Комбинаторика и вероятность

Работа из раздела: «Математика»

/

Федеральное агентство по образованию

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнёва

Новоселов О.В., Скиба Л.П.

КОМБИНАТОРИКА И ВЕРОЯТНОСТЬ

Учебное пособие для слушателей подготовительных курсов

Красноярск 2009

УДК 519

Рецензенты: Балашова О.Ю., канд. физ. - мат. наук, проф. каф. высшей математики СибГАУ

Пашковская О.В., канд. физ. - мат. наук, доц. каф. «Математика» КрИЖТ ИрГУПС

Печатается по решению методического совета ИИКТ

Новоселов Олег Вадимович

Скиба Людмила Петровна

Новоселов О.В. Комбинаторика и вероятность: учебн. пособие для слушателей подготовит. курсов / О. В. Новоселов, Л.П. Скиба. СибГАУ, Красноярск, 2009. - 78 с.

Настоящее учебное пособие предназначено для слушателей подготовительных курсов и абитуриентов. В пособии разобраны основные принципы и формулы классической комбинаторики, а также приведено большое число примеров. Кроме того, приведены примеры использования методов комбинаторики в теории вероятностей.

© Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнёва , 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в связи с введением в школьный стандарт математического образования элементов комбинаторики и теории вероятностей, остро встают проблемы методической обеспеченности школьников и абитуриентов соответствующей литературой.

О необходимости изучения в школе элементов комбинаторики и теории вероятностей речь идет очень давно. Так ещё в 1899 году попечитель Московского учебного округа профессор П. А. Некрасов на совещании по вопросам о средней школе говорил об огромном значении в школьном образовании того, что сейчас принято называть стохастической линией в преподавании математики. Методические указания как раз и посвящены изложению тех понятий, фактов, задач и обстоятельств, с которых, собственно, берет свое начало эта самая стохастическая линия.

В школьном стандарте по математике перечисляются следующие вопросы комбинаторики и теории вероятностей.

«Поочередный и одновременный выбор нескольких элементов из конечного множества. Формулы числа перестановок, сочетаний, размещений. Решение комбинаторных задач. Формула бинома Ньютона. Свойства биномиальных коэффициентов. Треугольник Паскаля.

Элементарные и сложные события. Рассмотрение случаев и вероятность суммы несовместных событий, вероятность противоположного события. Понятие о независимости событий. Вероятность и статистическая частота наступления события».

Цель указаний: дать некоторый минимум, доступный слушателям подготовительных курсов и достаточный для формирования у них первоначальных комбинаторно-вероятностных представлений (в рамках школьного стандарта).

Главной целью изучения элементов комбинаторики является формирование специального типа мышления - комбинаторного, связанного с перебором и подсчетом числа конфигураций элементов, удовлетворяющих определенным условиям. Существенность развития комбинаторных возможностей интеллекта учащихся очевидна и с общих позиций теории развития личности, и с точки зрения различного рода практических приложений.

Знакомство с теорией вероятностей происходит в последних пяти параграфах. Собственно, никакой теории нет. Изложение ведется в рамках классического определения вероятности и, по существу, представляет собой практический полигон, на котором применяются полученные ранее комбинаторные навыки.

ВВЕДЕНИЕ

Когда кончается игра в три кости,

То проигравший снова их берет

И мечет их один в унылой злости.

Данте «Божественная комедия»

Комбинаторика - это раздел дискретной математики, посвященный решению задач выбора и расположения элементов в соответствии с каким-либо правилом. Например, сколькими способами можно выбрать 6 карт из колоды, состоящей из 36 карт; или сколькими способами можно составить очередь, состоящей из10 человек и т.д. Каждое правило в комбинаторике определяет способ построения некоторой конструкции, составленной из элементов исходного множества и называемой комбинацией. Основная цель комбинаторики состоит в подсчете количества комбинаций, которые можно составить из элементов исходного множества в соответствии с заданным правилом. Простейшими примерами комбинаторных конструкций являются перестановки, размещения и сочетания.

Представителям самых различных специальностей приходится решать задачи, в которых рассматриваются те или иные комбинации, составленные из букв, цифр или иных объектов. Например, начальнику цеха надо распределить несколько видов работ между имеющимися станками, агроному - разместить посевы сельскохозяйственных культур на нескольких полях, заведующему учебной частью школы - составить расписание уроков, лингвисту - учесть различные варианты значений букв незнакомого языка и т.д. Область математики, в которой изучаются вопросы о том, сколько различных комбинаций, подчиненных тем или иным условиям, можно составить из заданных объектов, называется комбинаторикой.

Теория вероятностей - это раздел математики, изучающий закономерности, присущие случайным явлениям. Казалось бы, «закономерность» и «случай» - противоположности. Закономерное - то, что в какой-то мере можно предсказать, случай же - как раз нечто непредсказуемое. Тем не менее, и случайным явлениям, не предсказуемым в полной мере, оказывается, могут быть присущи определенные закономерности, касающиеся большого числа однотипных случайных явлений, выполняющиеся приблизительно, в среднем.

В повседневной речи мы часто употребляем слова: «случайность», «случай» и другие. Например, мы говорим, что «это была случайность, что я завалил экзамен»; или «только случай помог кораблю вернуться в порт приписки после долгих странствий». В обыденном представлении случай противопоставляется закономерности, является чем-то, что нарушает ход событий. Но так ли это на самом деле? Если выучить только 5 вопросов из 25, то будет ли случайностью двойка на экзамене? Скорее закономерностью, хотя вероятность сдачи все-таки есть. Поэтому случайные события также подчиняются своим закономерностям. Изучение этих закономерностей и занимается наука о случайном - теория вероятностей.

Комбинаторика и теория вероятностей, подобно другим математическим наукам, развилась из потребностей практики.

Систематические исследования в области комбинаторики и теории вероятностей началось в XVI в. В жизни привилегированных слоёв тогдашнего общества большое место занимали азартные игры, широко были распространены всевозможные лотереи. В связи с этим, первые комбинаторные и вероятностные задачи касались в основном азартных игр - вопросов, сколькими способами можно выбросить данное число очков, бросая две или три кости, или сколькими способами можно получить двух королей в данной карточной игре, каковы шансы выиграть в той или иной ситуации. Но они навсегда остались бы салонными играми, если бы и в практической деятельности (например, в статистике населения) не пришлось решать схожих задач.

Возникновение теории вероятностей и комбинаторики как науки относится в середине XVII в. и связано с исследованиями Б. Паскаля (1623-1662), П. Ферма (1601-1665) и Х. Гюйгенса (1629-1695) в области теории азартных игр. В этих работах постепенно формировались такие важные понятия, как вероятность и математическое ожидание; были установлены свойства и приёмы их вычисления. Особенно большую роль здесь сыграла задача о разделе ставки, которую предложил Паскалю его друг шевалье де Мере, страстный игрок. Проблема состояла в следующем: «матч» в орлянку ведётся до шести выигранных партий; он был прерван, когда один игрок выиграл 5 партий, а другой - 4; как разделить ставку? Было ясно, что раздел в отношении 5:4 несправедлив. Применив методы комбинаторики, Паскаль решил эту задачу. Он рассуждал так:

«Предположим, что ставка каждого игрока составляет 32 червонца и что первому не хватает одной партии до выигрыша, а второму двух. Им предстоит сыграть еще одну партию. Если ее выиграет первый, он получит всю сумму, то есть 64 червонца; если второй, у каждого будет по две победы, шансы обоих станут равны, и в случае прекращения игры каждому, очевидно, надо дать поровну. Итак, если выиграет первый, он получит 64 червонца. Если выиграет второй, то первый получит лишь 32. Поэтому, если оба согласны не играть предстоящей партии, то первый вправе сказать: 32 червонца я получу во всяком случае, даже если я проиграю предстоящую партию, которую мы согласились признать последней. Стало быть, 32 червонца мои. Что касается остальных 32 - может быть, их выиграю я, может быть, и вы; поэтому разделим эту сомнительную сумму пополам. Итак, если игроки разойдутся, не сыграв последней партии, то первому надо дать 48 червонцев, или же 3/4 всей суммы, второму 16 червонцев, или 1/4, из чего видно, что шансы первого из них на выигрыш втрое больше, чем второго (а не вдвое, как можно было бы подумать при поверхностном рассуждении).»

Другое, более общее, решение дал Ферма. Эти труды Паскаля и Ферма, составившие основу теории вероятностей, одновременно содержали принципы определения числа комбинаций элементов конечного множества, устанавливая тем самым ставшую затем традиционной связь комбинаторики с теорией вероятностей.

Большой вклад в систематическое развитие комбинаторных методов был сделан Г. Лейбницем (1646-1716) в его диссертации «Комбинаторное искусство» (1666), где, по-видимому, впервые появился термин «комбинаторный». Большое значение для становления теории вероятностей и комбинаторики имела работа Я. Бернулли (1654-1706) «Искусство предположений» (1713), посвященная основным понятиям теории вероятностей, где обстоятельно изложен также и ряд комбинаторных понятий и указаны их применения для вычисления вероятностей. Можно считать, что с появлением работ Г. Лейбница и Я. Бернулли комбинаторные методы выделись в самостоятельную часть математики. С работы Бернулли по существу начинается становление теории вероятностей как науки. Доказанная им теорема, получившая впоследствии название «закона больших чисел», была первым теоретическим обоснованием накопленных ранее фактов.

Выдающаяся роль в развитии теории вероятностей принадлежит знаменитому математику П. Лаплас (1749-1827). Он впервые дал стройное и систематическое изложение основ теории вероятностей: «Аналитическая теория вероятностей» (1812). Он дал доказательство одной из форм центральной предельной теоремы (теоремы Муавра-Лапласа) и развил ряд замечательных приложений теории вероятностей к вопросам практики, в частности к анализу ошибок наблюдений и измерений.

В развитии теории вероятностей приняло участие огромное число замечательных учёных. Однако становление теории вероятностей как строгой математической науки, основанной на аксиоматическом методе, связано в первую очередь с выдающимся советским математиком А.Н. Колмогоровым (1903-1987). В 1933 г. вышла книга Колмогорова «Основные понятия теории вероятностей», в которой была предложена аксиоматика, получившая всеобщее признание и позволившая охватить не только все классические разделы теории вероятностей, но и дать строгую основу для развития её новых разделов, вызванных запросами естествознания.

Возрождение интереса к комбинаторике относится к 50-м годам XX в. Это связано с бурным развитием кибернетики и дискретной математики и широким использованием ЭВМ. В этот период активизировался интерес и к классическим комбинаторным задачам. Быстро выросло число комбинаторных задач и их разнообразие. Во многих областях математики (теория графов, теория чисел, теория групп, кибернетика, вычислительная математика и др.) имеются задачи или группы задач, комбинаторный характер которых угадывается без особых усилий.

В данных методических указаниях разбираются классические задачи и методы комбинаторики и теории вероятностей.

1. ПРИНЦИП УМНОЖЕНИЯ

При решении комбинаторных задач используются два правила: принцип умножения и принцип сложения.

Принцип умножения. Если элемент А можно выбрать из некоторого множества m способами и если после каждого такого выбора элемент B можно выбрать n способами, то пара элементов (А,В) в указанном порядке может быть выбрана (mn) способами.

Пример 1.1. Из пункта А в пункт В ведут 3 дороги, а из пункта В в пункт С - 4 дороги. Сколькими способами можно совершить поездку из А в С через В?

Решение. В пункте А есть 3 способа выбора дороги в пункт В, а в пункте В есть 4 способа попасть в пункт С. Согласно принципу умножения, существует 34=12 способов попасть из пункта А в пункт С.

Принцип умножения легко обобщается на случай выбора трех и более элементов.

Пример 1.2. Сколько четырехзначных чисел можно составить из цифр 1, 2, 3, 4 и 5, если: а) цифры не повторяются; б) повторение допустимо; в) числа должны быть нечетные и без повторения.

Решение. а) Первую цифру можно выбирать 5-ю способами. Так как в числе цифры не повторяются, то вторую цифру уже можно выбрать из четырех оставшихся 4-мя способами. Далее получаем, что третью цифру можно выбрать 3-мя способами и четвертую - двумя. Таким образом, число возможных четырехзначных чисел равно N=5432=120.

б) Так как повторения допустимы, то каждую цифру можно выбирать каждый раз из 5 имеющихся цифр, т.е. пятью способами. Тогда число возможных чисел равно N=5555=54=625.

в) У нечетного числа последняя цифра нечетная, т.е. в данном случае может быть либо 1, либо 3, либо 5. Поэтому на это место можно поставить любую из этих трех чисел. После этого на оставшиеся места можно поставить: четыре цифры, три цифры и две цифры, ибо никакие из пяти цифр нельзя использовать более одного раза. Таким образом, N=3432=72.

Упражнения

1.1. Имеется 5 видов конвертов без марок и 4 вида марки. Сколькими способами можно выбрать конверт и марку для посылки письма?

Ответ: .

1.2. На вершину горы ведут пять дорог. Сколькими способами турист может подняться на гору и потом спуститься с неё? Решите ту же задачу при дополнительном условии, что подъём и спуск происходят по разным дорогам.

Ответ: ; .

1.3. При составлении одного варианта письменной контрольной работы по математике преподаватель располагает 4 задачами по геометрии, 8 - по алгебре и 3 - по тригонометрии. Сколькими способами можно составить этот вариант, если в него должно войти по одной задаче из перечисленных разделов?

Ответ: .

1.4. Из двух полуфинальных групп, каждая их которых содержит по 6 команд, в финал выходит по одной команде. Сколько может быть различных вариантов участников финального матча?

Ответ: .

1.5. В книге из 20 страниц на каких-либо трех страницах надо поместить по одной разной иллюстрации. Сколькими способами это можно сделать?

Ответ: .

1.6. Сколько существует пятизначных чисел, которые одинаково читаются слева направо и справа налево?

Ответ: .

1.7. Сколькими способами Чип и Дейл могут поделить между собой 5 разных орешков?

Ответ: .

1.8. На складе имеются 6 ящиков с различными фруктами и 3 ящика с различными овощами. Сколькими способами можно каждой из двух овощных палаток выдать по одному ящику с фруктами и овощами?

Ответ: .

2. ПРИНЦИП СЛОЖЕНИЯ

Принцип сложения. Если элемент А можно выбрать из некоторого множества m способами, а другой элемент B - n способами, причём выборы А и В таковы, что взаимно исключают друг друга и не могут быть выбраны одновременно, то выбор какого-либо одного из этих элементов (либо А, либо В) можно осуществить (m+n) способами.

В качестве иллюстрации данного принципа рассмотрим следующий простой пример.

Пример 2.1. Пусть из города A в город B можно добраться одним авиамаршрутом, двумя железнодорожными маршрутами и тремя автобусными маршрутами. Сколькими способами можно добраться из города A в город B?

Решение. Все условия принципа сложения здесь выполнены, поэтому, в соответствии с этим принципом, получим 1+2+3=6 способов.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий различие принципов умножения и сложения.

Пример 2.2. В магазине электроники продаются три марки телевизоров и два вида видеомагнитофонов. У покупателя есть возможности приобрести либо телевизор, либо видеомагнитофон. Сколько способами он может совершить одну покупку? Сколько различных комплектов, содержащих телевизор и магнитофон, можно приобрести в этом магазине, если покупатель собирается приобрести в паре и телевизор, и видеомагнитофон?

Решение. Один телевизор можно выбрать тремя способами, а магнитофон - другими двумя способами. Тогда телевизор или магнитофон можно купить 3+2=5 способов.

Во втором случае один телевизор можно выбрать тремя способами, после этого видеомагнитофон можно выбрать двумя способами. Следовательно, в силу принципа умножения, купить телевизор и видеомагнитофон можно 32=6 способами.

Замечание. Обычно принцип сложения применяется в тех случаях, когда в задачах встречаются союзы «или», «либо, либо» (телевизор или видеомагнитофон), а принцип умножения - в задачах, содержащих союз «и» (телевизор и видеомагнитофон).

Рассмотрим теперь примеры, в которых применяются оба правила комбинаторики: и принцип умножения, и принцип сложения.

Пример 2.3. В корзине лежат 12 яблок и 10 апельсинов. Ваня выбирает либо яблоко, либо апельсин, после чего Надя выбирает из оставшихся фруктов и яблоко и апельсин. Сколько возможно таких выборов?

Решение. Ваня может выбрать яблоко 12 способами, апельсин - 10 способами. Если Ваня выбирает яблоко, то Надя может выбрать яблоко 11 способами, а апельсин - 10 способами. Если Ваня выбирает апельсин, то Надя может выбрать яблоко 12 способами, а апельсин - 9 способами. Таким образом, Ваня и Надя могут сделать свой выбор способами.

Пример 2.4. Есть 3 письма, каждое из которых можно послать по 6 адресам. Сколькими способами это можно сделать?

