Дотична до графіка функції. Геометричний зміст похідної

Алгоритми інтерполяції квадратними поліномами

Практична робота 20. «Алгоритми інтерполяції квадратними поліномами трьох точкової статистики на мові Pascal»

Завдання 1. Створити алгоритм який за трьома відомими точками в прямокутній  системі координат генерує формулу квадратичної функції використовуючи розв’язання  системи 3-х рівнянь з трьома невідомими методом Крамера. Ця задача називається «інтерполяція квадратичними поліномами» або знаходження «квадратичного тренду».

Розв’язання.  Випадковим чином задаються три точки деякої статистики:  (х1; у1), (х2; у2), (х3; у3). Вважається, що ці три точки належать деякій параболі,  що записується  формулою вигляду: у=ах²+bx+c.  Підставляємо кожну точку у формулу і отримуємо систему трьох рівнянь з трьома невідомими а, b, c. 

{| aх1*х1 + bх1 + c * 1 = y1 | }

{| aх2*х2 + bх2 + c * 1 = y2 }

{| aх3*х3 + bх3 + c * 1 = y1 }

Розв’язуємо систему відносно  а, b, c  за допомогою метода визначників (метод Крамера).

Program  Interpoljacia;

var a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, d1, d2, d3, x, y, z, e, ex, ey, ez, x1, x2, x3, y1, y2, y3: real;

begin

x1:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 1+random(3) ; 

y1:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 2+random(3) ;   

writeln( ' Якщо перша точка, що належить квадратичній функції х1=', x1, 'y1=', y1); writeln;

x2:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 1+random(3) ; 

y2:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 3+random(3) ;   

writeln( ' Якщо друга точка, що належить квадратичній функції х2=', x2, 'y2=', y2); writeln;

x3:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 1+random(3) ; 

y3:=-(1+random(3)) *(-2+random(1)) *(-random(2)) + 4+random(3) ;   

writeln( ' Якщо третя точка, що належить квадратичній функції х3=', x3, 'y3=', y3); writeln;

a1:= x1*x1;    a2:= x2*x2;  a3:= x3*x3;   b1:= x1;    b2:= x2;  b3:= x3;  c1:=1;    c2:=1;  c3:=1;

d1:=y1;   d2:=y2;  d3:=y3;

 e:= (a1 * b2 * c3 + b1 * c2 * a3 + c1 * a2 * b3-a3 * b2 * c1-b3 * c2 * a1-c3 * a2 * b1);

 ex:=(d1 * b2 * c3 + b1 * c2 * d3 + c1 * d2 * b3-d3 * b2 * c1-b3 * c2 * d1-c3 * d2 * b1);

 ey:=(a1 * d2 * c3 + d1 * c2 * a3 + c1 * a2 * d3-a3 * d2 * c1-d3 * c2 * a1-c3 * a2 * d1);

 ez:=(a1 * b2 * d3 + b1 * d2 * a3 + d1 * a2 * b3-a3 * b2 * d1-b3 * d2 * a1-d3 * a2 * b1);

 if (e=0) and ((ex=0) or (ey=0) or (ez=0)) then

    writeln ( 'безліч рішень')

 else if (e <> 0) and ((ex = 0) or (ey = 0) or (ez = 0)) then

    writeln ( 'немає рішень')

 else begin

    x:=ex/e;     y:=ey/e;     z:=ez/e;

writeln ( 'Головний визначник е =', e);writeln ( 'a =', x); writeln ( 'b =', y); writeln ( 'c =', z);

writeln( ' Шукана квадратична функція  у=', x,  '*x*x+( ' ,  y,  ' )x+( ',  z,  ' ) ');  end; end.

Приклади задач з комбінаторики

Відео-урок з математики:

Урок 1. Основні правила комбінаторики

Урок 2. Комбінаторика. Перестановки.

