排列与组合的一些定理教案_平行轴定理推导

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一，加法原理与乘法原理

加法原理与乘法原理是排列与组合的基础。加法原理本质上是分类，乘法原理本质上是分步。

分类，就是把一个集合(某事物)分成互不相交的若干独立的部分。比如，概率论中的全概率公式就将事件分成”全划分“

分类思想可以简化程序的时间复杂度。比如：最短路径算法-Dijkstra算法的应用之单词转换(词梯问题)

分步，就是第一步干嘛，第二步再干嘛……比如A地到D地，第一步：先到达B地；第二步，再到达C地

二，排列

P(n,r)表示从n个数中选择r个数的一个全排列

公式：P(n,r)=P(n-1,r)+p(n-1,r-1)*r

上面公式用到了分类思想：对于某个元素而言，要么选，要么不选。如果不选它，则在剩下的n-1个元素中选r个进行全排列；如果选了它，则在剩下的n-1个元素中只需要选r-1个元素进行全排列了。但是选了的那个元素，一共有r种位置存放（因为这是排列，同一个元素放在不同的位置属于不同的排列）故p(n-1,r-1)*r。

排列一共有三种：①线排列，就是通常的普通排列。

公式：P(n,r)=n!/(n-r)!

②圆排列，相当于排序的数围成一个圆。比如循环队列的那种实现方式。举个圆排列的例子如下：

a b c d四个字母的线排列共有4!=24种。对于其中的一种排列： a b c d ，它对应着四种等价圆排列：

1) a b c d 2) b c d a 3)c d a b 4)d a b c

因此，对于给定n个数的所有圆排列，一共有 p(n,r)/r种。因为，一个圆排列可以产生r个线排列。

③重排列

对于线排列而言，某个元素选了之后，就不能再选了（一个元素只能选一次）

对于重排列而言，一个元素可以选多次。

集合{∞·b₁，∞·b₂，….，∞·b_n}的一个r排列个数为：n^r

即从b₁，b₂…b_n，共n个元素中选出r个，每个元素可选任意多次，一共有种n^r排列

还有一种重排列是：每个元素最多只能选K次(某个固定的次数)

{K₁·b₁，K₂·b₂，….，Kn·b_n}（元素b₁最多只能选K₁次）的一个r排列个数为：(K₁+K₂+….+K_n)!/(K₁!K₂!…K_n!)

上面表示从b₁，b₂…b_n，共n个元素中选出r个进行排列，但是 b_j最多只能选K_j次，一共有(K₁+K₂+….+K_n)!/(K₁!K₂!…K_n!)次排列方式。

三，组合

C(n,r)表示从n个数中选择r个数的一个全组合。

公式：C(n, r)=[n!/(r!)(n-r)!]=P(n,r)/r!

公式：C(n,r)=C(n-1,r)+C(n-1,r-1) 这个公式用到了分类思想。对于n个元素的某个元素，要么选，要么不选。

如果选了，只需在剩下的n-1 个元素中选 r-1个；如果不选，则在剩下的n-1个元素中选r个（因为一共要选r个啊）。

这个公式非常有用，这是杨辉三解公式：其中基准条件C(n,0)=1，C(i,i)=1

C(0,0)

C(1,0) C(1,1)

C(2,0) C(2,1) C(2,2)

C(3,0) C(3,1) C(3,2) C(3,3)

….. ….. …..

如果要求解C(n,r)，可以先求解出C(n-1,r) 和 C(n-1,r-1)；再运用公式相加即可。很明显，这是一个与Fib数列类似的递归计算。只不过求Fib(n)时，只有一个参数，而这里有二个参数而已。当然，上面的程序效率是非常低的，因为它重复计算了很多子问题。代码实现如下：

 1 public class YanHuiTriangle {
 2     //compute C(n,r)
 3     public static long c(int n, int r){
 4         if(n == 0 || r == 0)
 5             return 1;//base condition
 6         if(n == r)
 7             return 1;//base condition
 8         else
 9             return c(n-1, r-1) + c(n-1, r);
10     }
11 
12     //compute c(n,r)
13     public static long c_dp(int n ,int r){
14         long[][] dp = new long[n+1][r+1];
15         
16         //init
17         for(int i = 0; i <= n; i++)
18             dp[i][0] = 1;//if(n==0)
19         for(int i = 0; i <= r; i++)
20             dp[0][i] = 1;//if(r==0)
21         for(int i = 0; i <= r; i++)//Assume r < n
22             dp[i][i] = 1;//if(n==r)
23         
24         for(int i = 1; i <= n; i++)
25         {
26             for(int j = 1; j <= r; j++)
27             {
28                 if(j < i)
29                     dp[i][j] = dp[i-1][j] + dp[i-1][j-1];
30                 else if(j > i)//从 i 个元素中选取出 j个元素(j>i 没有意义)
31                     dp[i][j] = 0;
32             }
33         }
34         return dp[n][r];
35     }
36     
37     public static void main(String[] args) {
38         
39         long start_dp = System.currentTimeMillis();
40         System.out.println(c_dp(50, 10));
41         long end_dp = System.currentTimeMillis();
42         System.out.println("dp use time: " + (end_dp - start_dp) + "ms");
43         
44         long start = System.currentTimeMillis();
45         System.out.println(c(50,10));
46         long end = System.currentTimeMillis();
47         System.out.println("non dp use time: " + (end - start) + "ms");
48     }
49 }