Решение. В данной задаче мы должны рассмотреть три случая: а) все письма рассылаются по разным адресам, б) все письма посылаются по одному адресу, в) только два письма посылаются по одному адресу. Если все письма рассылаются по разным адресам, то число таких способов легко находится из принципа умножения: n1=654=120 способов. Если все письма посылаются по одному адресу, то таких способов будет n2=6. Таким образом, остается рассмотреть только третий случай, когда только 2 письма посылаются по одному адресу. Выбрать какое-либо письмо мы можем 3 способами и послать его по какому-либо выбранному адресу можем 6 способами. Оставшиеся два письма мы можем послать по оставшимся адресам 5 способами. Следовательно, послать только два письма по одному адресу мы можем n3=365=90 способами. Таким образом, разослать 3 письма по 6 адресам в соответствие с принципом сложения можно

n1+n2+n3 = 120+6+90 = 216 способами.

Упражнения

2.1. В урне содержится 3 синих, 5 красных и 2 белых шара. Сколькими способами можно вытащить из урны либо два белых шара, либо два цветных шара, из которых один синий, а другой - красный?

Ответ: Все шары различимы и порядок важен. Поэтому все способов .

2.2. Имеется 6 различных конвертов без марок, 4 различные марки и 3 различных конверта с марками. Сколькими способами можно выбрать конверт с маркой для отправки письма?

Ответ: .

2.3. Семья новоселов хочет приобрести письменный стол, книжный шкаф и диван. В мебельном магазине имеется 6 письменных столов, 4 книжных шкафа и 12 диванов, Кроме того, есть 2 гарнитура, содержащих письменный стол и диван, и 8 гарнитуров, содержащих книжный шкаф и письменный стол. Сколькими способами может быть сделана покупка?

Ответ: .

2.4. В букинистическом магазине лежат 6 разных изданий романа И.С. Тургенева «Рудин», 3 издания его романа «Дворянское гнездо» и 4 издания романа «Отцы и дети». Кроме того, есть 5 разных сборников, в каждом из которых есть романы «Рудин» и «Дворянское гнездо», и 7 сборников с романами «Дворянское гнездо» и «Отцы и дети». Сколькими способами можно сделать покупку, содержащую по одному экземпляру каждого из этих романов?

А если в магазине есть ещё 3 сборника, содержащие романы «Рудин» и «Отцы и дети», и 5 книг, содержащих все три романа?

Решение: Можно купить либо по экземпляру каждого романа, либо сборник, содержащий два романа, и экземпляр третьего романа. Из принципов сложения и умножения получаем способа. Во втором случае можно купить ещё сборник, содержащий романы «Рудин» и «Отцы и дети», и один экземпляр «Дворянского гнезда», либо сразу все романы. Всего имеем способов.

При решении комбинаторных задач важно уметь выделять случаи, где можно использовать те или иные формулы. Пусть имеется множество, состоящее из n элементов, например, урна, содержащая n различных шаров. Выборкой будем называть любую совокупность k элементов этого множества; другими словами, выбор k шаров из урны. Однако при постановке такого эксперимента должно быть строго оговорено, каким способом производится выбор и что понимается под различными выборками.

Существует две принципиально различные схемы выбора. В первой схеме выбор осуществляется без возвращения элементов. Это означает, что в выборке невозможны повторения элементов. Во второй схеме выбор осуществляется поэлементно с обязательным возвращением отобранного элемента при каждом шаге. Это означает, что в выборке возможны повторения.

После того как выбор тем или иным способом осуществлен, отобранные элементы могут быть либо упорядочены, либо неупорядочены. В первом случае, выборки, состоящие из одних и тех же элементов, но отличающиеся порядком следования этих элементов, объявляются различными. Во втором случае порядок следования элементов не принимается во внимание, и такие выборки объявляются тождественными.

В результате получаются четыре различные постановки эксперимента по выбору k элементов из общего числа n элементов некоторого множества.

Набор Выбор	Упорядоченный	Неупорядоченный
Без возвращений (без повторений)	Размещения	Сочетания
С возвращением (с повторениями)	Размещения с повторениями	Сочетания с повторениями

Эту таблицу для случая n=3, k=2 можно записать следующим образом:

Набор Выбор	Упорядоченный	Неупорядоченный
Без возвращений (без повторений)	(1,2) (1,3) (2,3) (2,1) (3,1) (3,2)	(1,2) (1,3) (2,3)
С возвращением (с повторениями)	(1,2) (2,1) (1,1) (1,3) (3,1) (2,2) (2,3) (3,2) (3,3)	(1,2) (1,3) (2,3) (1,1) (2,2) (3,3)

ФАКТОРИАЛ

Для любого натурального числа n произведение обозначается n! (читается «эн факториал»), т.е.

Считается, что 0!=1.

Пример 3.1. Вычислить

.

Решение. Так как и , то

.

Поскольку

и ,

то

.

Поэтому

.

Пример 3.2. Упростить выражение

(n1).

Решение. Так как и , то

.

Пример 3.3. Решить уравнение

, где n1.

Решение. Так как , то

.

Кроме того, . Итак, исходное уравнение равносильно уравнению

.

Если n=1, то уравнение примет вид

,

т.е. получается противоречие 0=1/6, следовательно, n=1 не является решением уравнения. Если n2, то уравнение примет вид

,

т.е. . Отсюда получаем n1=2 и n2=3.

Выражение n! означает, что перемножаются все натуральные числа подряд и наибольший из сомножителей равен n. Выражение n!! означает, что перемножаются натуральные числа через одно и наибольший сомножитель также равен n. Таким образом, если n чётное, то n!! есть произведение всех чётных чисел, не превышающих n (); если же n нечётное, то это произведение всех нечётных чисел, не превышающих n (). Аналогично, если после числа расположено три восклицательных знака, то перемножаются каждое третье число, а если четыре - каждое четвёртое. Например, .

Упражнения

3.1. Вычислить: а) , б) .

Ответ: а) , б) .

3.2. Упростить: а) , б)

Ответ: а) , б) m+2.

3.3. Найти все натуральные n, удовлетворяющие условию .

Ответ: 8.

3.4. В забеге участвуют 5 спортсменов. Сколькими способами могут распределиться места в результате забега?

Ответ: .

4. РАЗМЕЩЕНИЯ

Пусть имеется некоторое множество, содержащее n элементов. Выберем из этого множества k элементов без возвращения, но упорядочивая их по мере их выбора в последовательную цепочку. Такие цепочки называются размещениями.

Размещениями из n элементов по k элементов называются такие комбинации, из которых каждое содержит k элементов, взятых из числа данных n элементов, и которые отличаются друг от друга либо самими элементами (хотя бы одного), либо порядком их расположения.

Поясним это на следующем примере. Пусть имеется три элемента: a, b и c. Тогда из этих трёх элементов можно составить шесть размещений по два элемента: ab, ac, ba, bc, ca, cb. Все приведённые размещения отличаются друг от друга хотя бы одним элементом или порядком их расположения.

Число размещений (читается: число размещений из n элементов по k элементов) можно найти из принципа умножения. Первый элемент размещения можно выбрать n способами. Как только такой выбор будет сделан, останется (n-1) возможностей, чтобы выбрать второй элемент; после этого останется (n-2) возможностей для выбора третьего элемента и т.д.; для выбора k-го элемента будет (n-k+1) возможностей. По принципу умножения находим

. (4.1)

Легко понять, что .

Пример 4.1. В некоторой газете 12 страниц. Необходимо на страницах этой газеты поместить 4 различных фотографии. Сколькими способами это можно сделать, если ни одна страница газеты не должна содержать более одной фотографии?

Решение. Для размещения фотографий следует отобрать 4 различных страницы из 12 имеющихся. Затем нужно отобранные страницы упорядочить, т.е. определить, на какую страницу поместить первую фотографию, на какую - вторую и т.д. Полученная упорядоченная совокупность страниц является, согласно определению, размещением из 12 элементов по 4, а число таких размещений является искомым результатом:

.

Пример 4.2. Сколькими способами можно составить трехцветный полосатый флаг, если имеются ткани пяти различных цветов? Решите эту же задачу при условии, что одна полоса должна быть красной.

Решение. Поскольку в данной задаче важен порядок следования полос и все цвета во флаге должны быть разными, то исходная задача сводится к подсчету числа размещений из 5 по 3:

способов.

При условии, что одна полоса должна быть красной, получаем, что для выбора места для красной полосы существует 3 способа, а для оставшихся двух полос останется способов. Таким образом, трехцветный полосатый флаг из имеющихся 5 цветов при условии, что один цвет должен быть красным можно составить

способами.

Пример 4.3. Сколькими способами 10 человек можно поставить парами в ряд?

Решение. Первую пару можно выбрать способами, вторую - способами, и т.д. В результате получаем

способами.

Упражнения

4.1. Научное общество состоит из 25 человек. Надо выбрать президента общества, вице-президента, ученого секретаря и казначея. Сколькими способами может быть сделан этот выбор, если каждый член общества может занимать лишь один пост?

Ответ: В этом случае надо число размещений из 25 элементов по 4. Здесь играет роль и то, кто будет выбран в руководство общества, и то, какие посты займут выбранные. Поэтому ответ дается формулой .

4.2. В цехе работают 8 токарей. Сколькими способами можно поручить трем из них изготовление различных видов деталей (по одному виду на каждого).

Ответ: .

4.3. Из 10 книг выбирают 4 для рассылки по разным адресам. Сколькими способами это можно сделать?

Ответ: .

4.4. Сколькими способами можно опустить 5 писем в 11 почтовых ящиков, если в каждый ящик опускают не более одного письма?

Ответ: .

4.5. Студенту необходимо сдать 5 экзаменов в течение 12 дней. Сколькими способами можно составить расписание экзаменов, если в течение дня он может сдать не более одного экзамена?

Ответ: .

4.6. Сколькими способами можно преподнести 4 различных подарка 6 ученикам таким образом, чтобы каждый ученик получил не более одного подарка?

Ответ: .

4.7. Сколько различных четырехзначных чисел можно составить из цифр 0, 1, 2, …, 9, если каждая цифра в обозначении числа встречается не более одного раза? (Учесть, что число не может начинаться с нуля.)

Ответ: .

5. ПЕРЕСТАНОВКИ

Рассмотрим частный случай, когда k=n. Соответствующее этому случаю размещение называется перестановкой.

Перестановками из n элементов называются такие комбинации, каждая из которых содержит все n элементов и которые отличаются друг от друга лишь порядком расположения элементов.

Поясним это на следующем примере. Из этих трёх элементов: a, b и c. можно составить шесть перестановок: abc, acb, bac, bca, cab, cba. Все приведённые перестановки отличаются друг от друга только порядком их расположения.

Число перестановок n различных элементов обозначают символом Pn и равно

Пример 5.1. Сколькими способами можно расставить девять различных книг на полке, чтобы определенные четыре книги стояли рядом?

Решение. Будем считать выделенные книги за одну книгу. Тогда уже для шести книг существует P6=6!=720 перестановок. Однако четыре определенные книги можно переставить между собой P4=4!=24 способами. По принципу умножения имеем

P6P4 = 72024 = 17280.

Пример 5.2. Сколько различных четырехзначных чисел можно составить из цифр 0, 1, 2, 3, если каждая цифра в изображении числа встречается один раз?

Решение. Рассматриваемое число может быть представлено как некоторая перестановка из цифр 0, 1, 2, 3, в которой первая цифра отлична от нуля. Так как число перестановок из четырех цифр равно P4=4! и из них 3! перестановок начинаются с нуля, то искомое количество равно

4! - 3! = 33! = 3123 = 18.

Пример 5.3. Сколькими способами можно посадить за круглый стол n мужчин и n женщин так, чтобы никакие два лица одного пола не сидели рядом?

Решение. Естественно предположить, что как мужчины, так и женщины различимы. Предположим также, что места за столом также различимы. Пронумеруем их. Если женщины займут чётные места n! способами, то мужчины будут занимать нечётные места тоже n! способами и наоборот. По правилу умножения получаем .

Если места за столом неразличимы, то стол можно поворачивать на одно место, то при этом расположение сидящих не изменится (такая ситуация имеет место, например, на карусели). Поскольку имеется n способов расположения стола относительно сидящих, то предыдущий результат нужно разделить на n.

Вопрос. Сколькими способами можно посадить за круглый стол n супружеских пар, если супруги должны сидеть рядом?

Упражнения

5.1. Сколькими способами можно обить 6 стульев тканью, если имеются ткани 6 различных цветов и все стулья должны быть разного цвета.

Ответ: .

5.2. Дачник выделил на своём участке семь грядок для выращивания овощей, т.к. хочет иметь свои помидоры, огурцы, перец, лук, чеснок, салат и кабачки. Каждый вид должен иметь отдельную грядку. Сколькими способами он может расположить грядки для посадки?

Ответ: .

5.3. Пассажирский поезд состоит из трех багажных вагонов и восьми купированных. Сколькими способами можно сформировать состав, если багажные вагоны должны находиться в его начале?

Ответ: .

5.4. В первенстве края по футболу участвуют 11 команд. Сколько существует различных способов распределения мест в таблице розыгрыша, если на первое место могут претендовать только 4 определенные команды?

Ответ:

5.5. Сколькими способами можно упорядочить множество {1,2,3,…,2n} так, чтобы каждое чётное число стояло на чётном месте?

Ответ: .

5.6. Четыре мальчика и четыре девочки рассаживаются в ряд на восемь подряд расположенных мест, причем мальчики садятся на четные места, а девочки - на нечетные. Сколькими способами они могут это сделать?

Ответ: .

5.7. Сколькими способами можно посадить за круглый стол трех мужчин и трех женщин так, чтобы никакие два лица одного пола не сидели рядом?

Ответ: .

5.8. На собрании должны выступить 5 человек: А, Б, В, Г, Д. Сколькими способами можно расположить их в списке ораторов, если Б не должен выступать до того, как выступил А? Решите эту же задачу, если Б должен выступить сразу после А.

Ответ: 5!/2=60; 4!=24.

6. СВОЙСТВА РАЗМЕЩЕНИЙ И ПЕРЕСТАНОВОК

Рассмотрим задачи, связанные со свойствами размещений и перестановок.

Пример 6.1. Вычислить

.

Решение. Поскольку

и

,

то

.

Пример 6.2. Упростить выражение

(n 6).

Решение. Поскольку

, ,

,

,

то

.

Пример 6.3. Решить неравенство

.

Решение. Из условия задачи следует, что n1 и n. Поскольку

, ,

то

и данное в условии неравенство равносильно неравенству

.

Пусть n2, тогда , т.е. 20<15. Противоречие, следовательно, n=1 не является решением данного неравенства.

Пусть n=1, тогда исходное неравенство равносильно следующему

,

Отсюда следует, что первоначальное неравенство имеет три решения:

n1=3, n2=4 и n3=5.

Упражнения

6.1. Вычислить: а) , б) .

Ответ: а) 46, б) 80.

6.2. Упростить: .

Ответ: .

6.3. Решить неравенство .

Ответ: .

6.4. Найти все натуральные n, удовлетворяющие условию:

а) , б) , в) .

Ответ: а) 4, б) 4, в) 10.

6.5. Доказать, что .

7. СОЧЕТАНИЯ

Пусть опыт состоит в выборе k элементов без возвращения и без упорядочения из некоторого множества, содержащего n элементов. Исходами такого опыта будут подмножества, содержащие k элементов и отличающиеся друг от друга только составом. Получаемые при этом комбинации элементов называются сочетаниями.

Сочетаниями из n элементов по k элементов называются такие комбинации, из которых каждое содержит k элементов, взятых из числа данных n элементов, и которые отличаются друг от друга хотя бы одним элементом.

Поясним это на следующем примере. Пусть имеется три элемента: a, b и c. Из этих трёх элементов, в отличие от размещений, можно составить три сочетания по два элемента: ab, ac, bc, ca. Все приведённые сочетания отличаются друг от друга хотя бы одним элементом.

Для иллюстрации различий между сочетаниями и размещениями рассмотрим следующий пример. Пусть выбирается делегация в составе 3 человек из 30 учеников. Здесь, очевидно, не надо учитывать порядок выбранных делегатов, т.к. все члены делегации равноправны. Поэтому каждый такой выбор будет сочетанием из 30 по 3. Однако, выбирая старосту, профорга и физорга из тех же учеников, порядок уже приходится учитывать. В этом случае каждый конкретный результат будет уже размещением из 30 по 3.

Найдем число возможных сочетаний . Чтобы получить размещение из n элементов по k, а их число равно , надо выбрать k элементов из множества, содержащего n элементов, что можно сделать способами, и организовать из них упорядоченное подмножество. Последнюю операцию можно выполнить Pn способами. Таким образом, чтобы получить размещений, надо выполнить две операции, которые можно осуществить и Рn способами, соответственно. Поэтому, согласно принципу умножения, можно записать

. (7.1)

Отсюда получаем, что число сочетаний будет равно

. (7.2)

Заметим, что , .

Пример 7.1. Сколькими способами можно составить комиссию в составе из трех человек из имеющихся 9 человек, 4 женщин и 5 мужчин, если: а) не важен пол членов комиссии; б) комиссия должна состоять из двух женщин и одного мужчины.

Решение. а) Из смысла задачи следует, что порядок выбора членов комиссии не играет роли. Здесь важен только состав. Тогда выбрать комиссию из трех человек из 9 имеющихся можно

способами.