Урок 3. Розміщення та комбінації

Приклади комбінаторних перестановок

Перестановки на трьох елементах:

1.       123

2.       132

3.       213

4.       231

5.       321

6.       312

Перестановки на чотирьох  елементах:

1.       1234

2.       1243

3.       1324

4.       1342

5.       1432

6.       1423

7.       2134

8.       2143

9.       2314

10.   2341

11.   2431

12.   2413

13.   3214

14.   3241

15.   3124

16.   3142

17.   3412

18.   3421

19.   4231

20.   4213

21.   4321

22.   4312

23.   4132

24.   4123

Перестановки на п’яти елементах:

1.       12345

2.       12354

3.       12435

4.       12453

5.       12543

6.       12534

7.       13245

8.       13254

9.       13425

10.   13452

11.   13542

12.   13524

13.   14325

14.   14352

15.   14235

16.   14253

17.   14523

18.   14532

19.   15342

20.   15324

21.   15432

22.   15423

23.   15243

24.   15234

25.   21345

26.   21354

27.   21435

28.   21453

29.   21543

30.   21534

31.   23145

32.   23154

33.   23415

34.   23451

35.   23541

36.   23514

37.   24315

38.   24351

39.   24135

40.   24153

41.   24513

42.   24531

43.   25341

44.   25314

45.   25431

46.   25413

47.   25143

48.   25134

49.   32145

50.   32154

51.   32415

52.   32451

53.   32541

54.   32514

55.   31245

56.   31254

57.   31425

58.   31452

59.   31542

60.   31524

61.   34125

62.   34152

63.   34215

64.   34251

65.   34521

66.   34512

67.   35142

68.   35124

69.   35412

70.   35421

71.   35241

72.   35214

73.   42315

74.   42351

75.   42135

76.   42153

77.   42513

78.   42531

79.   43215

80.   43251

81.   43125

82.   43152

83.   43512

84.   43521

85.   41325

86.   41352

87.   41235

88.   41253

89.   41523

90.   41532

91.   45312

92.   45321

93.   45132

94.   45123

95.   45213

96.   45231

97.   52341

98.   52314

99.   52431

100.                       52413

101.                       52143

102.                       52134

103.                       53241

104.                       53214

105.                       53421

106.                       53412

107.                       53142

108.                       53124

109.                       54321

110.                       54312

111.                       54231

112.                       54213

113.                       54123

114.                       54132

115.                       51342

116.                       51324

117.                       51432

118.                       51423

119.                       51243 
120.     51234

Задачі комбінаторики. Правило добутку.

1.  Скількома способами можна вибрати голос­ну і приголосну зі слова «паркет»?

 2. а)Скількома способами можна вказати на ша­ховій дошці два квадрати – білий та чорний?

     б) Розв'яжіть цю задачу, якщо немає обмежень на колір квадрата.

    в) Розв'яжіть її, якщо потрібно вибрати два білих квадрати.

3. Скількома способами можна вибрати на шаховій дошці білий та чорний квадрати, що не лежать на одній горизонталі або на одній вертикалі?

4. З 3 примірників підручника алгебри, 7 при­мірників підручника геометрії та 6 примірників підручни­ка фізики потрібно вибрати комплект, що містить по одно­му підручнику з кожного предмету. Скількома способами це можна зробити?

5. У кошику 12 яблук та 10 апельсинів. Іван­ко вибирає або яблуко, або апельсин, після чого Надійка вибирає з фруктів, що залишилися, і яблуко, і апельсин.  Скільки можливостей таких виборів?  За якого вибору Іван­ка Надійка має більше можливостей вибору?

6. Скількома способами можна обтягнути 6 стільців тканиною, якщо є тканина шести різних коль­орів, і всі стільці повинні бути різнобарвними?

7 . Скількома способами можуть розташувати­ся у турнірній таблиці 10 футбольних команд, якщо відо­мо, що ніякі дві команди не набрали порівну очок?

8. Скільки чотиризначних чисел можна утво­рити з цифр 0, 1,2, 3, не повторюючи їх?

 9. Скількома способами можна скласти три­колірний смугастий прапор, якщо є тканина п'яти різних кольорів? Розв'яжіть ту ж саму задачу за умови, що одна смуга повинна бути червоною.

10. Є 8 токарів.  Скількома способами можна поручити трьом із них виготовлення трьох різних деталей по одному виду на кожного.

11.  До профкому обрано 9 чоловік. З них треба обрати голову, його заступника, секретаря та культорга. кількома способами це можна зробити?

Відповідь: n =9∙8∙7∙6 =  3024.

12. Скількома способами можна вкинути 5 лист­ів в 11 поштових скриньок, якщо до кожної скриньки вкинути не більше одного листа?

