | 0 або 2 бали | Лише число; у демоваріанті 2026 комбінаторику перевіряє завдання 20 |
Стратегія
Факторіали не обчислюй повністю. Відразу скорочуй до добутку k множників. Наприклад, A₁₀³ = 10! / 7! = 10 · 9 · 8 = 720 — не треба розписувати 10! повністю.
Застосовуй тест «поміняй двох місцями». Це займає 2 секунди, але рятує від найпоширенішої помилки — вибору комбінації замість розміщення.
Перевіряй нуль на першому місці. Якщо в задачі про числа фігурує цифра 0, завжди уточнюй, чи може число починатися з нуля.
Чим розміщення відрізняється від комбінації?
У розміщенні порядок вибраних елементів важливий, у комбінації — ні. Наприклад, обрати старосту й заступника (різні ролі) — розміщення: «Іван — староста, Олена — заступник» і «Олена — староста, Іван — заступник» — це два різні варіанти. А обрати двох чергових (однакова робота) — комбінація: який би порядок ми не взяли, це та сама пара чергових. Кількісно: A₂₅² = 600, C₂₅² = 300.
Чому в розміщенні стільки множників, скільки елементів вибираємо?
За правилом добутку: на першу позицію претендують n кандидатів, на другу — n − 1 (одного вже використали), на третю — n − 2, і так далі. Цей ланцюжок триває, поки ми не заповнимо всі k позицій. Отже, множників буде рівно k — стільки, скільки позицій заповнюємо. Останній множник — (n − k + 1).
Чи можна розв'язати задачу на розміщення без формули?
Так, за допомогою правила добутку. Для кожної позиції перераховуйте, скільки кандидатів залишилося, і перемножуйте. Формула Aₙᵏ — це той самий добуток, лише у згорнутому вигляді. На НМТ зручніше користуватися формулою з довідки, але якщо ти її забув — правило добутку завжди врятує.
Як бути, якщо серед цифр є нуль?
Якщо мова про код (пін-код, комбінація замка) — нуль може стояти першим. Якщо мова про число — нуль не може бути першою цифрою. У такому разі рахуй окремо: спочатку A₁₀ᵏ для всіх варіантів, потім відніми ті, що починаються з нуля (це A₉ᵏ⁻¹). Або рахуй безпосередньо: на перше місце — 9 цифр (1–9), на решту — розміщення з 9 цифр, що залишилися.
Чому перестановка — окремий випадок розміщення?
Перестановка — це впорядкування всіх n елементів. Розміщення Aₙᵏ — це впорядкування лише k елементів з n. Якщо k = n, то Aₙⁿ = n! / 0! = n! = Pₙ. Тобто перестановка — це розміщення, у якому вибирають усі елементи. Формула для розміщення універсальніша, але для повного набору зручніше писати Pₙ = n!.
Розміщення Aₙᵏ — вибираємо k з n різних елементів, і порядок (ролі) важливий.
— рівно k множників.
— перестановка, .
Поміняли двох вибраних місцями й отримали новий варіант — розміщення; той самий — комбінація.
— зв'язок між розміщеннями та комбінаціями.
У задачах на числа нуль не може бути першою цифрою — враховуй це при обчисленні.
Рівняння Aₙ² = m зводиться до квадратного рівняння n² − n − m = 0; від'ємний корінь відкидай.