б) Двух женщин из 4 имеющихся можно выбрать способами, а одного мужчину из 5 можно способами. Тогда общее количество способов выбора комиссии, в соответствии с принципом умножения, можно

способами.

Пример 7.2. Сколькими различных правильных дробей можно составить из чисел 1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, берущихся попарно?

Решение. Различных пар из данных чисел, в которых первый элемент меньше второго, будет, очевидно, столько, сколько можно составить сочетаний из 7 по 2:

.

Пример 7.3. Сколько существует делителей числа 210?

Решение. Разложим данное число на простые множители: . Число делителей, составленных из произведения двух простых множителей, равно (а именно числа 6, 10, 14, 15, 21,35); число делителей, составленных из произведения трёх простых множителей, равно (а именно числа 30, 42, 70, 105); число простых делителей равно четырём (а именно 2, 3, 5, 7). Кроме того, делителями являются число 1 и число 210. Итак, согласно принципу сложения, число всех делителей равно

.

Эту задачу можно решить и по-другому. Натуральное число N можно разложить на простые множители следующим образом:

,

?1, ?2, …, ?n - некоторые натуральные числа. Число pi может войти в данный делитель с показателем 0, 1, …, ?n - всего ?n+1 способами. Из принципа умножения получаем, что число делителей числа N равно

. (7.3)

Для числа 210 число делителей по формуле (7.3) будет равно (?1=?2=?3=?4=1)

2222=16.

Упражнения

7.1. Сколькими способами можно выбрать 5 делегатов из состава конференции, на которой присутствуют 15 человек?

Ответ: .

7.2. У одного студента есть 11 книг по математике, а другого - 15 книг. Сколькими способами они могут выбрать по 3 книги для обмена?

Ответ: .

7.3. Сколько прямых провести через 8 точек, никакие три из которых не лежат на одной прямой?

Ответ: .

7.4. Найти число диагоналей n-угольника.

Ответ: .

7.5. Компания из 15 человек разделяется на две группы, одна из которых состоит из 6 человек, а другая - из 9 человек. Сколькими способами это можно сделать?

Ответ: .

7.6. В пространстве даны 7 точек, никакие четыре из которых не лежат в одной плоскости. Сколько различных плоскостей можно провести через эти точки?

Ответ: .

7.7. В урне 6 белых и 8 черных шаров. Из нее одновременно вынимают три шара одного цвета. Сколькими способами это можно сделать?

Ответ: .

7.8. В колоде десять карт, из которых три - тузы. Наудачу последовательно вынимается, запоминаются и возвращаются в колоду четыре карты. После каждого возвращения карты колода перемешиваются. Сколько возможно случаев, когда среди вытянутых карт окажется хотя бы один туз?

Ответ: .

7.9. В лаборатории работают 8 физиков и 10 химиков. Надо создать рабочие группы по трем темам. В первую группу должны войти 4 физика, во вторую - 5 химиков, а третья должна состоять из 3 человек, которые могут быть как физиками, так и химиками. Сколькими способами можно создать такие группы?

Ответ:

комбинаторика вероятность бином ньютон

8. СВОЙСТВА СОЧЕТАНИЙ

Отметим некоторые свойства сочетаний:

1. (свойство симметрии).

Например,

2. (свойство Паскаля).

Данное равенство является рекуррентным соотношением для числа сочетаний. С помощью этого равенства можно составить таблицу для нахождения числа сочетаний. Расположим сочетания в виде треугольной таблицы

Полученную треугольную таблицу принято называть треугольником Паскаля.

3. .

Пример 8.1. Решить уравнение

.

Решение. Поскольку , то получим квадратное уравнение

.

Учитывая, что , получаем решение

.

Пример 8.2. Решить неравенство

.

Решение. Из условия задачи следует, что n2 и n. Поскольку

, ,

то

.

Таким образом, исходное неравенство равносильно неравенству

.

Поскольку при n=10 получаем , а при n=9 получаем . Учитывая, что n2 получаем

.

Пример 8.3. Сколько различных звукосочетаний можно взять на десяти выбранных клавишах рояля, если каждое звукосочетание может содержать от трех до десяти звуков?

Решение. Для звукосочетания клавиши нажимаются одновременно, поэтому для k звуков имеем звукосочетаний. Таким образом, искомое количество есть

.

Учитывая свойство 3, т.е., что

,

получим

.

Упражнения

8.1. Вычислить: а) , б) .

Ответ: а) 81, б) 1.

8.2. Упростить: .

Ответ: 2.

8.3. Найти все натуральные n, удовлетворяющие условию:

а) , б) .

Ответ: а) 3, б) 14.

8.4. Решить неравенство: а) , б) .

Ответ: а) , б) ,

8.5. Доказать, что .

8.6. Имеется 12 различных цветов. Сколькими способами можно составить букет из данных цветов, если в букет должно входить не менее 3 цветов?

Ответ: .

9. СВОЙСТВА БИНОМИАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

Свойство 3 является следствием формулы бинома Ньютона:

. (9.1)

Поэтому сочетания еще иногда называют биномиальными коэффициентами.

Сумма биномиальных коэффициентов всех членов разложения равна 2n. Сумма биномиальных коэффициентов членов разложения, стоящих на нечетных местах, равна сумме биномиальных коэффициентов, стоящих на четных местах, и равно 2n-1.

Пример 9.1. Найти разложение степени бинома (2x-3)5.

Решение. Полагая a=2x, b=-3, получим

Пример 9.2. Пятый член разложения не зависит от x. Найти n.

Решение. Пятый член разложения T5 имеет следующий вид:

.

По условию T5 не зависит от x; это означает, что показатель степени при x равен нулю, т.е. (n-4)/3-4=0. Из последнего уравнения находим n=16.

Пример 9.3. Вычислить сумму

.

Решение. Согласно формуле бинома Ньютона, при любом x имеем равенство:

.

Полагая здесь x=1, получим

.

Итак, искомая сумма равна 35, т.е. 243.

Упражнения

9.1. Напишите разложение степени бинома

а) ; б) ; в) .

Ответ: а) ,

б) ,

в) .

9.2. Найдите пятый член разложения .

Ответ: .

9.3. Найдите два средних члена разложения .

Ответ: и.

9.4. Найдите в биномиальном разложении член, не содержащий x.

Ответ: .

9.5. Найдите сумму .

Ответ: .

9.6. Сумма биномиальных коэффициентов разложения равна 64. Напишите член, не содержащий переменную x.

Ответ: n=6, .

10. РАЗМЕЩЕНИЯ С ПОВТОРЕНИЯМИ

Пусть выбор k элементов из некоторого множества, состоящего из n элементов, производится с возвращением и с упорядочением их в последовательную цепочку. Различными исходами такого выбора будут всевозможные наборы (вообще говоря, с повторениями) отличающиеся либо составом элементов, либо порядком их следования. Получаемые в результате комбинации называются размещениями с повторениями из n элементов по k элементов.

Поясним это на следующем примере. Пусть имеется три элемента: a, b и c. Тогда из этих трёх элементов можно составить девять размещений с повторениями по два элемента: ab, ac, ba, bc, ca, cb, aa, bb, cc.

Таким образом, размещение с повторениями из n элементов по k элементов (при этом допускается, что m>n) может содержать любой элемент сколько угодно раз от 1 до k включительно или не содержать его совсем, т.е. каждое размещение с повторениями из n элементов по k элементов может состоять не только из различных элементов, но и k каких угодно и как угодно повторяющихся элементов.

Число размещений с повторениями можно найти из принципа умножения. Первый элемент размещения можно выбрать n способами. Второй элемент также можно выбрать n способами (ведь элементы могут повторяться) и т.д. По принципу умножения находим

. (10.1)

Пример 10.1. В лифт восьмиэтажного дома вошли 5 пассажиров. Сколькими способами могут выйти пассажиры на каждом этаже, начиная со второго?

Решение. Задача сводится к распределению 5 пассажиров по 7 этажам (т.е. набор упорядоченный), причем возможны повторения (т.е. несколько пассажиров могут выйти на одном этаже). Таким образом, задача сводится к нахождению числа размещений с повторениями:

Пример 10.2. Сколькими способами можно 5 шариков разбросать по 8 лункам, если каждая лунка может вместить все 5 шариков?

Решение. Данная задача есть задача на отыскание числа размещений с повторениями

.

Пример 10.3. Буквы азбуки Морзе состоят из символов - точка и тире. Сколько букв получим, если потребуем, чтобы каждая буква состояла не более чем из пяти указанных символов?

Решение. Число всех букв, каждая из которых записывается одним символом, равно .

Число всех букв, каждая из которых записывается двумя символами, равно .

Число всех букв, каждая из которых записывается тремя символами, равно .

Число всех букв, каждая из которых записывается четырьмя символами, равно .

Число всех букв, каждая из которых записывается пятью символами, равно .

Число всех указанных букв будет равно 62.

Упражнения

10.1. Сколькими способами девочка Яна может разложить 12 кукол по трём ящикам, если каждый ящик может вместить все куклы?

Ответ: .

10.2. Сколькими способами Пончик может рассовать 6 конфет по 9 карманам, если каждый карман может вместить все конфеты?

Ответ: .

10.3. Сколькими способами можно разместить 8 пассажиров по трем вагонам?

Ответ: .

10.4. Сколькими различных восьмизначных чисел можно написать, пользуясь только тремя цифрами 3, 5, 7 при условии, что цифра 5 в каждом числе встречается ровно два раза?

Ответ: .

10.5. Из цифр 1, 2, 3, 4, 5 составлены всевозможные пятизначные числа (повторение цифр разрешается). Сколько среди них чисел, у которых: 1) a=1; 2) a2; 3) a=3, b=2; 4) a=3, b=4, c=5?

Ответ: .

10.6. Сколько чисел, меньших миллиона, можно написать с помощью цифр: а) 8 и 9; б) 7, 8, 9; в) 0, 8, 9 (с цифры 0 число начинаться не может)?

Ответ: а) Так как с помощью двух цифр 8 и 9 можно написать 2k k-значных числа, то общее количество искомых чисел равно . б) Для трёх цифр аналогично получаем . в) Учтём, что для первой цифры есть только две возможности выбора. Тогда получим чисел.

10.7. Имеется три курицы, четыре утки и два гуся. Сколькими способами можно выбрать из них несколько птиц так, чтобы среди выбранных оказались и куры, и утки, и гуси?

Ответ: Каждая курица может либо войти, либо не войти в число выбранных. Поэтому имеем 23 способов выбора кур. Так как по условию хотя бы одна курица должна быть выбрана (т.е. не может быть случая, когда ни одной курицы не будет выбрано), то число выбора кур будет на единицу меньше: способов выбора кур. Точно так же есть способов выбора уток и способов выбора гусей. Всего способов.

11. ПЕРЕСТАНОВКИ С ПОВТОРЕНИЯМИ

При перестановке букв в слове «толпа» получается P5 = 5! = 120 «слов». Если же переставлять буквы в слове «топот», то получится меньше различных «слов», потому что ни перестановка двух букв «т», ни перестановка двух букв «о» не изменяют «слова»; всего перестановок в данном случае будет . Мы имеем здесь дело с перестановками с повторениями.

Общую задачу сформулируем следующим образом.

Имеется n элементов k различных типов: n1 элементов первого типа, n2 элементов второго типа, …, nk элементов k-го типа, . Сколько можно составить различных перестановок из этих элементов?

Число перестановок c повторениями обозначают . Сколько же их? Если бы все элементы были различны, то число перестановок равнялось бы n!. Но из-за того, что некоторые элементы совпадают, получится меньшее число перестановок. В первой группе элементы (первого типа) можно переставлять друг с другом n1! способами. Но так как все эти элементы одинаковы, то перестановки ничего не меняют. Точно также ничего не меняют n2! перестановок элементов во второй группе и т.д. Перестановки элементов в разных группах можно делать независимо друг от друга. Поэтому (из принципы умножения) элементы можно переставлять друг с другом способами так, что она остаётся неизменной.

Число различных перестановок с повторениями, которые можно составить из данных элементов, равно

, (11.1)

где .

Замечание. Отметим, что формула числа сочетаний из n элементов по k элементов совпадает с формулой для числа перестановок с повторениями из k элементов одного типа и n-k элементов другого типа:

.

Пример 11.1. Сколькими способами можно нанизать на нить 4 зеленых, 5 синих и 6 красных бус?

Решение. Речь идет об отыскании числа перестановок с повторениями, которые можно сделать из k1=4 элементов первого типа (зеленых бус), k2=5 элементов второго типа (синих бус) и k3=6 элементов третьего типа (красных бус). По формуле (6) получаем

.

Пример 11.2. У мамы было 2 одинаковых яблока, 3 одинаковых груши и 4 одинаковых апельсина. Каждый день она давала ребенку по одному фрукту. Сколькими способами она могла это сделать?

Решение. Данная задача есть задача на отыскание числа перестановок с повторениями:

.

Пример 11.3. Сколько различных браслетов можно сделать из пять одинаковых изумрудов, шести одинаковых рубинов и семи одинаковых сапфиров (в браслет входят все 18 камней)?

Решение. Камни можно переставлять P(5, 6, 7) способами. При циклических перестановках и при зеркальном отражении браслет остается неизменным. В результате получаем

.

Пример 11.4. Сколько способами можно переставлять буквы слова «огород» так, чтобы: а) три буквы «о» не стояли рядом? б) если запрещается, чтобы две буквы «о» стояли рядом?

Решение. а) Буквы данного слова можно переставлять P(3,1,1,1) способами. Если три буквы «о» стоят рядом, то их можно считать за одну букву. Тогда буквы можно переставлять 4! Способами. Вычитая этот результат из предыдущего, получим

.

б) Сначала расставляем согласные (3! способов). Для трёх букв «о» остаётся 4 места, и их можно расставить способами. Всего получаем способа.

Упражнения

11.1. Сколькими способами можно расположить в ряд две зелёные и четыре красные лампочки?

Ответ: .

11.2. Десять человек надо разбить на три группы соответственно по 2, 3, 5 человек в группе. Сколькими способами можно это сделать?

Ответ: .

11.3. Сколькими способами можно упаковать девять различных книг в трёх бандеролях соответственно по два три, четыре книги в каждой бандероли?

Ответ: .

11.4. Группу командировочных из восьми человек требуется расселить в три комнаты, из которых две трёхместные и одна двухместная. Сколько вариантов расселения возможно?

Ответ: .

11.5. Сколько различных слов можно получить, переставляя буквы в следующих исходных словах: а) академия, б) электротехника, в) молокопродукт?

Ответ: .

11.6. Сколькими способами можно разделить 12 предметов между тремя студентами, чтобы каждому досталось ровно по четыре предмета?

Ответ: .

11.7. Для премий на математической олимпиаде выделено 3 экземпляра одной книги, 4 экземпляра другой и 8 экземпляров третьей. Сколькими способами могут быть распределены эти премии между 30 участниками олимпиады, если каждому вручается не более одной книги?

Ответ: .

11.8. Сколькими способами можно переставить буквы слова «обороноспособность» так, чтобы две буквы «о» не шли подряд?

Ответ: .

11.9. Сколькими способами можно переставить буквы слова «каракули» так, чтобы никакие две гласные не стояли рядом?

Ответ: Гласные можно переставлять P(2,1,1)=12 способами, Аналогично, P(2,1,1)=12 способами можно расставить согласные буквы. Если согласные уже расставлены, то для гласных останется 5 мест. Поэтому места для них можно выбрать способами. Всего способов.

12. СОЧЕТАНИЯ С ПОВТОРЕНИЯМИ

Пусть имеются предметы n различных типов. Сколькими способами можно составить из них комбинацию из k элементов, если не принимать во внимание порядок элементов в комбинации, но при этом предметы одного и того же типа могут повторяться? Иными словами, различные комбинации должны отличаться количеством предметов хотя бы одного типа. Такие комбинации называются сочетаниями с повторениями, а их общее число будем обозначать .

Поясним это на следующем примере. Пусть имеется три элемента: a, b и c. Тогда из этих трёх элементов можно составить шесть сочетаний с повторениями по два элемента: ab, ac, bc, aa, bb, cc.

Таким образом, сочетание с повторениями из n элементов по k элементов (при этом допускается, что m>n) может содержать любой элемент сколько угодно раз от 1 до k включительно или не содержать его совсем, т.е. каждое сочетание с повторениями из n элементов по k элементов может состоять не только из k различных элементов, но и k каких угодно и как угодно повторяющихся элементов.

Следует отметить, что если, например, две комбинации по k элементов отличаются друг от друга только порядком расположения элементов, то они не считаются различными сочетаниями.

Существует специальная формула для вычисления числа сочетаний с повторениями:

(12.1)

Выведем эту формулу. Прежде всего надо занумеровать возможные типы элементов числами от 1 до n (иначе можно оказаться в положении мужа, который никак не мог вспомнить, что ему поручила купить жена: 5 пакетов молока и 2 банки пива или наоборот 2 пакета молока и 5 банок пива). Теперь можно каждую комбинацию зашифровать с помощью последовательности единиц и палочек: для каждого типа с 1-го до n-го по порядку написать столько единиц, сколько предметов этого типа входит в комбинацию, а различные типы отделять друг от друга палочками.