13. На зборах мають виступити 5 чоловік: А, Б, В, Г, Д. Скількома способами можна їх розташувати у список промовців, якщо:

1)      Б не повинен виступати перед А;

2)      якщо Б мусить виступити відразу за А?

14. Скільки різних натуральних чисел можна утворити з цифр 0, 1, 2, 3, 4, якщо кожне число містить кожну з даних цифр не більше одного разу?

Задачі на круги Ейлера

Дуже важливими для практичних  задач є формули  підрахунку кількості різних елементів у декількох множинах, що містять спільні елементи, тобто кількості елементів в об’єднанні двох або трьох множин.

Кількість елементів об'єднання  п(АÈВ)  будь-яких двох скін­ченних множин А і В обчислюється за формулою:

п(АÈВ) = п(А) + п(В) - п(АÇВ).

Для будь-якої трійки скінченних множин А₁, А₂, А₃ має місце формула кількості елементів множини п(A₁ È А₂ ÈА₃) , що є об’єднанням трьох множин, тобто  A₁ È А₂ ÈА₃:

п(A₁ È А₂ ÈА₃) = п(А₁) + п(А₂) + п(А₃) - п(А₁ÇА₂) - п(А₁ ÇА₃) - п(А₂ ÇА₃) + п(А₁ÇА₂ ÇА₃).

Наводимо приклад використання поданих вище формул.

Задача . У лабораторії науково-дослідного інституту працює декілька чоловік, причому кожний з них знає хоча б одну іноземну мову, 6 чоловік знають англійську, 6 ‒ німецьку, 7 ‒ французьку, 4 знають англійську і німець­ку, 3 ‒ німецьку і французьку, 2 ‒французьку і англійсь­ку, один чоловік знає всі три мови. Скільки чоловік пра­цює в лабораторії? Скільки з них знає лише англійську мову? Скільки чоловік знає лише одну мову?

Розв'язання.

Позначимо п(А), п(Н), п(Ф) кількість співробітників у лабораторії, які знають англійську, німецьку та фран­цузьку  мови   відповідно,  а   п(НÇФ),  п(АÇН),  п(АÇФ), п(АÇНÇФ) ‒  кількість чоловік, що знають по дві і три мови відповідно. Тоді, за правилом суми, загальне число співробітників у лабораторії дорівнює

m = п(А)+ п(Н) + п(Ф) - п(НÇФ) - п(АÇН) - п(АÇФ) + п(АÇНÇФ)  = 6 + 6 + 7 - 3 - 4 - 2 + 1 = 11.

Тільки англійську та німецьку мови знають

п_АН = п(А ÇН) ‒ п(АÇН ÇФ) = 4-1= 3 чоловіка, тільки англійську і французьку

п_АФ = п(АÇФ) - п( АÇН ÇФ) = 2-1= 1 чоловік. Тоді тільки англійську мову знає

п_А = п(А) - п_АН  – п_АФ - п( АÇН ÇФ) =  6-3 -1-1 =1 чоловік. Тільки німецьку і французьку знають

п_НФ = п(Н ÇФ) - п(АÇНÇФ) = 3 ‒ 1 = 2 чоловіки. Тоді більше однієї мови знають

k = п(АÇНÇФ) + п_АН + п_АФ + п_НФ = 1 +3+1+2 =7 чоловік, її тільки одну мову  p = п - т = 11- 7 = 4 чоловіка.

Наводимо приклади задач на використання поданих вище формул для самостійного опрацювання. 

Задача 1. У групі зі 100 туристів 70 знають ан­глійську мову, 45 – французьку і 23 – знають обидві мови. Скільки туристів у групі не знають ні англійської, ні французької?

Задача 2. В одному з відділів магазину покупці зазвичай купляють або один торт, або коробку цу­керок. Одного дня було продано 57 тортів та 36 коробок цукерок. Скільки було покупців, якщо 12 з них придбали і торт, і коробку цукерок?

Задача 3. У спортивному таборі 65 % дітей вміють грати в футбол, 70 % – у волейбол і 75 % – у баскетбол. Яка найменша кількість дітей, які вміють грати і у футбол, і у баскетбол, і у волейбол?

Задача 4. Кожен учень класу на зимових кані­кулах відвідав театр двічі, при цьому спектаклі А, В та С бачили відповідно 25, 12 та 23 учні. Скільки учнів навчається у класі? Скільки з них відвідали спектаклі А та В, А та С, В та С?

