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戰勝排列組合(一):如何計算組合數C(m, n):從概念到實作,搞懂C的算法!
排列組合的計算過程,對大部分的學生來說似乎偏向困難,需要考慮各種條件,漏掉一個就有可能虛要重新再做推演,成為不少人求學過程中的惡夢。但事實上,排列組合是高中數學範圍裡,非常實用的生活工具。在日常中最常看到的排列組合的例子,好比上市場買菜,預計要逛幾個攤位?怎麼安排路線?怎麼決定購買的前後順序?這些問題的思考就是「排列」;至於出門聚會,面對衣櫃裡的衣服,要怎麼進行穿搭?這就是「組合」;或者是台灣人最喜歡買的樂透彩券,應該要如何選號?如何決定號碼順序?這也都跟排列組合有著很深的關係。今天,我們就先從組合的「C(m, n)」公式開始說起。
C的計算公式
「組合」的英文叫做combination,取第一個字母大寫當作它的數學代表符號。但從數學生活化的角度來說,筆者更喜歡使用「catch」——也就是「抓住」這個單字:
想像現在書桌上有30支顏色相異的筆,一把抓住它們其中10支,會有幾種情況發生?
以上這個動作會有2個必要要件:
一、我們未必會全部抓取桌上所有的色筆。
二、在一把抓取的情況下,我們並沒有依照它們的顏色去做順序排列。
只要符合以上這兩個要件的方法數,就是我們每次抓取可能產生色筆組合的情況數。
所以Catch(30,10)表示從30個相異物品隨意抓取10個,但不排列,它的方法數就是C(30,10)。
現在我們也可以試著從筆筒或鉛筆盒隨手抓起一把筆或文具,每次抓取數量一樣的條件下,觀察看看,會有幾種情況發生?因此「組合」的公式C(m, n)就產生了。此外,數學家也特別定義出:C(m, 0)=1,亦即沒有抓取任何東西,也是一種取法。
C公式的「量子糾纏現象」!?
C公式中,類似量子糾纏的現象,筆者以公式表示如下:
C(m, n)=C(m, m-n)
透過前文「30個相異物隨意抓取10個不排列」這個例子來觀察,另外20個沒有被取出來的物件,也會因為我們取出的10個物件,而決定這20個的組合內容會因此不同。
所以,C(30, 10)=C(30, 20)就是在說明,取出來的方法數跟剩下來的那些的方法數是同樣的。
延續上面這個所謂組合的量子糾纏現象,我們可以進一步說,依照先前的定義 C(m, 0)=1,而且C(m, 0)=C(m, m-0) ,我們也可以總結 C(m, m)=1,也就是說所有的東西一次全部取,方法數就只有一種。
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