Например, в кондитерском магазине продаются пирожные 4 видов: корзиночки, наполеоны, песочные и эклеры. Если куплено 3 корзиночки (к), 1 наполеон (н), 2 песочных (п) и 1 эклер (э), то получим такую запись:

В этой записи палочки отделяют одну группу пирожных от другой. Если же куплено 2 корзиночки и 5 песочных, то получим запись . Ясно, что разным покупкам соответствуют при этом разные комбинации из 7 единиц и 3 палочек. Обратно, каждой комбинации единиц и палочек соответствует какая-то покупка. Например, комбинации соответствует покупка 3 наполеонов и 4 песочных (крайние группы отсутствуют).

В результате мы получим столько единиц, сколько предметов входит в комбинацию, т.е. k, а число палочек будет на 1 меньше, чем число типов предметов, т.е. n-1. Таким образом, мы получим перестановки с повторениями из k единиц и n-1 палочек. Различным комбинациям при этом соответствуют различные перестановки с повторениями, а каждой перестановке с повторениями соответствует своя комбинация.

Итак, число сочетаний с повторениями из элементов n типов по k равно числу P(k,n-1) перестановок с повторениями из n-1 палочек и k единиц. А

. Поэтому.

Пример 12.1. В кондитерской имеется 3 вида пирожных. Сколькими способами можно купить 9 пирожных?

Решение. В задаче требуется найти число всевозможных групп по 9 элементов, которые можно составить из данных трех различных элементов, причем указанные элементы в каждой группе могут повторяться, а сами группы отличаются друг от друга хотя бы одним элементом. Это задача на отыскание числа сочетаний с повторениями из трех элементов по девять. Следовательно,

Пример 12.2. В почтовом отделении продаются открытки 10 сортов. Сколькими способами можно купить в нем 12 открыток? 8 открыток? Сколькими способами можно купить 8 различных открыток?

Решение. Данная задача на отыскание числа сочетаний с повторениями из 10 элементов по 10. Следовательно,

, .

В случае, когда требуется купить 8 различных открыток, получим сочетания без повторений:

.

Пример 12.3. Сколько всего чисел (не больше 100000) можно составить из цифр 1, 2, 3, 4 и 5 в каждом из которых цифры расположены в неубывающем порядке?

Решение. Это задача о числе сочетаний из пяти цифр по одному, по два, по три, по четыре и по пяти с повторениями в каждом случае. Поскольку , , , , , то существует чисел, удовлетворяющих условию задачи.

Упражнения

12.1. Сколькими способами Буратино, кот Базилио и лиса Алиса могут поделить между собой 5 одинаковых золотых монет?

Ответ: .

12.2. В кондитерской имеется пять разных сортов пирожных. Сколькими способами можно выбрать набор из четырёх пирожных?

Ответ: .

12.3. Сколько существует треугольников, длины сторон которых принимают одно из значений 4, 5, 6, 7?

Ответ: .

12.4. Сколько можно построить различных прямоугольных параллелепипедов, длина каждого ребра которых является целым числом от 1 до 10?

Ответ: .

13. ФОРМУЛА ВКЛЮЧЕНИЙ И ИСКЛЮЧЕНИЙ

Принцип сложения можно применять в тех случаях, когда все множество перечисляемых комбинаций разбивается на попарно непересекающиеся группы комбинаций. Обобщим принцип сложения на случай, когда могут иметь место случаи непустых пересечений.

/

Пусть имеется n предметов, которые могут обладать двумя свойствами A и B. При этом каждый предмет может либо не обладать ни одним из этих свойств, либо обладать одним или обоими свойствами. Обозначим через n(A), n(B), n(AB) количество предметов, обладающих свойством A, свойством B, обоими свойствами. Тогда число предметов, обладающих хотя бы одним из указанных свойств, равно

. (13.1)

Появление третьего слагаемого связано с тем, что число предметов обладающих обоими свойствами при сложении n(A) и n(B) учитывались дважды (см. рис. 13.1).

Формула (13.1) является частным случаем более общей формулы:

(13.2)

которую называют формулой перекрытий, или формулой включений и исключений. Чаще эту формулу записывают в следующем виде.

Обозначим символом свойство A, которым данные предметы не обладают. Тогда число предметов, не обладающих ни одним из указанных свойств, будет равно

(13.3)

Здесь алгебраическая сумма распространена на все комбинации свойств A1,…,Am (без учета их порядка), причем знак «+» ставится, если число учитываемых свойств четно, и знак «-», если это число нечетно. Название формулы (13.2) как формулы включений и исключений связано с тем, что сначала исключаются все предметы, обладающие хотя бы одним из свойств, потом включаются предметы, обладающие по крайней мере двумя из этих свойств, после этого исключаются предметы, обладающие по крайней мере тремя свойствами, и т.д.

В случае трёх свойств формулы (13.2) и (13.3) примут вид:

, (13.4)

. (13.5)

Пример 13.1. В научно-исследовательском институте работают 67 человек. Из них 47 знают английский язык, 35 - немецкий язык и 23 - оба языка. Сколько человек в институте не знают ни английского, ни немецкого языков?

Решение. Обозначим через A - сотрудников, знающих английский язык, через B - сотрудников, знающих немецкий язык. По условию

Тогда

.

Итак, 8 человек не знают ни английского, ни немецкого языка.

Пример 13.2. Сколько можно сделать перестановок из n элементов, в которых данные два элемента a и b не стоят рядом? Данные три элемента a, b, c не стоят рядом (в любом порядке)? Никакие два из элементов a, b, c не стоят рядом?

Решение. Если a и b стоят рядом, то их можно объединить в один знак. Учитывая, что a и b можно переставлять местами, получаем перестановок, в которых a и b стоят рядом. Тогда в

случаях они не стоят рядом. Точно также получаем, что a, b, c не стоят рядом

случаях. Никакие два из элементов a, b, c не стоят рядом

случаях (формула включений и исключений).

Пример 13.3. Сколькими способами можно посадить рядом 3 англичан, 3 французов и 3 немцев так, чтобы никакие три соотечественника не сидели рядом?

Решение. 9 человек можно пересаживать 9! способами. Найдём, во скольких перестановках 3 англичанина сидят рядом. Все такие перестановки получаются из одной пересаживанием между собой англичан (3! способов) и 3 французов и 3 немцев и компании из трех англичан (7! способов). Всего получаем 3!7! перестановок. Во стольких же перестановках сидят рядом 3 французов и во стольких же - 3 немцев. Далее, в (3!)25! перестановках сидят рядом трое англичан и трое французов, а также трое англичан и трое немцев, трое французов и трое немцев. И, последнее, в (3!)4 перестановках сидят рядом и англичане, и французы, и немцы. В результате, по формуле включений и исключений, находим

способа.

Упражнения

13.1. На загородную прогулку поехали 92 человека. Бутерброды с колбасой взяли 47 человек, с сыром - 38 человек, с ветчиной - 42 человека, и с сыром и с колбасой - 28 человек, и с колбасой и с ветчиной - 31 человек, и с сыром и с ветчиной - 26 человек. Все три вида бутербродов взяли 25 человек, а несколько человек вместо бутербродов захватили с собой пирожки. Сколько человек взяли с собой пирожки?

Ответ: 25.

13.2. В отделе научно-исследовательского института работают несколько человек, причем каждый из них знает хотя бы один иностранный язык, 6 человек знает английский язык, 6 - немецкий, 7 - французский, 4 знают английский и немецкий, 3 - немецкий и французский, 2 - французский и английский, 1 человек знает все три языка. Сколько человек работает в отделе? Сколько из них знают только английский язык? Сколько человек знают только один язык?

Ответ: По формуле включений и исключений число работающих равно 6+7+6-4-3-2+1=11. Только английский знают 6-4-2+1=1, только немецкий 6-4-3+1=0, только французский 7-3-2+1=3. Т.о., только один язык знают 4 человека.

13.3. Староста одного класса дал следующие сведения об учениках: «В классе учатся 45 школьников, в том числе 25 мальчиков. 30 школьников учатся на хорошо и отлично, в том числе 16 мальчиков. Спортом занимаются 28 учеников, в том числе 18 мальчиков и 17 школьников, учащихся на хорошо и отлично. 15 мальчиков учатся на хорошо и отлично и занимаются спортом». Покажите, что в этих сведениях есть ошибка.

Ответ: Число школьников, которые не учатся на хорошо и отлично и не занимаются спортом, равно 45-30-28+17=4. Число мальчиков, которые не учатся на хорошо и отлично и не занимаются спортом, равно 25-16-18+15=6, т.е. их больше 4, что не может быть.

13.4. В лифт сели 8 человек. Сколькими способами они могут выйти на четырех этажах так, чтобы на каждом этаже вышел, по крайней мере, один человек?

Ответ: 8 пассажиров могут распределиться между этажами 48 способами. Из них в 38 случаях на данном этаже, 28 случаях на данных двух этажах и в 1 случае на данных трех этажах не выйдет ни один человек. По формуле включений и исключений получаем способа.

13.5. Сколько неотрицательных целых чисел, меньших чем миллион, содержит все цифры 1, 2, 3, 4? Сколько чисел состоит только из этих цифр?

Ответ: По формуле включений и исключений получаем, что все цифры 1, 2, 3, 4 содержат чисел. Только из цифр 1, 2, 3, 4 состоят чисел.

14. АЛГЕБРА СОБЫТИЙ

Одним из основных понятий теории вероятностей является понятие случайного события. Под событием понимается любое явление, которое происходит в результате осуществления определенного комплекса условий и которые можно неоднократно повторять. Осуществление этого комплекса условий называют экспериментом (опытом, испытанием, наблюдением). Таким образом, любое событие в теории вероятностей рассматриваются как исход некоторого эксперимента. Поэтому события часто называют исходами. Например, бросание кубика можно считать испытанием, которое можно неоднократно повторять, а полученный результат - исходом испытания.

Событие называется случайным, если оно при одних и тех же условиях может как произойти, так и не произойти. Случайными будут, например, события: а) при подбрасывании игрального кубика выпадет 6 очков; б) при выстреле в мишень пуля попадет в «десятку»; в) по пути в школу вы встретите черную кошку.

Чтобы говорить о случайности или неслучайности какого-то события, нужно иметь возможность неоднократно наблюдать за ним. Недаром каждый из перечисленных примеров начинается со слов «при …» - то есть, при выполнении определенных условий. Эти условия могут создаваться специально или возникать в окружающей нас жизни.

Случайным экспериментом называют комплекс действий или условий, которые можно многократно повторять, а исход, к которому они приводят, заранее непредсказуем. С примерами случайных экспериментов вы, наверняка, сталкивались и раньше: а) подбрасывание монеты или игрального кубика; б) проведение лотереи; в) стрельба по мишени; г) подъем уровня воды во время весеннего половодья. Последний пример показывает, что случайные эксперименты может совершать и сама природа - в этом случае нам остается лишь наблюдать за их исходами.

Остановимся еще раз на двух важнейших свойствах случайного опыта - непредсказуемости и повторяемости.

Первым важным свойством случайного опыта является его непредсказуемость. Мы не можем заранее предсказать на какую сторону упадет подброшенная вверх монета или кубик; в какую точку мишени попадет пуля.

Вторым важным свойством случайного опыта является его повторяемость: мы (или природа) можем повторять опыт неограниченное число раз в одних и тех же (или очень близких) условиях.

Теория вероятностей не изучает уникальные эксперименты, которые нельзя повторить многократно, даже если их исходы непредсказуемы.

События будем обозначать заглавными буквами латинского алфавита: A, B, C и т.д.

Событие называется невозможными, если при проведении данного случайного эксперимента никогда не происходит. Например, события: а) при подбрасывании игрального кубика выпадет 7 очков; б) при подбрасывании трех монет число орлов окажется равно числу решек, являются, очевидно, невозможными.

Событие называется достоверным, если при проведении данного случайного эксперимента оно обязательно произойдет. Например, события: а) при подбрасывании игрального кубика выпадет меньше 7 очков; б) при подбрасывании трех монет число орлов окажется не равно числу решек, являются, очевидно, достоверными.

События A и B называются несовместными, если наступление одного из них исключает возможность появления другого. Например, при подбрасывании монеты могут наступить два события: выпадет «орел» или «решка». Однако, одновременно эти события, при одном подбрасывании, появится не могут. Если в результате испытания возможно одновременное появление событий A и B, то такие события называются совместными. Например, выпадение чётного числа очков при подбрасывании игральной кости (событие А) и числа очков, кратного трем (событие В) будут совместными, ибо выпадение шести очков означает наступление и события А, и события В.

Возможными исходами случайного эксперимента называются все взаимоисключающие друг друга варианты, одним из которых он должен завершиться. В результате эксперимента всегда происходит один и только один из его исходов. То есть, с одной стороны, в одном эксперименте не могут произойти сразу два исхода, с другой - эксперимент не может завершиться вообще без всякого исхода. Исходы эксперимента называют элементарными, если их нельзя поделить на более простые. Элементарные исходы в теории вероятностей называют еще элементарными событиями.

Заметим, что число возможных исходов случайного опыта может быть любым - от двух до бесконечности. Например, опыт с монетой имеет всего два возможных исхода (орел и решка), а опыт с кубиком - шесть. Но далеко не во всех случаях все возможные исходы опыта столь очевидны.

Из коробки с одним белым и двумя черными шарами вытаскивают наугад один шар. Сколько возможных исходов у этого опыта? Можно сказать два: шар окажется либо белым, либо черным. А можно сказать три: белый, черный-1, черный-2. И то, и другое правильно, просто во втором случае исходы выбраны более элементарными, а сам опыт описывается ими более детально.

Любое неэлементарное событие может наступить при различных исходах опыта. Все такие исходы называют благоприятными для этого события. Благоприятные они в том смысле, что приводят к его наступлению. Например, для случайного события «На кубике выпадет четное число очков» благоприятными исходами будут 2, 4 и 6.

Если обозначить множество всех возможных исходов опыта большой греческой буквой (читается омега), то каждый исход можно рассматривать как элемент этого множества , а любое случайное событие A - как его подмножество , состоящее из благоприятных для него исходов.

При этом невозможное и достоверное события получаются как два частных случая таких подмножеств: невозможному событию соответствует пустое множество исходов ; достоверному событию соответствует множество всех исходов опыта .

Итак, для любого случайного события A все исходы эксперимента делятся на два множества: благоприятные для этого события и все остальные, которые можно назвать неблагоприятными для него. Если рассматривать событие A как подмножество в множестве всех возможных исходов, то оно будет состоять из благоприятных исходов.

Например, выниманию из колоды одной карты можно поставить в соответствие множество элементарных событий (карт) с 36 исходами. Тогда событию B={вынут туз} соответствует подмножество B={туз пик, туз крести, туз буби, туз червы}.

Пример 14.1. Пусть эксперимент состоит в подбрасывании один раз игральной кости. Обозначим через X число выпавших очков. Построить пространство элементарных событий ? и указать состав подмножеств, соответствующих следующим событиям: A={X кратно3}, B={X - нечетно}, C={X < 7}, D={X > 7}.

Решение. Очевидно, что за элементарные события здесь лучше всего взять события: {1}, {2}, {3}, {4}, {5}, {6}, которые образуют полную группу несовместных событий. При помощи этих элементарных событий можно легко описать все перечисленные в задаче события:

A={3;6}, B={1;3;5}, C=?, D=.

Над событиями можно совершать те же самые операции, что и для множеств. В частности:

Произведением AB событий A и B называют событие, которое происходит тогда и только тогда, когда имеют место оба события A и B одновременно. Например, событие C={вынут туз черви} является произведением событий A и B, где A={вынута карта червонной масти}, а B={вынут туз}.

Суммой A+B событий A и B называют событие, которое происходит только тогда, когда имеет место либо событие A, либо событие B, либо оба вместе.

Разность A-B событий A и B называют событие, которое происходит только тогда, когда имеет место событие A, но не имеет место событие B.

Событие называется противоположным к событию, если оно происходит тогда и только тогда, когда не происходит . Другими словами, противоположное событие состоит из тех элементарных исходов множества , при которых событие не происходит, т.е. .

Действия над событиями становятся более наглядными, если придать им геометрическую интерпретацию в виде диаграмм Эйлера-Венна:

A+B	AB	A-B	B-A

Пример 14.2. Эксперимент состоит в подбрасывании двух игральных костей. Обозначим через X сумму очков, выпадавших на обеих костях. Описать следующие события A+B, AB, A-B, B-A, если A={X кратно трем}={3;6;9;12}и B={X нечетно}={3;5;7;9;11}. Тогда

A+B={3;5;6;7;9;11;12},	A-B={6;12},
AB={3;9},	B-A={5;7;11}.

Пример 14.3. Пусть имеется колода карт, из которой вынимается одна карта. Описать события AB, , A+B, A-B, , если A={вынутая карта - туз}, B={вынутая карта - черви}.

Ответ:

AB = {вынутая карта - червовый туз},

= {вынутая карта - червовая, но не туз},

A+B = {вынутая карта - либо туз, либо черви},

A-B = {вынутая карта -туз, но не черви},

= {вынутая карта - не туз и не черви}.