Задача 5. На уроці літератури вчитель спробу­вав дізнатися, хто з 40 учнів класу читав книги А, В та С. Результати опитування виявилися такі: книгу А читали 25 учнів, книгу В – 22 учні, книгу С – також 22 учні. Книги А або В читали 33 учні, А або С – 32 учні, В або С – 31 учень; усі три книги прочитали 10 учнів. Скільки учнів прочитали одну книгу? Скільки учнів не прочитали жодної з трьох книг?

Задача 6. Опитування 100 студентів показало такі результати про кількість студентів, які вивчають іно­земні мови: англійську – 28; німецьку – 30; фран­цузьку – 42; англійську та німецьку –8; англійську та французьку – 10; німецьку та французьку – 5; всі три мови – 3 студенти. Скільки студентів не вивчає жодної мови? Скільки студентів вивчає тільки французьку мову? Скільки студентів вивчає тільки німецьку мову? Скільки студентів вивчає тільки анг­лійську мову?

Задача 7. Протягом тижня в кінотеатрі демонст­рувалися фільми А, В та С. З 40 школярів, кожен з яких подивився або всі три фільми, або один з трьох, фільм А дивилися 13 учнів, фільм В – 16, фільм С – 19. Скільки учнів переглянули всі три фільми?

Задача 8. У класі з 40 учнів 30 уміють плавати, 27 – грати у шахи і тільки 5 не вміють ні того, ні іншого. Скільки учнів уміють плавати і грати у шахи?

Метод математичної індукції

Метод математичної індукції    еквівалентний    такій    аксіомі:    в    довільній непорожній множині натуральних чисел є найменше.

Задача. Доведіть, що будь-яку суму в копійках, починаючи з 8 копійок можна розміняти за допомогою двох номіналів в 3 коп та 5 коп.

Доведення. Індукцію введемо по числу копійок. База індукції це сума в 8 коп. Очевидно її можна сплатити отак:

 3+5 = 8.

3+3+3 = 9.

5+5 = 10.

Тоді, якщо  натуральне число 3 додавати до усіх трьох виразів, можна отримати наступні  три послідовні натуральні числа, більше 8, тобто

(3+5) + 3 = 11.

(3+3+3) + 3  = 12.

(5+5) + 3   = 13.

І так далі …

Тому можна записати три послідовні натуральні числа таким чином:

(3+5) + 3n = 8 + 3n.

(3+3+3) + 3n = 9 + 3n.

(5+5) + 3n  = 10 + 3n.

Тут n – довільне натуральне число.

Можна застосувати такі індуктивні міркування. Припустимо, що нам вдалося сплатити суму в п копійок вказаними монетами. Отже серед монет вже є по 5 коп. або по 3 коп. Якщо серед них є монета в 5 коп., то замінимо її на дві монети по 3 коп. і одержимо суму, що виражена наступним числом  п + 1 = р + 5 +1 =  р +3+3).  Якщо ж всі монети суми по 3коп., то їх не менше трьох і  замінивши три монети по 3 коп. на дві монети по 5 коп., ми також  збільшимо суму на 1  тобто п + 1 = р + 3 +3 +3 +1 =  р +5+5.

Метод математичної індукції

Індукцією називається умовивід, у якому на основі знання частини предметів класу робиться висновок про всі предмети класу, про клас в цілому. Індукція – це умовивід від часткового до загального. Термін “індукція” походить від латинського слова inductio, що означає “наведення”.

Повною індукцією називається умовивід, у якому загальний висновок про клас предметів робиться на основі вивчення всіх предметів цього класу.

Неповною індукцією називається умовивід, у якому загальний висновок виводиться із засновків, котрі не охоплюють усіх предметів класу.

Індукція через простий перелік – це такий умовивід, у якому загальний висновок про клас предметів робиться на тій підставі, щоб серед спостережуваних фактів не траплялося жодного, який би суперечив узагальненню.

Дедуктивним (від латинського слова deductio – виведення) називається умовивід, у якому висновок про окремий предмет класу робиться на підставі класу в цілому.

У дедуктивному умовиводі думка рухається від загального до окремого, одиничного, тому дедукцію звичайно визначають як умовивід від загального до часткового.

Щоб дійти дедуктивного висновку, необхідно мати подвійне знання, засновки:

1) засновок, що має загальне положення або правило, під яке підводиться частковий випадок; 2) засновок, у якому ідеться про той окремий предмет або частковий випадок, який підводиться під загальне положення.

Дуже важливу роль в комбінаторіці відіграє індуктивний метод обгрунтування правил-алгоритмів та формул.

Задача. Довести, що на площині n прямих, серед яких жодні три не перетинаються в одній точці, а жодні дві не паралельні, поділяють площину на 1 + 0,5n(n + 1) частин.

Доведення (методом математичної індукції):

1)Одна пряма ділить площину на 2 = 1+0,5 ∙ 1 ∙(1 +1)  частини, тобто твердження справджується для формули, якщо n = 1.

Можна за допомогою малюнків впевнитися, що формула вірна і для двох або для трьох прямих.

2)Припустимо, що n прямих ділять площину на 1 + 0,5n(n+1) час­тин. Нова (n + 1)-а пряма перетне наявні n прямих у n точках,
що поділять нову пряму на (n + 1) частин. Отже, з наявних
1 + 0,5n(n + 1) частин площини буде перетнуто і поділено новою
прямою (n+1). Таким чином, при проведенні цієї прямої кількість частин, на які поділяється площина, зросте на (n + 1) і
дорівнюватиме:

1 + 0,5n(n + 1) + (n + 1) = 1 + 0,5(n + 1)(n + 2).

Заняття 2. КОМБІНАТОРИКА 

Скількома способами можна проїхати з міста А в місто В? Скільки різних слів в мові Мумбо-Юмбо? Скільки існує "симпатичних" чоти­рицифрових чисел? ... Скільки ... ? Такі та деякі інші, схожі на них, питання будуть обговорюватися в цій главі.

Почнемо з декількох простих задач.

1. В магазині "Все до чаю"  є п'ять різних чашок та 3 різних блюдця. Скількома способами можна купити чашку з блюдцем?

Розв'язок. Виберемо чашку. У комплекті з нею можна вибрати будь-яке з трьох блюдець. Тому є три різні комплекти, які мають ви­брану чашку. Оскільки чашок всього 5, то кількість різних комплектів дорівнює 15. (15 = 5∙3).     

2. В магазині "Все до чаю" є п'ять різних чашок та 3 різних блюдця та  4 чайні ложки. Скількома способами можна купити комплект з чашки, блюдця та ложки?

Розв'язок. Виберемо будь-який з 15 комплектів попередньої задачі. Його можна доповнити ложкою чотирма різними способами. Тому за­гальна кількість мождивих комплектів дорівнює 60 (60 = 15∙4 = 5∙3∙4).

3. В Країні Чудес є три міста: А, Б і В. З міста А в місто Б ведуть 6 доріг, а з міста Б у місто В – 4 дороги . Скількома способами можна проїхати від А до В?

Розв 'язок. 24 = 6∙4.

4. В Країні Чудес є чотири міста: А, Б і В, Г і декілька нових доріг. Скількома способами можна тепер добратися з міста А в місто В?

Розв 'язок. Виділимо 2 випадки: шлях проходить через місто Б або через місто Г. У кожному з цих випадків легко порахувати кількість різних маршрутів: в першому – 24, у другому – 6. Додаючи, отри­маємо загальну кількість маршрутів: 30.     

5. В магазині "Все до чаю" , як і раніше, продається 5 чашок, 3 блюдця та 4 чайні ложки. Скількома способами можна купити два предмети з різними назвами?

Розв'язок. Можливі три різні випадки: перший – купується чашка з блюдцем, другий – чашка з ложкою, третій – блюдце та ложка.  У кожному з цих випадків легко порахувати кількість можливих варіан­тів (в першому – 15, у другому  – 20, у третьому – 12). Додаючи, отримуємо загальну кількість можливих варіантів: 47.    

6. Назвемо натуральне число "симпатичним", якщо в його запису зустрічаються тільки непарні цифри. Скільки існує 4-цифрових "симпатичних" чисел?