Используя операции над событиями, можно описывать более сложные события. Например, пусть A, B, C - три события, наблюдаемые в некотором эксперименте. Используя алгебру событий, опишем событие, произошло только событие А. Это означает, произошло событие A, но события B и С не произошли. Это можно записать следующим образом

.

Аналогично, можно описать события: произошло только одно событие, не важно какое или: произошло хотя бы одно событие. Все это можно коротко записать так

,

.

Пример 14.4. Пусть ёлочная гирлянда имеет следующий вид

/

Опишите событие, что: а) цепь будет работать (т.е. загорится хотя бы одна лампочка), б) имеется разрыв цепи (т.е. ни одна лампочка не загорится).

Ответ: а) Для того чтобы цепь работала, нужно чтобы работала лампочка А и (операция умножения) верхняя или нижняя ветка гирлянды (операция сложения). Верхняя ветка будет работать, если будут работать и лампочка B, и лампочка C (операция умножения). Используя алгебру событий всё это можно записать в виде формулы:

.

б) Для того чтобы цепь не работала, нужно чтобы не работала лампочка А или (операция сложения) верхняя и нижняя ветка гирлянды (операция умножения). Верхняя ветка не будет работать, если не будут работать или лампочка B, или лампочка C (операция сложения). Используя алгебру событий всё это можно записать в виде формулы (для обозначения, что лампочка не работаем мы будем использовать символ противоположного события):

.

Упражнения

14.1. Имеется колода карт. Вынимается одна карта. Опишите события и если A={карта пиковой масти}, B={карта - дама}.

Ответ: ={вынутая карта - либо не пики, либо не дама}, ={вынутая карта - либо не пики, либо дама}.

14.2. В урне находится 12 шаров. Все они пронумерованы от 1 до 12. Опишите событие и (A-B)+(B-A), если A={шар с номером кратным 3}, B={шар с номером меньше 5}.

Ответ: ={5, 7, 8, 10, 11}, (A-B)+(B-A)={6, 9, 12, 1, 2, 4}.

14.3. В урне находится 12 шаров. Все они пронумерованы от 1 до 12. Опишите событие и , если А={шар, с номером кратным 4}, B={шар, с номером не меньше 6}.

Ответ: ={8, 12, 1, 2, 3, 5}, ={8, 12}.

14.4. Имеется электрическая цепь. Опишите, что: а) цепь будет работать, б) имеется разрыв цепи.

1) 2) .

Ответ: 1) , ;

2) , .

14.5. Имеется электрическая цепь. Опишите, что: а) цепь будет работать, б) имеется разрыв цепи.

1) 2) .

Ответ: 1) , ;

2) , .

15. ВЕРОЯТНОСТЬ СЛУЧАЙНЫХ СОБЫТИЙ

Чтобы охарактеризовать вероятность события числом, нужно установить единицу измерения вероятности. Здесь поступают следующим образом: достоверному событию приписывают вероятность, равную единице; невозможному - равную нулю. Таким образом, вероятность P(A) события А должна удовлетворять следующим условиям:

1) P(A)=1, если А - достоверное событие;

2) P(A)=0, если А - невозможное событие;

3) 0<P(A)<1, если А - случайное событие.

Существует несколько подходов к нахождению вероятности события: классический, геометрический, статистический, аксиоматический. Мы рассмотрим только классическое и статистическое определения вероятности.

Классическое определение вероятности основано на понятии равновозможности (или равновероятности). Это понятие относится к числу первичных, не подлежащим формальному определению. Оно лишь поясняется рядом простых и доступных примеров. Например, выпадение одной из сторон монеты или одной из граней игральной кости - равновозможные события. Это утверждение опирается на повседневную практику и симметрию изучаемого объекта. Симметрия возможных исходов чаще всего наблюдается в искусственно организованных опытах, где приняты специальные меры для ее обеспечения (например, тасовка карт или костей домино, которая для того и производится, чтобы каждая из них могла быть выбрана с одинаковой вероятностью; или же приемы случайного выбора группы изделий для контроля качества в производственной практике). В таких опытах подсчет вероятностей производится проще всего. Не случайно первоначальное свое развитие теория вероятностей получила на материале азартных игр.

Говорят, что несколько событий образуют полную группу, если в результате опыта неизбежно должно появиться хотя бы одно из них. Примеры событий, образующих полную группу: 1) появление «1», «2», «3», «4», «5», «6» очков при бросании игральной кости; 2) «два попадания», «два промаха», «одно попадание» при двух выстрелах по мишени; 3) «появление хотя бы одного белого», «появление хотя бы одного черного» шара при вынимании двух шаров из урны. Несовместные события, образующие полную группу, называются элементарными событиями (или элементарными исходами). Отметим, что события первого и второго примеров являются элементарными, а третьего - нет, т.к. они совместны.

Элементарные исходы, в которых интересующее нас событие наступает, называются благоприятствующими этому событию. Например, при бросании одной игральной кости для события, состоящего в том, что выпадет не более двух очков, благоприятствующими элементарными исходами будут выпадение «1» или «2» очков.

Классическое определение вероятности: вероятностью события А называется отношение числа m благоприятствующих этому событию исходов к общему числу n всех равновозможных несовместных элементарных исходов, образующих полную группу:

(15.1)

При вычислении вероятностей по классической схеме приходится решать фактически комбинаторные задачи. При решении конкретной комбинаторной задачи нужно вначале выяснить, каким способом вы будете ее решать, либо непосредственным применением принципов умножения и сложения, либо применением комбинаторных формул, но перед этим нужно выяснить какой вид комбинации имеется в задаче, важен ли в ней порядок или нет, допускаются повторения или нет.

Пример 15.1. В колоде 36 карт. Какова вероятность вынуть: а) туза; б) туза пик; в) тузы красного цвета; г) любую карту, кроме туза.

Решение. Найдем общее число возможных исходов. Поскольку вынимается только одна карта, то число всевозможных исходов будет n=36. Найдем число благоприятствующих исходов для каждого случая. а) В колоде всего четыре туза, следовательно, m1=4. Тогда

.

б) Имеется всего один пиковый туз, т.е. m2=1 и

.

в) Тузов красного цвета в колоде два (черви и бубни), т.е. m3=2 и

.

г) Карт, отличающихся от туза, в колоде всего m4=32. Следовательно, искомая вероятность будет равна

.

Пример 15.2. На школьной вечеринке разыгрывается 100 билетов, из них 25 - выигрышных. Главный приз - компьютер - 1, игровых приставок - 5 и остальные призы поощрительные - шариковые ручки. Какова вероятность того, что владелец одного билета: а) выиграет главный приз; б) выиграет ценный приз; в) хоть что-нибудь выиграет; г) выбросит деньги на ветер?

Решение. Очевидно, что общее исходов n=100. Рассмотрим каждую из ситуаций отдельно. а) Благоприятствующих исходов выиграть компьютер только один: m1=1. Поэтому вероятность выиграть компьютер будет

.

б) Для второго случая , т.е. вероятность выиграть ценный приз

.

в) Всего выигрышных билетов m3=25, следовательно, вероятность хоть что-нибудь выиграть равна

.

8) Поскольку проигрышных билетов m4=75, то вероятность выбросить деньги на ветер, т.е. ничего не выиграть, равна

.

Пример 15.3. В урне содержатся 3 синих, 5 красных и 2 белых шара. Из нее наудачу извлекаются сразу два шара. Найти вероятность того, что будут вынуты либо два белых шара, либо два разных цветных (синий и красный) шара.

Решение. Поскольку в данной задаче неважен порядок, то для решения будем применять сочетания без повторения (шары не возвращаются обратно в урну). Найдем общее число возможных исходов:

Теперь найдем число благоприятствующих возможных исходов. Два белых шара можно вынуть m1=C22=1 способом, два разных цветных шара m2=C31C51=35=15 способами. Тогда общее число благоприятствующих исходов, в соответствии с принципом сложения, равно m = m1+m2 = 16. Таким образом,

Пример 15.4. Наудачу взятый телефонный номер состоит из 5 цифр. Какова вероятность, что в нем все цифры разные?

Решение. Предположим, что равновозможны появления любой из 10 цифр во всех позициях телефонного номера. Поскольку при составлении пятизначным номеров важен порядок и возможны повторения, то общее число возможных пятизначных номеров будет равно

Номера, у которых все цифры разные, - это размещения без повторений

Таким образом, искомая вероятность (при сделанном предположении) будет равна

Упражнения

15.1. Зенитная батарея, состоящая из 3 орудий, производит залп по группе, состоящей из 4 самолётов. Каждое из орудий выбирает себе цель наудачу независимо от остальных. Найти вероятность того, что все орудия выстрелят: а) по разным самолётам; б) по одному и тому же самолёту.

Решение: В данной задаче важен порядок, т.е. различается, какое орудие и по какому самолету выстрелило. Следовательно, в данной задаче мы имеем дело с размещениями. Поскольку орудия могут выстрелить по одному и тому же самолету, то общее число возможных исходов будет равно числу размещений с повторениями .

а) Если все орудия выстрелят по разным самолетам, то будем иметь дело с размещениями без повторений. Тогда число благоприятствующих исходов будет равно . Таким образом,

.

б) Если все орудия выстрелят по одному и тому же самолету, то число благоприятствующих исходов будет равно . Таким образом,

.

15.2. Собрание, на котором присутствуют 20 человек, в том числе 8 женщин, выбирают делегацию из 5 человек. Найти вероятность того, что в делегацию войдут 3 женщины, считая, что каждый из присутствующих может быть избран с одинаковой вероятностью?

Ответ: .

15.3. Для уменьшения общего количества игр 10 команд случайным образом разбиты на две равные подгруппы. Определить вероятность того, что две наиболее сильные команды окажутся в одной подгруппе.

Решение: В данной задаче порядок неважен, т.е. не принимается во внимание порядок отбора команд в группу. Следовательно, в данной задаче мы имеем дело с сочетаниями. Для того чтобы разбить 10 на две равные подгруппы достаточно выбрать 5 команд, которые и образуют одну из подгрупп, тогда остальные образуют другую подгруппу. Таким образом, общее число разбиений команд на две равные подгруппы будет равно . Для того, чтобы разбить команды на две подгруппы с указанными условиями, можно поступить следующим образом. Либо выбрать две наиболее сильные команды (это можно сделать способами ), а затем добавить к ним 3 оставшиеся команды из оставшихся 8 не самых сильных команд ( способов). Либо выбрать сразу 5 команд из 8 не самых сильных команд ( способов). Тогда число благоприятствующих исходов будет равно . Таким образом,

.

15.4. Шесть различных книг случайных образом расставляют на полке. Найти вероятность того, что две определенные книги окажутся рядом.

Ответ: .

15.5. 10 вариантов контрольной работы распределены среди 6 студентов. Найти вероятность того, что варианты с номерами 1, 2 и 3 не будут использованы.

Ответ: .

15.6. В первой урне находятся 5 белых и 3 черных шара, во второй - 4 белых и 6 черных шаров. Из каждой урны случайным образом вынули по одному шару. Найти вероятность того, что оба шара будут разного цвета.

Ответ: .

15.7. В урне 4 белых и 5 черных шаров. Из урны взяли три шара. Какова вероятность того, что шары будут одного цвета?

Ответ: .

При различных подходах к вероятности, величина P(A) может трактоваться по-разному. На практике часто используются статистическое определение вероятности, т.е. под вероятностью события A понимается величина

, (15.2)

где под n понимается количество наблюдений результатов эксперимента, в которых событие A встречалось ровно m раз (конечно, число наблюдений n должно быть достаточно большим).

Пример 15.3. Аналитик по инвестициям собирает данные об акциях и отмечает, выплачивались ли по ним дивиденды и увеличивались или нет акции в цене за интересующий его период времени. Собранные данные были представлены в виде таблицы:

Выплата дивидендов	Цена увеличилась	Цена не увеличилась	Итого
Производилась	34	78	112
Не производилась	85	49	134
Итого	119	127	246

Если акция выбрана случайно из набора в 246 акций, то чему равна вероятность того, что: а) она из числа тех акций, которые увеличились в цене; б) по ней выплачены дивиденды; в) по ней не выплачены дивиденды, и она не выросла в цене.

Решение. Используя статистическое определение вероятности, легко получаем:

а) ;	б) ;	г) .

Упражнения

15.8. Статья в журнале «Business Week» обсуждает проблему заработной платы руководителей крупных корпораций. Следующая таблица составлена из данных этой статьи и содержит данные по ряду фирм, в которых руководители имели годовой доход свыше 1 млн. дол. и меньше 1 млн. дол. Таблица составлена в соответствии с тем, получали или нет владельцы акций этих корпораций годовой доход за обсуждаемый период времени.

	Доход руководителя свыше 1 млн. дол.	Доход руководителя меньше 1 млн. дол.	Итого
Держатели акций получили доход	1	6	7
Держатели акций не получили доход	2	1	3
Итого	3	7	10

а) Если фирма выбрана случайным образом, чему равна вероятность того, что её руководитель имеет годовой доход свыше 1 млн. дол.?

б) Если фирма выбрана случайно, чему равна вероятность того, что держатели её акций получили годовой доход?

в) Зная, что некоторая фирма не выплатила дивиденды, чему равна вероятность того, что её руководитель имеет годовой доход свыше 1 млн. дол.?

г) Зная, что руководитель одной из фирм получает свыше 1 млн. дол. годового дохода, чему равна вероятность получения дивидендов держателями акций этой фирмы?

Ответ. а) 0,3; б) 0,7; в) 2/3; г) 1/3.

16. УМНОЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

В задачах, использующих вероятностные количественные характеристики, приходится по вероятностям одних событий оценивать вероятности других событий. Для этого используются различные соотношения, в основе которых лежат теоремы сложения и умножения вероятностей.

Событие А называется независимым от события В, если вероятность появления события А не зависит от того, произошло событие В или нет; в противном случае такие события называются зависимыми. Например, вероятность события того, что во второй раз из урны, содержащей белые и черные шары, будет вынут белый шар, не зависит от того, какой шар был вынут в первый раз, если он был возвращен обратно. Однако если первый шар не был возвращен обратно, то результат второго извлечения уже будет зависеть от первого, ибо состав шаров в урне уже изменится в зависимости от результата первого извлечения.

Вероятность произведения независимых событий A и B равна произведению вероятностей этих событий:

. (16.1)

Пример 16.1. Алмазы, возможно, вскоре станут использовать в качестве полупроводников в спутниках связи. Эксперты предсказывают, что алмазные микросхемы будут более быстродействующими, термо- и радиационностойкими, что особенно важно для приборов, работающих в космосе. По оценкам экспертов, вероятности этих трех событий равны 0,9; 0,9 и 0,95 соответственно. Предполагается, что обсуждением проекта по разработке алмазных микросхем стоит вести лишь в том случае, если имеется хотя бы 70% уверенности в том, что они будут обладать всеми тремя указанными свойствами. Должен ли обсуждаться проект?

Решение. Пусть A - событие, состоящее в том, что алмазные микросхемы будут более быстродействующими, B - событие, состоящее в том, что алмазные микросхемы будут более термостойкими, C - событие, состоящее в том, что алмазные микросхемы будут более радиационностойкими. Поскольку события A, B и С независимы, то, используя теорему умножения вероятностей (2.3), получим

.

Таким образом, поскольку 0,7695>0,7, то предложенный проект следует обсуждать.

Пример 16.2. Дана электрическая цепь:

Вероятность выхода из строя элемента А равна 0,1, элемента В - 0,2, элемента С - 0,3. Найти вероятность разрыва цепи.

Решение. В данном случае разрыв цепи произойдет только тогда, когда выйдут из строя все элементы цепи, т.е. и элемент А, и элемент В, и элемент С. При помощи алгебры событий разрыв цепи можно описать следующим образом: . Поскольку эти события независимы, то

Вероятность события A, вычисленная при условии, что имело место другое событие B, называется условной вероятностью события A и обозначается или .

Вероятность произведения двух событий A и B равна произведению вероятности одного из них на условную вероятность другого, вычисленную при условии, что первое событие уже имело место:

. (16.2)

Пример 16.3. Одна из наиболее сложных проблем рыночных исследований - отказ потребителей отвечать на вопросы о потребительских предпочтениях, либо, если опрос проводится по месту жительства, - отсутствие их дома на момент опроса. Предположим, что исследователь рынка с вероятностью в 0,94 верит, респондент согласится отвечать на вопросы анкеты, если окажется дома. Он также полагает, что вероятность того, что этот человек будет дома, равна 0,65. Имея такие данные, оцените процент заполненных анкет.

Решение. Пусть A - событие того, что респондент окажется дома. Вероятность этого события . Пусть B - событие того, что респондент согласится отвечать на вопросы. По условию задачи задана условная вероятность , т.е. вероятность того, что он согласится отвечать на вопросы, если он будет дома. Тогда, согласно теореме умножения вероятностей зависимых событий (2.4), вероятность того, что человек будет дома и согласится отвечать на вопросы, будет равна

,

т.е. процент заполненных анкет будет равен 61%.

Пример 16.4. Вероятность попадания в цель при отдельном выстреле (событие А) равна 0,8. Какова вероятность поражения цели, если в 2% случаях бывают осечки, т.е. в 2% случаях выстрела не происходит?

Решение. Пусть событие В состоит в том, что выстрел произошел, тогда событие означает противоположное событие, т.е. что произошла осечка. По условию P()=0,02, отсюда получаем P(B)=1-P()=0,98. По условию задачи PB(A)=0,8. Поражение цели означает совмещение событий В и А, т.е. что выстрел произойдет и даст попадание. Поэтому

P(AB) = P(B)PB(A) = 0,980,8 = 0,784.

Пример 16.5. В коробке девять одинаковых радиоламп, три из которых были в употреблении. В течение рабочего дня мастеру для ремонта пришлось взять две радиолампы. Какова вероятность того, что обе радиолампы были в употреблении?

Решение. Вероятность того, что первая взятая радиолампа была в употреблении (событие А), равна P(A)=3/9. После того как событие А произошло в коробке осталось 8 радиолам, из которых две были в употреблении. Поэтому для события В, состоящего в том, что вторая радиолампа была в употреблении, условная вероятность PA(B)=2/8. Следовательно, вероятность появления двух ламп, бывших в употреблении, равна:

P(AB) = P(A)PA(B) = .

Заметим, что данную задачу можно решить и комбинаторным способом:

P(AB) = .

Понятие условной вероятности позволяет естественным образом определить независимость событий. Говорят, что событие А независимо от события В, если имеет место равенство

PB(A) = P(A),

т.е. если наступление события В не влияет на вероятность наступления события А. Если событие А не зависит от В, то и событие В также не зависит от А. Таким образом, свойство независимости взаимно. Поэтому за определение независимости двух событий А и В можно принять условие (16.1).

Упражнения

16.1. Вероятность того, что завтра цены на потребительские товары вырастут, равна 0,3; вероятность того, что завтра поднимется цена на серебро, равна 0,2, а вероятность одновременного роста цен на потребительские товары и серебро составляет 0,06. Являются ли цены на потребительские товары и серебро независимыми друг от друга? Поясните ответ.

Ответ. Да, т.к. 0,30,2=0,23.

16.2. Иностранная фирма, производящая автомобили, интересуется российским рынком. Для изучения вкусов потенциальных покупателей проводится опрос, в котором выясняются наиболее желательные характеристики автомобиля. Предположим, что результаты опроса показали: 35% потенциальных покупателей в основном оценивают автомобиль по его техническим характеристикам, 50% - по его дизайну, 25% - считают важным и то, и другое. Основываясь на этой информации, ответьте, являются ли два вида предпочтений потенциальных покупателей независимыми друг от друга? Объясните почему?

Ответ. Нет, не являются, т.к. 0,350,50,25.

16.3. Аудиторская фирма размещает рекламу в журнале 'Коммерсант'. По оценкам фирмы, 60% людей, читающих журнал, являются потенциальными клиентами фирмы. Выборочный опрос показал также, что 85% людей, которые читают журнал, помнят о рекламе фирмы, помещенной в конце журнала. Оцените, чему равен процент людей, которые являются потенциальными клиентами фирмы и могут вспомнить ее рекламу?

Ответ. 0,850,6=0,51, т.е. 51%.

16.4. Консультационная фирма получила приглашение для выполнения двух видов работ от двух международных корпораций. Руководство фирмы оценивает вероятность получения заказа от фирмы А (событие А) равной 0,45. Также, по мнению руководителей фирмы, в случае, если фирма заключит договор с компанией А, то с вероятностью в 90% компания В даст фирме консультационную работу. С какой вероятностью компания получит оба заказа?

Ответ. 0,450,9=0,405.

16.5. Вероятность наступления события А в каждом опыте одинакова и равна 0,4. Опыты производятся последовательно до наступления события А. Определить вероятность того, что понадобится ровно 3 опыта.

Ответ. 0,40,40,6=0,096.

17. СЛОЖЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТЕЙ

Вероятность суммы несовместных событий A и B равна сумме вероятностей этих событий:

. (17.1)

Пример 17.1. В ходе исследования потребительского рынка проводили опрос потребителей. В частности, один из вопросов касался сорта зубной пасты, которую использует потребитель. Если известно, что 14% населения использует сорт A, а 9% - сорт B, то чему равна вероятность того, что случайно выбранный человек будет использовать одну из двух паст. (Предполагается, что в данный момент человек использует только одну пасту).

Решение. Пусть A - событие, состоящее в том, что выбранный человек использует пасту сорта A, а B - событие, состоящее в том, что выбранный человек использует пасту сорта B. Поскольку события A и B несовместные по условию задачи, то, используя теорему сложения вероятностей (2.2), получим

.

Пример 17.2. Из колоды в 36 карт наугад вынимают 3 карты. Найти вероятность того, что среди них окажется хотя бы один туз.

Решение. Введем следующие события: B={появление хотя бы одного туза}, A1={появление одного туза}, A2={появление двух тузов}, A3={появление трех тузов}. Очевидно, что B=A1+A2+A3. Поскольку события A1, A2 и A3.несовместны, то

P(B) = P(A1)+P(A2)+P(A3) =

Вероятность суммы совместных событий A и B равна сумме вероятностей этих событий без вероятности их совместного появления:

. (17.2)

Пример 17.3. Вероятность того, что покупатель, собирающийся приобрести компьютер и пакет прикладных программ, приобретет только компьютер, равна 0,15. Вероятность того, что покупатель купит только пакет программ, равна 0,1. Вероятность того, что будут куплены и компьютер и пакет программ, равна 0,05. Чему равна вероятность того, что будут куплены или компьютер, или пакет программ, или компьютер и пакет программ вместе?

Решение. Пусть A - событие того, что покупатель приобретет компьютер, B - событие того, что покупатель приобретет пакет программ, тогда AB - событие того, что покупатель приобретет и компьютер, и пакет программ. Следовательно, вероятность того, что будут куплены или компьютер, или пакет программ, или компьютер и пакет программ вместе, будет равна

.

Пример 17.3. Два стрелка делают одновременно по одному выстрелу по мишени. Вероятность попадания для первого стрелка равна 0,8, для второго - 0,7. Какова вероятность поражения цели?

Решение. Пусть A1={первый стрелок попал по цели}, A2={второй стрелок попал по цели}. Мишень будет поражена (событие В), если произойдет событие А1+А2. Поскольку события А1 и А2 совместны, но независимы, то

P(А1+А2) = P(А1)+P(А2)-P(А1)P(А2) = 0,7+0,8-0,70,8 = 0,94.

Отметим, что событие В можно записать также в виде . Тогда получим

P(B) = P(A1)P()+P()P(A2)+P(A1)P(A2) = 0,80,3+0,20,7+0,70,8 = 0,94.

Пример 17.4. Дана электрическая цепь:

Вероятность выхода из строя элемента А равна 0,1, элемента В - 0,2, элемента С - 0,3. Найти вероятность разрыва цепи.

Решение. В данном случае разрыв цепи произойдет только тогда, когда выйдет из строя элемент А, или сразу два элемента В и С. При помощи алгебры событий разрыв цепи можно описать следующим образом: . Поскольку эти события совместные и независимые, то получим

= .

Упражнения

17.1. Предположим, что 25% населения живёт в области, охваченной коммерческим TV, рекламирующим новые модели автомобилей некоторой фирмы; 34% населения охвачено коммерческим радио, рекламирующим продукцию той же фирмы. Также известно, что 10% населения охвачено коммерческим и радио и телевидением. Если случайно отобрать человека, живущим в данной области, то чему будет равна вероятность того, что он знаком хотя бы с одной из рекламных передач фирмы?

Ответ. 0,25+0,34-0,1=0,49.

17.2. В большом универмаге установлен скрытый 'электронный глаз' для подсчета числа входящих покупателей. Когда два покупателя входят в магазин вместе и один идет перед другим, то первый из них будет учтен электронным устройством с вероятностью 0,98, второй - с вероятностью 0,94, а оба - с вероятностью 0,93. Чему равна вероятность того, что устройство сканирует по крайне мере одного из двух входящих вместе покупателей.

Ответ. 0,98+0,93-0,980,93=0,9986.

17.3. Девушка забыла последнюю цифру телефонного номера своего жениха и набрала её наугад. Какова вероятность того, что ей понадобится набирать номер не более трёх раз? Рассмотреть случай блондинки и брюнетки. (Блондинка не помнит какую цифру она набирала перед этим, а брюнетка помнит.)

Ответ. Случай блондинки: ;

случай брюнетки: .

18. ВЕРОЯТНОСТЬ ПОЯВЛЕНИЯ ХОТЯ БЫ ОДНОГО СОБЫТИЯ

В жизни, производстве часто возникают такие ситуации, когда нужно вычислить вероятность появления хотя бы одного события из некоторого набора возможных событий. Например, если по цели был сделан залп из нескольких орудий, то интерес представляет вероятность того, что цель будет поражена, т.е. что будет хотя бы одно попадание.

Два несовместных события A и называются противоположными, если при эксперименте одно из них обязательно произойдет. Иначе, для противоположных событий справедливы равенства:

, .

Вероятности противоположных событий связаны соотношением

(18.1)

Вероятность появления хотя бы одного из событий A1, A2,…, An равна разности между единицей и вероятности совместного появления противоположных событий:

. (18.2)

Если события A1, A2,…, An независимы и их вероятности одинаковы, т.е. и , то

. (18.3)

Пример 18.1. Вероятности попадания в цель при стрельбе из трех орудий таковы: p1=0,8, p2=0,7, p3=0,9. Найти вероятность хотя бы одного попадания при одном залпе из всех орудий.

Решение. Поскольку вероятности попаданий независимы и q1=1-p1=0,2, q2=1-p2=0,3, q3=1-p3=0,1, то искомая вероятность равна

P(A) = 1-q1q2q3 = 1-0,006 = 0,994.

Пример 18.2. Уличный торговец предлагает прохожим иллюстрированную книгу. Из предыдущего опыта ему известно, что в среднем один из 65 прохожих, которым он предлагает книгу, покупают ее. В течение некоторого промежутка времени он предложил книгу 20 прохожим. Чему равна вероятность того, что он продаст им хотя бы одну книгу?

Решение. Пусть Ai - событие того, что i-й прохожий купит книгу. Вероятность этого события , а противоположного события . Тогда вероятность того, что хотя бы один из 20 прохожих купят книгу, будет равна

.

Пример 18.3. Вероятность того, что при одном выстреле стрелок попадет в цель, равна p=0,4. Сколько выстрелов должен произвести стрелок, чтобы с вероятностью не менее 0,9 он попал в цель хотя бы один раз?

Решение. Вероятность попадания хотя бы один раз при n выстрелах равна:

P(A) = 1 - qn,

где q=1-p. Поскольку P(A)0,9, то

1 - qn 0,9 qn 0,1 n lg q lg0,1

.

Таким образом, чтобы хотя бы один раз попасть в цель с вероятностью не менее 0,9, стрелок должен произвести не менее 5 выстрелов.

Упражнения

18.1. Отдел маркетинга фирмы проводит опрос для выяснения мнений потребителей по определенному типу продуктов. Известно, что в местности, где проводятся исследования, 10% населения являются потребителями интересующего фирму продукта и могут дать ему квалифицированную оценку. Компания случайным образом отбирает 10 человек из всего населения. Чему равна вероятность того, что, по крайней мере, один человек из них может квалифицированно оценить продукт?

Ответ. .

18.2. Пакеты акций, имеющихся на рынке ценных бумаг, могут дать доход владельцу с вероятностью 0,5 (для каждого пакета). Сколько пакетов акций различных фирм нужно приобрести, чтобы с вероятностью, не меньшей 0,96875, можно было ожидать доход хотя бы по одному пакету акций?

Ответ. Из уравнения получаем, что не менее 5 пакетов.

18.3. Для рыночного исследования необходимо проведение интервью с людьми, которые добираются на работу общественным транспортом. В районе, где проводится исследование, 75% людей добираются на работу общественным транспортом. Если три человека согласны дать интервью, то чему равна вероятность того, что, по крайней мере, один из них добирается на работу общественным транспортом?

Ответ. .

18.4. Модельер, разрабатывающий новую коллекцию одежды к весеннему сезону, создает модели в зеленой, черной и красной цветовой гамме. Вероятность того, что зеленый цвет будет в моде весной, модельер оценивает в 0,3, что черный - в 0,2, а вероятность того, что будет моден красный цвет - в 0,15. Предполагая, что цвета выбираются независимо друг от друга, оцените вероятность того, что цветовое решение коллекции будет удачным хотя бы по одному из выбранных цветов?

Ответ. P=1 - 0,70,80,85 = 0,524

18.5. Предположим, что для одной торпеды попасть в цель равна 0,7. Какова вероятность того, что три торпеды потопят корабль, если для потопления корабля достаточно одного попадания в цель?

Ответ. .

ЗАДАЧИ

1. Вычислить:

а) ,	б) ,	в) ,
г) ,	д) ,	е) .

Ответ: а); б) 4; в) 1; г) 42; д) 4; е) .

2. Упростить:

а) ,	б) ,	в) ,
г) ,	д) ,	е) .

Ответ: а) ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) .

3. Решить уравнения (n):

а) ,	б) ,	в) ,
г) ,	д) ,	е) .

Ответ: а) 8; б) 4; в) 10; г) 8; д) 5; е) 4.

4. Найти все n, удовлетворяющие условию:

а) ,	б) ,	в) ,
г) ,	д) ,	е) .

Ответ: а) ; б) ; в) ; г) ; д) ; е) .

5. Доказать справедливость равенств:

а) ,	б) ,	в) ,
г) ,	д) ,	е) .

6. Разложить по формуле бинома Ньютона и упростить:

а) ,	б) ,	в) ,	г) .

Ответ: а) ;

б) ; в) ;

г) .

7. Найти средние члены разложения:

а) ,

б) .

Ответ: а) и ; б) .

8. Решите уравнения:

а) б) в)

Ответ: а) 4; б) 5; в) 9.

9. У одного человека есть 7 книг по математике, а у другого - 9 книг. а) Сколькими способами они могут обменять книгу одного на книгу другого? б) То же самое, но меняются две книги одного на две книги другого.

Ответ: а) ; б) .

10. Несколько человек садятся за круглый стол. Будем считать, что два способа рассадки совпадают, если каждый человек имеет одних и тех же соседей в обоих случаях. а) Сколькими различными способами можно посадить четырех человек? б) семь человек? в) Во скольких случаях два данных человека из семи оказываются соседями? г) Во скольких случаях данный человек (из семи) имеет двух данных соседей?

Решение: а) Отношение соседства сохраняется при циклических перестановках и при симметричном отражении. В случае четырех человек мы имеем 24=8 преобразований, сохраняющих отношение соседства. Т.к. общее число перестановок 4 человек равно 4!=24, то имеем 24/8=3 различных способа рассадки.

б) Если за столом сидят 7 человек, то имеем 7!/14=360 способов, вообще, а в случае n человек (n-1)!/2 способов.

в) Число способов, при которых 2 данных человека сидят рядом, вдвое больше числа способов посадить 6 человек (в силу возможности поменять этих людей местами). Значит оно равно .

г) Находится аналогичным образом: .

11. Сколькими способами можно посадить за круглый стол 5 мужчин и 5 женщин так, чтобы никакие два лица одного пола не сидели рядом? Если они садятся не за круглый стол, а за карусель и способы, переходящие друг в друга при вращении карусели, считаются совпадающими.

Ответ:, .

12. Из колоды, содержащей 52 карты, вынули 10 карт. Во скольких случаях среди этих карт окажется хотя бы один туз? Во скольких случаях ровно один туз? Во скольких случаях не менее двух тузов? Ровно два туза?

Ответ:, , , .

13. В купе ж/д вагона имеется два противоположных дивана по 5 мест в каждом. Из 10 пассажиров четверо желают сидеть лицом к паровозу, а трое - спиной, остальным безразлично как сидеть. Сколькими способами могут разместиться пассажиры?

Решение: Сначала выберем, кто из трех пассажиров, кому безразлично как сидеть, сядет лицом к паровозу. Этот выбор можно сделать 3 способами. На каждом диване можно пересаживать пассажиров 5! Способами. Всего получаем способов.

14. У мамы 2 одинаковых яблока и 3 одинаковых груши. Каждый день в течение пяти дней подряд она выдает по одному фрукту. а) Сколькими способами это можно сделать? б) Если яблок m, а груш n. в) 2 яблок,3 груши, 4 апельсина.

Ответ: а) ; б) , в) .

15. У отца есть 5 различных апельсинов, которые он выдает своим 8 сыновьям так, что каждый получает либо один апельсин, либо ничего. Сколькими способами можно это сделать? Решите эту задачу при условии, что число апельсинов, получаемых каждым сыном, неограниченно.

Ответ: ; .

16. Из группы, состоящей из 7 мужчин и 4 женщин. Надо выбрать 6 человек так, чтобы среди них было не меньше 2 женщин. Сколькими способами можно это сделать?

Ответ: .

17. Найти сумму всех трёхзначных чисел, которые можно написать с помощью цифр 1, 2, 3, 4. А если никакая цифра не должна появляться дважды в записи каждого числа?