Розв'язок. Зрозуміло, що одноцифрових "симпатичних" чисел рівно 5. До кожного одноцифрового "симпатичного" числа друга непарна цифра може бути дописана п'ятьма різними способами. Таким чи­ном, двоцифрових  "симпатичних" чисел 5∙5 = 25. Аналогічно, три цифрових "симпатичних" чисел 5∙5∙5 = 125, а чотирицифрових – 5∙5∙5∙5 = 625.

Зауваження. В цій задачі розв'язок має вигляд mⁿ. До такого розв'язку приводять задачі, в котрих на кожному з n місць може бути поставлений елемент з деякої m-елементної множини. Ці задачі часто спричиняють труднощі у школярів, які не завжди розуміють,  яке з чисел є основою степеня, а  яке показник.

Запропонуємо ще чотири подібні задачі.

7.  Монету кидають тричі.    Скільки різних послідовностей орлів та решок можна при цьому отримати? Відповідь: 2³=8.

8. Кожну клітинку квадратної таблиці 2x2 можна пофарбу­вати в чорний або білий колір. Скільки існує різних роафарбувань цієї таблиці?

Відповідь: 2⁴ = 16.

9. Скількома способами можна заповнити одну картку в ло­тереї "Спорт прогноз"? (В цій лотереї треба передбачити підсумок тринадцяти. спортивних матчів. Підсумок кожного матчу – перемога однієї з команд або нічия; рахунок не має значення.)

Відповідь: 2¹³.

10. Алфавіт племені Мумбо-Юмбо складається з трьох літер А, Б та В. Слово – будь-яка послідовність, яка складається не більше як з 4 літер. Скільки слів в мові племені Мумбо-Юмбо?

Вказівка. Підрахуйте окремо кількість одно-, дво-, три- та чотирилітерних слів.

Розв 'язок. 3¹+ 3² + 3³ + 3⁴ = 120.

Перейдемо до другого циклу задач.

11. У футбольній команді (11 чоловік) треба, вибрати капіта­на та його заступника. Скількома способами це можна зробити?

Розв 'язок. Капітаном може стати будь-хто з 11 футболістів. Після об­рання капітана на роль заступника можуть претендувати 10 чоловік, які залишилися. Таким чином, всього є 11∙10 = 110 різних варіантів виборів.     

Ця задача відрізняється від попередньої тим, що вибір капітана об­межує коло претендентів на роль заступника: капітан не може бути своїм заступником. Таким чином, вибори капітана та його заступника не виявляються незалежними  такими, як, наприклад, вибори чашки та блюдця в задачі 1.

Ось ще чотири задачі на цю тему.

12. Скількома способами можна зробити трикольоровий прапор з горизонтальними смугами однакової ширини, якщо є матерія шести різних кольорів?

Ров'язок. Колір для верхньої смуги прапору можна вибрати шістьма різними способами. Після цього для середньої смуги прапора зали­шається п'ять можливих кольорів, а потім для нижньої смуги пра­пора – чотири різні кольори. Таким чином, прапор можна зробити 6∙5∙4 = 120 способами.

13. Скількома способами можна поставити на шахову дошку білу та чорну  тури  так, щоб вони не били одна одну?

Розв'язок. Білу туру можна поставити на будь-яку з 64 кліток. Незалежно від розташування вона б'є 15 полів (включаючи поле, на якому вона стоїть.). Тому залишається 49 полів, на які можна поставити чорну   туру. Таким чином, всього  64∙49 = 3136 різних способів.

14. Скількома способами можна поставити на шахову дошку білого  і чорного королів так, щоб вийшла допустима правилами гри позиція.

Розв'язок.     Білого короля можна поставити на будь-яке з 64 полів. Але кількість  полів, котрі він при цьому буде бити, залежить від його розташування. Тому необхідно розглянути три випадки:

а)  якщо білий король стоїть в кутку (кутків всього 4), то він б'є 4 поля (включаючи те, на якому стоїть), і залишаються 60 полів, на які можна поставити чорного короля;

б) якщо білий король стоїть на кінці дошки, але не в кутку (таких полів – 24), то він б'є 6 полів, і для чорного короля залишається 58 можливих полів;

в)  якщо ж білий король стоїть не на кінці дошки (таких полів – 36), то він б'є 9 полів, і для чорного короля залишається 55 можливих полів.

Таким чином,  всього маємо 4∙60 + 24∙58 + 36∙55 = 3612 способів розставляння королів.