Решение: Всего таких чисел , в них цифр, каждая из 4 цифр употребляется раза - в каждом из трёх разрядов раз, поэтому сумма цифр первого разряда даст 16 (1+2+3+4)=160, второго -1600 и третьего -16000. Сумма равна 17760.

Если цифры не повторяются, то таких чисел , в них 72 цифры, каждая из 4 цифр употребляется в каждом из 3 разрядов 6 раз, поэтому сумма 6(1+2+3+4)(1+10+100)=6660.

18. Сколько различных четырехзначных чисел, делящихся на 4, можно составить из цифр 1,2, 3, 4, 5, если каждая цифра может встречаться в записи числа несколько раз? А если каждая цифра встречается лишь один раз?

Решение: Число должно оканчиваться: 12, 24, 32, 44, 52; первые же две цифры могут быть произвольными. Всего получаем чисел. Во втором случае число должно оканчиваться на одну из четырёх комбинаций: 12, 32, 52, 24; первые же две цифры могут быть выбраны из оставшихся трёх способами. Всего получаем 24 числа.

19. Компания из 7 юношей и 10 девушек танцует парами. а) Если в каком-либо танце участвуют все юноши, то сколько имеется вариантов участия девушек в этом танце? Сколько имеется вариантов, если учитывать лишь то, какие девушки остались неприглашенными? б) Решить те же вопросы, если относительно двух девушек можно с уверенностью утверждать, что они будут приглашены на танец.

Ответ: а) , . б) , .

20. Рота состоит из 3 офицеров, 6 сержантов, 60 рядовых. Сколькими способами можно выделить из них отряд, состоящий из одного офицера, двух сержантов и 20 рядовых? Решить эту задачу, при условии, что в отряд должны войти командир роты и старший из сержантов.

Ответ: ; .

21. На школьном вечере присутствуют 12 девушек и 15 юношей. Сколькими способами можно выбрать из них 4 пары для танца?

Ответ: .

22. Сколькими способами можно расставить 20 книг в книжном шкафу с 5 полками, если каждая полка может вместить все 20 книг?

Ответ: Добавим к 20 книгам 4 одинаковых разделительных предмета и рассмотрим все перестановки полученных объектов. Их число равно .

23. Сколькими способами можно надеть 5 различных колец на пальцы одной руки, исключая большой палец?

Ответ: Точно так же как предыдущей задаче .

24. 30 человек голосуют по 5 предложениям. Сколькими способами могут распределиться голоса, если каждый голосует за одно предложение и учитывается лишь число голосов, полученных за каждое предложение?

Решение: Так как учитывается лишь число голосов, поданных за каждое предложение, то надо распределить 30 одинаковых «предметов» по 5 «ящикам». Для этого добавим 4 одинаковых разделительных предмета и рассмотрим все перестановки полученных объектов. Их число равно . Каждой перестановке соответствует своё распределение голосов.

25. Переплетчик должен переплести 12 различных книг в красный, зеленый и коричневый переплеты. Сколькими способами он может это сделать, если в каждый цвет должны быть переплетены хотя бы одна книга?

Решение: 12 книг можно переплести в переплеты трёх цветов способами. Из них в случаях книги будут переплетены в не более чем два цвета, а в трех случаях - в один цвет. По формуле включений и исключений в случаях книги будут переплетены в переплеты всех цветов.

26. Сколькими способами можно выбрать 12 человек из 17, если данные двое человек из этих 17 не могут быть выбраны вместе?

Ответ: .

27. Хор состоит из 10 участников. Сколькими способами можно в течение трех дней выбирать по 6 участников, так, чтобы каждый день были различные составы хора?

Ответ: .

28. Человек имеет 6 друзей и в течение 20 дней приглашает к себе 3 из них так, что компания ни разу не повторяется. Сколькими способами можно это сделать?

Ответ: Так как , то каждый способ выбора компании будет использован ровно один раз. Число перестановок этих способов равно 20!

29. Для премии по математической олимпиаде выбраны 3 экземпляра одной книги, 2 экземпляра другой и 1 экземпляр третьей книги. Сколькими способами могут быть вручены премии, если в олимпиаде участвовало 20 человек и никому не дают две книги сразу? Если никому не дают двух экземпляров одной и той же книги, но могут быть вручены две или три различные книги?

Решение: Сначала выберем призеров, а потом распределим между ними книги. В результате по принципу умножения получаем способов. Во втором случае сначала выберем, кто получил первую книгу, потом, кто получил вторую, и, наконец, кому достанется третья книга. Всего получаем способов распределения премий.

30. Сколькими способами можно выбрать из 16 лошадей шестерку для запряжки так, чтобы вошли 3 лошади из шестерки ABCA'B'C', но ни одна из пар AA', BB', CC'?

Решение: Выберем по одной лошади из каждой пары AA', BB', CC' (8 способов выбора), трех лошадей из остальных 10 ( способов) и выберем порядок запрягания лошадей (6! способов). Всего способов.

31. Сколькими способами можно переставить буквы в слове «фатеция» так, чтобы не менялся порядок гласных букв?

Решение: Выпишем сначала гласные в данном порядке. Тогда для буквы «ф» имеем 5 мест. После того как они выписаны, имеем 6 мест для буквы «ц» и, наконец, 7 мест для буквы «м». Всего способов.

32. Сколькими способами можно переставить буквы в слове «параллелизм» так, чтобы не менялся порядок гласных букв?

Ответ: (следует учесть, что буква «л» входит в слово трижды.

33. Сколькими способами можно переставить буквы слова «Юпитер» так, чтобы гласные шли в алфавитном порядке?

Ответ: .

34. Сколькими способами можно переставить буквы слова «пастух» так, чтобы между двумя гласными были две согласные?

Ответ: Сначала фиксируем порядок гласных (2 способа), затем поставим между этими гласными 2 согласные ( способов). Первую из оставшихся согласных букв можно поставить до или после обеих гласных (два способа), а для второй имеем уже три места. Всего получаем способа.

35. Сколькими способами можно распределить 3n предметов между тремя людьми так, чтобы каждый получил n предметов?

Ответ: Расставим предметы в некотором порядке и отдадим первому человеку первые n предметов, второму - вторые n предметов и последнему - оставшиеся предметы. Поскольку порядок элементов в группах не играет роли, получаем .

36. Сколькими способами можно разложить 10 книг на 5 бандеролей по 2 книги в каждой (порядок бандеролей не принимается во внимание)?

Ответ: .

37. Сколькими способами можно раздать 18 различных предметов 5 участникам так, чтобы четверо из них получили по 4 предмета, а пятый - два предмета. Если трое получают по 4 предмета, а двое - по 3 предмета?

Решение: Располагаем участников раздела в некотором порядке. После этого располагаем всеми способами 18 предметов по порядку и делим на 4 группы по 4 предмета и 1 группу в 2 предмета. Группу в 2 предмета отдаём одному из 5 участников раздела, а остальные группы даём остальным (первую группу - первому, вторую - второму и т.д.) Так как порядок элементов в группах не играет роли, получаем способов раздела. Во втором случае точно так же получаем способов.

38. Сколькими способами можно раздать 27 книг лицам A, B и C так, чтобы A и B вместе получили вдвое больше книг, чем C?

Решение: Сначала выберем 9 книг для C. Это можно сделать способами. Оставшиеся 18 книг можно разделить между A и B 218 способами. Всего имеем способов раздела.

39. Сколькими способами можно выбрать из чисел от 1 до 100 три числа так, чтобы их сумма делилась на 3?

Решение: Возможны следующие случаи: на 3 делятся все три слагаемых, одно слагаемое и ни одного из слагаемых. В первом случае слагаемые можно выбрать способами. Во втором случае одно слагаемое дает в остатке 1, а другое - 2. Так как чисел от 1 до 100, дающих в остатке 1, имеется 34, а чисел, делящихся на 3, а также дающих в остатке 2, имеется по 33, то во втором случае имеем способов. Если все три слагаемых не делятся на 3, то они дают либо остатки 1, 1 и 1, либо 2, 2 и 2. Соответственно получаем или способов. Всего имеем способа.

40. Сколькими способами можно выбрать из 3n последовательных целых чисел три числа так, чтобы их сумма делилась на 3?

Ответ: .

41. На плоскости проведены 4 прямые линии, из которых никакие две не являются параллельными и никакие 3 не проходят через одну точку. Сколько получится треугольников?

Ответ: 4.

42. На плоскости задано n точек, из которых p лежат на одной прямой, а кроме них никакие 3 точки не лежат на одной прямой. Сколько существует треугольников, вершинами которых являются эти точки?

Решение: Если бы никакие три из n точек лежат на одной прямой, то было бы треугольников с вершинами в этих точках. Но p точек лежат на одной прямой, и поэтому треугольников надо отбросить. Остается треугольников.

43. На прямой взяты p точек, а на другой прямой - ещё q точек. Сколько существует треугольников, вершинами которых являются эти точки?

Ответ: Можно взять две вершины на одной прямой, а третью - на другой. Поэтому получаем треугольников.

44. Каждая сторона квадрата разбита на n частей. Сколько можно построить треугольников, вершинами которых являются точки деления?

Решение: Треугольники могут быть двух видов: либо все три вершины лежат на разных сторонах квадрата, либо две вершины лежат на одной стороне квадрата, а третья - на какой-либо другой. В первом случае надо выбрать три стороны квадрата из четырех (), а потом на каждой из трех сторон по одной точке из n-1. Всего имеем способов выбора. Во втором случае надо выбрать сторону, где лежат две вершины (4 способа выбора) и две точки из n-1 ( способов), после чего выбрать одну из трёх оставшихся сторон (три способа) и точку на ней ( способов). Всего во втором случае имеем способов выбора. Итого получим способов.

45. Переплётчик должен переплести 12 различных книг в красный, зеленый и коричневый переплеты. Сколькими способами он может это сделать, если в каждый цвет должна быть переплетена хотя бы одна книга?

Решение: 12 книг можно переплести в переплеты 3 цветов 312 способами. Из них в случаях книги будут переплетены в не более чем два цвета, а в 3 случаях - в один цвет. По формуле включений и исключений получаем, что случаях книги будут переплетены всех трех цветов.

46. На столе лежат 20 билетов. Какова вероятность того, что 3 наудачу взятых билета имеют номер не больше 5?

Ответ: .

47. В одной урне 3 белых и 5 черных шаров, в другой - 9 белых и 4 черных. Из каждой урны взяли по три шара. Какова вероятность того, что шары будут одного цвета?

Ответ: .

48. Восемь различных книг случайных образом расставляют на полке. Найти вероятность того, что три определенные книги окажутся рядом?

Ответ: .

49. Зенитная батарея, состоящая из 3 орудий, производит залп по группе, состоящей из 7 самолетам. Каждое из орудий выбирает себе цель наудачу независимо от остальных. Найти вероятность того, что все орудия выстрелят по одному и тому же самолетам.

Ответ: .

50. Для уменьшения общего количества игр 12 команд случайным образом разбиты на две равные подгруппы. Определить вероятность того, что две наиболее сильные команды окажутся в разных подгруппах.

Ответ: .

51. Для уменьшения общего количества игр 2n команд случайным образом разбиты на две равные подгруппы. Определить вероятность того, что две наиболее сильные команды окажутся: а) в разных подгруппах; б) в одной подгруппе.

Ответ: а) , б) .

52. Зенитная батарея, состоящая из k орудий, производит залп по группе, состоящей из l самолетов (kl). Каждое орудие выбирает себе цель случайно и независимо от других. Найти вероятность того, все k орудий выстрелят по одной и той же цели.

Ответ: .

53. Из множества чисел {1, 2, ... , n} последовательно выбирается два числа. Какова вероятность, что второе число больше первого, если выбор осуществляется: а) без возвращения; б) с возвращением?

Ответ: а) , б) .

54. Из множества чисел {1, 2, ... , n} последовательно выбирается три числа. Какова вероятность того, что второе число будет заключаться между первым и третьим, если выбор осуществляется: а) без возвращения; б) с возвращением?

Ответ: а) , б) .

55. На бочонках лото написаны числа от 1 до N. Из этих N бочонков одновременно случайно выбираются два. Найти вероятность того, что: а) на обоих бочонках написаны числа, меньше чем k (2<k<N); б) на одном из бочонков написано число, большее чем k, а на другом - меньшее чем k.

Ответ: а) , б) .

56. N человек случайным образом рассаживаются за круглым столом (N>2). Найти вероятность того, что два фиксированных лица А и В окажутся рядом.

Ответ: .

57. N человек случайным образом рассаживаются за прямоугольным столом вдоль одной из его сторон (N>2). Найти вероятность того, что два определенных лица А и В окажутся рядом.

Ответ: .

58. Урна содержит шары с номерами 1, 2, ... , n. Из нее k (kn) раз вынимается шар и каждый раз возвращается обратно. Найти вероятность того, что номера вынутых шаров образуют строго возрастающую последовательность.

Ответ: .

59. n различных предметов случайным образом распределяются среди m человек (m<n), причем таким образом, что каждый может получить любое число предметов из числа имеющихся. Какова вероятность того, что определенное лицо не получит ни одного предмета?

Ответ: .

60. В урне имеются n белых, m черных и l красных шаров. Из нее извлекаются с возвращением наудачу по одному шару. Найти вероятность того, что белый шар будет извлечен раньше черного.

Ответ: Так как в условии задачи наличие или отсутствие красных шаров роли не играет, то искомая вероятность равна вероятности вынуть первым белый шар из урны, в которой имеется n белых и m черных шаров, т.е. равна .

61. В урне имеются n белых и m черных шаров. Два игрока последовательно достают по одному шару, возвращая каждый раз извлеченный шар. Игра продолжается до тех пор, пока кто-нибудь из них не достанет белый шар. Определить вероятность того, что первым вытащит белый шар игрок, начинающий игру.

Решение: Первый игрок выиграет, если он сразу достанет белый шар, либо если он достанет черный шар (в этом случае вероятность равна ), второй игрок тоже черный шар, а затем он со второй попытки достанет белый шар (в этом случае вероятность равна ) и т.д. В результате, используя принцип умножения, получим

По формуле суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии находим

.

62. Для проверки собранной схемы последовательно послано три одиночных импульса. Вероятности прохождения каждого из них не зависят от того, прошли остальные или нет, и соответственно равны 0,9, 0,8 и 0,7. Определить вероятность того, что пройдут ровно два посланных импульса.

Ответ. 0,90,80,3+0,90,20,7+0,10,80,7=0,398.

63. Происходит воздушный бой между двумя самолетами: истребителем и бомбардировщиком. Стрельбу начинает истребитель: он дает по бомбардировщику один выстрел и сбивает его с вероятностью p1. Если бомбардировщик этим выстрелом не сбит, он стреляет по истребителю и сбивает его с вероятностью p2. Если истребитель не сбит, он еще раз стреляет по бомбардировщику и сбивает его с вероятностью p3. Найти вероятность того, что будет сбит хотя бы один самолет.

Ответ. .

64. Техническое устройство, состоящее из трех узлов, работало в течение некоторого времени t. За это время первый узел оказывается исправным с вероятностью p1, второй - с вероятностью p2 и третий - с вероятностью p3. Наладчик, вызванный для осмотра устройства, обнаруживает и устраняет неисправность каждого узла, если она имеется, с вероятностью p, а с вероятностью q=1-p объявляет узел исправным. Найти вероятность того, что после осмотра наладчиком хотя бы один узел устройства будет неисправным.

Ответ. .

65. Имеется m радиолокационных станций, каждая из которых за один цикл обзора обнаруживает объект с вероятностью p (независимо от других циклов и от других станций). За определенное время каждая станция успевает сделать n циклов. Найти вероятность того, что: а) объект будет обнаружен хотя бы одной станцией; б) объект будет обнаружен каждой из станций.

Ответ. а) ; б) .

66. Ведется стрельба по самолету, уязвимыми агрегатами которого являются два двигателя и кабина пилота. Для того чтобы поразить самолет (вывести его из строя), достаточно поразить оба двигателя или кабину пилота. Найти вероятность того, что самолет будет поражен, если вероятность поражения первого двигателя равна p1, второго - p2 и кабины пилота - p3.

Ответ. .

67. Имеется группа из k космических объектов, каждый из которых независимо от других обнаруживается радиолокационной станцией с вероятностью p. За группой объектов ведут наблюдение независимо друг от друга m радиолокационных станций. Найти вероятность того, что не все объекты, входящие в группу, будут обнаружены.

Ответ. .

ВАРИАНТЫ САМОСТОЯТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Вариант №1

1. Решить уравнение

Ответ: n=8.

2. Найти шестой член разложения .

Ответ: .

3. Сколькими способами можно составить колонну из десяти автобусов и трех легковых автомобилей, считая, что все автобусы и все автомобили одинаковых марок?

Ответ: .

4. В шахматном турнире участвуют шесть студентов и три школьника. Сколькими способами могут распределиться места, занятые в турнире школьники, если никакие два участника не набрали одинаковое число очков?

Ответ: .

5. Сколько делителей у числа 105?

Ответ: Разложим число 105 на простые множители . Тогда , или по формуле (7.3) получаем .

6. На вечере присутствуют 12 девушек и 15 юношей. Сколькими способами можно выбрать из них 4 пары на танец?

Ответ: .

7. Сколько ожерелий можно составить из 7 бусинок различных размеров (надо использовать все бусинки)?

Ответ: Т.к. ожерелье остается неизменным при циклических перестановках бусинок и при переворачивании, то можно получить 7!/14=360 видов ожерелий.

8. В первой урне находятся 4 белых и 3 черных шара, во второй - 3 белых и 5 черных шаров. Из каждой урны случайным образом вынули по одному шару. Найти вероятность того, что все шары будут белые.

Ответ: .

9. 10 вариантов контрольной работы распределены среди 6 студентов. Найти вероятность того, что варианты с номерами 1 и 2 не будут использованы.

Ответ: .

10. Семь различных книг случайных образом расставляют на полке. Найти вероятность того, что книги трехтомника окажутся рядом в возрастающем порядке.

Ответ: .

11. Студент разыскивает нужную ему формулу в трех справочниках. Вероятности того, что формула содержится в первом, втором и третьем справочнике соответственно равны 0,6, 0,8 и 0,9. Найти вероятность того, что формула содержится только в двух справочниках.

Ответ. 0,90,80,3+0,90,20,7+0,10,80,7=0,398.

Вариант №2

1. Решить уравнение .

Ответ: x=4.

2. В разложении вычислить член, не содержащий x.

Ответ: .

3. На плоскости проведены n прямых линий, из которых никакие две не являются параллельными и никакие три не пересекаются в одной точке. Сколько точек пересечения имеют эти прямые?

Ответ: .

4. Сколькими способами можно разложить 12 различных марок между тремя мальчиками, если один берёт 6 марок, а остальные - по 3 марки?

Ответ: .

5. Сколько делителей у числа 360?

Ответ: Поскольку , то в соответствие с формулой (7.3) получаем (3+1)(2+1)(1+1)=24 делителей.

6. В избушке на курьих ножках собрались Баба-Яга, Кощей и Леший. У Бабы-Яги есть 4 чашечки, 5 блюдец и 6 чайных ложечки (все чашки, блюдца и ложечки отличаются друг от друга). Сколькими способами она может накрыть стол для чаепития (каждый получает одну чашку, одно блюдце и одну ложечку)?

Ответ: .

7. Шесть девушек водят хоровод. Сколькими способами они могут организовать хоровод?

Ответ: Т.к. хоровод остается неизменным при циклических перестановках девушек, то можно получить 6!/6=120 способов.

8. В урне находятся 5 белых и 3 черных шаров, из которой случайно по порядку с возвращением вынимаются 4 шара. Какова вероятность того, что первые два шара будут белые, а последние два черные.

Ответ: .

9. Студент пришел на экзамен, зная лишь 24 вопроса из 32 вопросов программы. Экзаменатор задал студенту 3 вопроса. Найти вероятность того, что студент ответ на все вопросы?

Ответ: .

10. Случайным образом выписаны 3 цифры. Найти вероятность того, все цифры различные.

Ответ: .

11. При включении зажигания двигатель начинает работать с вероятностью 0,9. Найти вероятность того, что для запуска двигателя потребуется включить зажигание не более двух раз.

Ответ. 0,9+0,10,9=0,99.

Вариант №3

1. Решить уравнение .

Ответ: x=9, x=10.

2. Раскрыть скобки в выражении .

Ответ: .

3. Сколькими способами можно составить шестизначное число, в запись которого входят четыре двойки и две пятёрки?

Ответ: .

4. На пять сотрудников университета выделены три путёвки на один курорт. Сколькими способами их можно распределить, если: а) все путёвки в различные санатории; б) все путёвки в один санаторий.

Ответ: а) , б) .

5. Сколькими способами можно выбрать из полной колоды карт, содержащей 52 карты, по одной карте каждой масти? А ели среди вынутых карт нет ни одной пары одинаковых, т.е. двух королей, двух десяток и т.д.?

Ответ: Получаем размещения с повторениями из 13 карт по 4. Всего . Если среди карт не должно быть пар, то имеем размещения без повторений; их число .

6. Сколькими способами можно сделать трёхцветный флаг (с тремя горизонтальными полосами), если имеется материя пяти различных цветов, если цвета могут повторяться, но не рядом (полосы должны быть различными)?

Ответ: Осуществляя выбор сверху вниз, получаем способов.

7. Из 12 девушек и 10 юношей выбирают команду в составе 5 человек. Сколькими способами можно выбрать эту команду так, чтобы в неё вошло не более 3 юношей?

Ответ: .

8. Автобус должен сделать 8 остановок, в котором едут 5 пассажиров. Какова вероятность, что на каждой остановке выйдет не более одного пассажира, если предположить, что каждый пассажир имеет одинаковую вероятность выйти на любой остановке?

Ответ: .

9. На каждой из шести одинаковых карточках напечатана одна из следующих букв: а, т, м, р, с, о. Карточки тщательно перемешаны. Найти вероятность того, что на четырех, вытянутых по одной и расположенных «в одну линию» карточках, можно будет прочесть слово «трос».

Ответ: .

10. Собрание, на котором присутствуют 20 человек, в том числе 8 женщин, выбирают делегацию из 5 человек. Найти вероятность того, что в делегацию войдут 3 женщины, считая, что каждый из присутствующих может быть избран с одинаковой вероятностью.

Ответ: .

11. Вероятность для данного спортсмена улучшить свой предыдущий результат с одной попытки равна 0,6. Определить вероятность того, что на соревнованиях спортсмен улучшит свой результат, если разрешается делать две попытки.

Ответ. 1-0,42=0,84.

Вариант №4

1. Решить уравнение .

Ответ: x=11.

2. Найти член разложения , содержащий x3 .

Ответ: .

3. Пассажирский поезд состоит из трех багажных вагонов и восьми купированных. Сколькими способами можно сформировать состав, если багажные вагоны должны находиться в его начале?

Ответ: .

4. Из семи гвоздик и пяти тюльпанов надо составить букет, состоящий из трёх гвоздик и двух тюльпанов. Сколькими способами можно это сделать?

Ответ: .

5. На призывном пункте находится 15 призывников. Сколькими способами можно поставить в колонну по три человека?

Ответ: .

6. Сколькими способами можно выбрать 12 человек из 17, если определенные два человека из этих 17 не могут быть выбраны вместе?

Ответ: .

7. В первенстве края по футболу участвуют 11 команд. Сколько существует различных способов распределения мест в таблице розыгрыша, если на первое место могут претендовать только 4 определенные команды?

Ответ: .

8. 8 вариантов контрольной работы случайным образом распределены среди 6 студентов. Найти вероятность того, что варианты с номерами 7 и 8 не будут использованы?

Ответ: .

9. В первой урне находятся 5 оранжевых и 4 фиолетовых шара, во второй - 3 оранжевых и 7 фиолетовых шара. Из каждой урны случайным образом вынули по три шара. Найти вероятность того, что все шары будут одного цвета.

Ответ: .

10. В журнале из 20 страниц на каких-либо трех страницах помещают случайным образом одинаковую рекламу некоторой фирмы. Какова вероятность, что эта реклама будет размещена на страницах, идущих одна за другой?

Решение: В данной задаче порядок размещения рекламы неважен. Следовательно, в данной задаче мы имеем дело с сочетаниями. Общее число размещений рекламы в журнале . Если реклама будет размещена на страницах, идущих одна за другой, то эти страницы можно считать за одну. Тогда число страниц будет равно 18, следовательно, и число благоприятствующих исходов будет равно m=18. Таким образом, .

11. В ОТК поступают 4 детали. Вероятность того, что деталь бракованная равна 0,1. Проверка производится последовательно до обнаружения бракованной детали. Найти вероятность того, что будут проверены все 4 детали.

Ответ. 0,90,90,9=0,729.

Вариант №5

1. Уравнение .

Ответ: .

2. Найти показатель степени бинома , если его четвёртый член не зависит от a.

Ответ: .

На складе имеются 7 ящиков с различными фруктами и 5 ящика с различными овощами. Сколькими способами можно каждой из трёх овощных палаток выдать по одному ящику с фруктами и овощами?

Ответ: .

Сколькими способами 6 одинаковых монет могут распределить между собой Буратино, лиса Алиса и кот Базилио?

Ответ: .

В команду должны быть отобраны 4 спортсмена из имеющихся 10. Сколькими способами это можно сделать, если два определенных спортсмена должны войти в команду?

Ответ: .

Из колоды, содержащей 52 карты, вынули 10 карт. Во скольких случаях будет ровно один туз?

Ответ: .

Пассажирский поезд состоит из четырех багажных вагонов и десяти купированных. Сколькими способами можно сформировать состав, если багажные вагоны должны находиться в его начале или конце?

Ответ:

Собрание, на котором присутствуют 12 человек, в том числе 7 женщин, выбирают председателя, его первого и второго заместителя. Найти вероятность того, что председатель и его заместители будут женщинами, считая, что каждый из присутствующих может быть избран с одинаковой вероятностью.

Ответ: .

В урне находятся 5 зелёных и 3 жёлтых шара. Из урны случайным образом вынули три шара. Найти вероятность того, что все шары будут одного цвета.

Ответ: .

10 вариантов контрольной работы распределяется среди случайным образом среди 10 студентов, сидящих в один ряд. Найти вероятность того, что варианты с номерами 1 и 2 достанутся рядом сидящим студентам.

Ответ: .

Два охотника одновременно и независимо друг от друга стреляют по зайцу. Найти вероятность того, что попадёт только один из охотников, если вероятность попадания для первого охотника равна 0,8, а для второго - 0,7.

Ответ: .

Вариант №6

1. Уравнение .

Ответ: .

2. Найти средний член разложения .

Ответ: .

3. В пространстве даны 7 точек, причем никакие четыре из них не лежат в одной плоскости. Сколько различных плоскостей можно провести через эти 7 точек?

Ответ: .

4. Эллочка Людоедка решила расставить семь различных книг на полке. Сколькими способами она может это сделать, если две наиболее красивые книги (по её мнению) в красном переплёте должны стоять по краям?

Ответ: .

5. В первенстве края по футболу участвуют 12 команд. Сколько существует различных способов распределения мест в таблице розыгрыша, если на первое место могут претендовать только 3 определенные команды?

Ответ: .

6. Сколькими способами декан может раздать 7 поручений 4 студентам?

Ответ: .

7. Сколькими способами можно выбрать на шахматной доске белое и черное поля, не лежащее на одной вертикали или горизонтали?

Ответ: .

8. Для проведения тестирования группу студентов, состоящую из 18 человек, случайным образом разбивают на две подгруппы из 12 и 6 человек. Какова вероятность, что две подружки, Оля и Тяня, окажутся в одной подгруппе?

Решение: В данной задаче порядок неважен, т.е. не принимается во внимание порядок отбора студентов в группу. Следовательно, в данной задаче мы имеем дело с сочетаниями. Для того чтобы разбить 18 студентов на две подгруппы достаточно выбрать, например, 12 студентов в одну подгруппу, тогда остальные образуют другую подгруппу. Таким образом, общее число разбиений студентов на две подгруппы будет равно . Для того, чтобы разбить команды на две подгруппы с указанными условиями, можно к Оле и Тане добавить либо 10 студентов из оставшихся 16 (это можно сделать способами ), либо добавить 4 студентов из 16 ( способов). Оставшиеся студенты будут образовывать другую подгруппу. Таким образом, число благоприятствующих исходов будет равно . В результате, получаем .

9. В газете из 16 страниц на каких-либо трех страницах помещают случайным образом разные объявления. Какова вероятность, что эти объявления будут размещены на страницах, идущих одна за другой?

Ответ: .

10. В одной урне 3 зелёных и 4 жёлтых шаров, в другой - 6 зелёных и 2 жёлтых шара. Из каждой урны взяли по два шара. Какова вероятность того, что все шары будут одного цвета?

Ответ: .

11. Студент знает 5 вопросов из 12. Какова вероятность того, что он получит зачет, если нужно ответить на все три задаваемых вопроса?

Ответ: .

Вариант №7

1. Решить уравнение .

Ответ: n=5.

2. Найти член разложения , содержащий x-1.

Ответ: .

3. Сколько диагоналей можно провести в выпуклом восьмиугольнике?

Ответ: .

4. Сколько различных «слов» можно составить, переставляя буквы слова «парабола»?

Ответ: .

5. Труппа состоит из 10 человек. Сколькими способами можно выбирать из неё в течение двух вечеров по 6 человек для участия в спектаклях так, чтобы эти составы не совпадали друг с другом?

Ответ: .

6. Сколькими способами Буратино, лиса Алиса и кот Базилио могут поделить между собой 5 одинаковых золотых монет и 2 разных брильянтовых ожерелья?

Ответ: .

7. Сколькими способами можно разложить 9 книг по 3 бандеролям по 3 книги в каждой (порядок бандеролей не принимать во внимание)?

Ответ: .

8. Для проведения тестирования группу студентов, состоящую из 18 человек, случайным образом разбивают на две подгруппы из 12 и 6 человек. Какова вероятность, что две подружки, Оля и Таня, окажутся в разных подгруппах?

Ответ: Решается аналогично задаче 8 предыдущего варианта .

9. Три охотника стреляют по 7 уткам. Каждый из охотников выбирает себе цель наудачу независимо от остальных. Найти вероятность того, что все охотники выстрелят по разным уткам.

Ответ: .

10. На каждой из шести одинаковых карточках напечатана одна из следующих букв: м, м, а, а. Карточки тщательно перемешаны. Найти вероятность того, что на четырех, вытянутых по одной и расположенных «в одну линию» карточках, можно будет прочесть слово «мама».

Ответ:

11. Вероятность боя стеклянной тары при погрузке на автомашины равна 0,03, а при транспортировке - 0,07. Какова вероятность боя стеклянной тары?

Ответ: .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бунимович Е.А. Вероятность и статистика 5-9 кл.: пособие для общеобразовательных учебных заведений / Е.А. Бунимович, В.А. Булычев. - М.: Дрофа, 2002.

2. Виленкин И.Я. Комбинаторика / И.Я. Виленкин, А.Н. Виленкин, П.А. Виленкин. - М.: ФИМА, МЦНМО, 2006.

3. Виленкин И.Я. Комбинаторика / И.Я. Виленкин. - М: Наука, 1969.

4. Виленкин И.Я. Популярная комбинаторика / И.Я. Виленкин. - М: Наука, 1975.

5. Виленкин И.Я. Индукция. Комбинаторика: Пособие для учителей / И.Я. Виленкин. - М: Просвещение, 1976.

6. Виленкин И.Я. Алгебра и математический анализ для 11 класса: Учеб. Пособие для учащихся шк. и кл.. с углубл. изуч. математики / И.Я. Виленкин, О.С.Ивашев-Мусатов, С.И. Шварцбурд. - М: Просвещение, 1998.

7. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмурман. - М: Высш. шк., 2000.

8. Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике / В.Е. Гмурман. - М: Высш. шк., 2000.

9. Задачи по математике. Алгебра: справочное пособие. / В.В. Вавилов, И.И. Мельников и др. - М: Наука, 1987.

10. Калинина В.Н. Математическая статистика / В.Н. Калинина, В.П. Панкин. - М: Высш. шк., 2001.

11. Колемаев В.А. Теория вероятностей и математическая статистика / В.А. Колемаев, В.Н. Калинина. - М: ИНФРА-М, 2003.

12. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика / Н.Ш. Кремер. - М.: ЮНИТИ, 2003.

13. Лютикас В.С. Факультативный курс по математике: Теория вероятностей: учеб. пособие для 9 -11 классов средней школы. - 3-е изд., перераб. / В.С. Лютикас. - М.: Просвещение, 1990.

14. Макарычев Ю.Н. Алгебра: элементы статистики и теории вероятностей: учебное пособие для учащихся 7-9 классов общеобразовательных учреждений / Ю.Н.Макарычев, Н.Г.Миндюк. Под ред. С.А.Теляковского - М.: Просвещение, 2003.

15. Макарычев Ю.Н., Миндюк Н.Г. Элементы комбинаторики. // Математика в школе. - 2004, №6.

16. Мордкович А.Г. Алгебра и начала анализа / А.Г. Мордкович. - М: Высшая школа, 1995.

17. Мордкович А.Г. События. Вероятности. Статистическая обработка данных: дополнительные параграфы к курсу алгебры 7-9кл. общеобразоват. учреждений. / А.Г. Мордкович, П.В. Семенов. - М.: Мнемозина, 2003.

18. Ниворожкина Л.И. Математическая статистика с элементами теории вероятностей в задачах с решениями: Учебное пособие. Москва / Л.И. Ниворожкина, З.А. Морозова. - Ростов-н/Д: Изд. центр «МарТ», 2005.

19. Подольский В.А. Сборник задач по высшей математике. / В.А. Подольский, А.М. Суходский. - М: Высшая школа, 1974.

20. Теория статистики с основами теории вероятностей: Учеб. пособие для вузов / Под ред. И.И. Елисеевой. - М: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

21. Ткачева М. В. Алгебра, 7-9 кл.: Элементы статистики и вероятность / М.В. Ткачева, Н.Е. Федорова. - М.: Просвещение, 2003.