Займемося тепер підрахунком кількості способів, якими можна ро­зташувати в ряд n предметів. Такі розташування називаються пере­становками і відіграють помітну роль в комбінаториці та алгебрі. Але попередньо необхідно зробити невеликий відступ.

Нехай n – натуральне число, n! (читається "ен-факторіал") –  це добуток

1∙2∙3∙...∙n = n!. Таким чином,  0!=1,  1!=1,  2! = 1∙2=2, 3! = 1∙2∙3 = 6, 4! = 24, 5! = 120.

Методичні зауваження. Перед тим, як обговорювати перестановки, необхідно як слід засвоїти поняття факторіалу і навчитися з ним по­водитися. Для цього можуть бути корисними наступні вправи.

Вправа 1.  Чому дорівнює:

 а) 10!∙ 11;   б) n ! ∙( n + 1);  в) 3! – 4! – 0! –1! + 6!?

Вправа 2.  Обчислити а) 10!/8!; б) n!/(n - 1)! в) (n +1)!/(n - 1)!

Вправа 3. Доведіть, що, якщо р – просте число, то (р – 1)! не ділиться на р.

Слід мати на увазі, що для зручності написання деяких комбінатор­них тотожностей прийнято вважати, що 0! дорівнює 1.

Повернемося тепер до перестановок.

15. Скільки існує трицифрових чисел, в запису яких 1, 2, 3 зустрічаються рівно по одному разу.

Розв 'язок. Будемо міркувати так само, як при розв'язуванні задач по­переднього циклу. На перше місце можна поставити будь-яку з трьох цифр, на друге – будь-яку з двох, які залишилися, а на третє останню з цифр, яка залишилася. Таким чином, всього виходить 3∙2∙1 = 3!

16. Скількома способами можна викласти в ряд червону, чор­ну, синю та зелену кульки?

Розв 'язок. На перше місце можна покласти будь-яку з чотирьох ку­льок, на друге – будь-яку з трьох, які залишилися, на третє –  будь-яку з двох, які залишилися, а на четверте – останню кульку, яка залишилася. Таким чином, розв'язок: 4∙3∙2∙1 = 4!.     

Розмірковуючи так само, як при розв'язуванні двох останніх задач, легко довести, що n різних предметів можна викласти в ряд n∙( n –1)( n – 2)∙... ∙2∙1 різними способами, тобто кількість перестановок з n елементів дорівнює n!.

Для зручності формулювання задач наступного циклу умовимося називати словом будь-яку скінченну послідовність літер українського алфавіту. Скажімо, використовуючи літери А, Б, В рівно по одному разу, можна скласти 6 слів: АБВ, АВБ, БАВ, БВА, ВАБ, ВБА; вико­ристовуючи літеру А двічі, а літеру Б один раз – три слова: ААБ, АБА, БАА. В наступних п'яти задачах необхідно з'ясувати, скільки різних слів можна отримати, переставляючи літери того або іншого слова.

17. Скільки різних слів можна отримати, переставляючи літери  слова "ВЕКТОР"?

Розв 'язок. Оскільки всі літери слова різні, то всього можна отримати 6!=720 слів.

 18. Скільки різних слів можна отримати, переставляючи літери  слова "ЛІНІЯ"?

Розв'язок. У цьому слові дві літери І, а всі інші літери різні.   Тимчасово будемо вважати різними і літери І, позначивши їх як І₁  та І₂. При цьому припущенні отримаємо 5! = 120 різних слів. Але ті слова, які дістаються одне з одного тільки переставленням літер І₁  та І₂, насправді однакові, Таким чином, отримані 120 слів розбиваються на пари однакових.    Тому різних слів всього 120 : 2 = 60.    

19.    Скільки різних слів можна отримати, переставляючи літери  слова "ПАРАБОЛА"?

Розв'язок. Вважаючи три літери А цього слова різними (А1, А2, А3), дістанемо 8!  різних слів. Але слова, які відрізняються лише пере­ставленням А1, А2, А3, насправді однакові. Через те, що літери А1, А2, А3 можна переставляти 3! способами, всі 8! слів розбиваються на групи з 3! однакових. Тому різних слів всього 8!/3!.

20.  Скільки різних слів можна отримати, переставляючи літери  слова "ОРТОГОНАЛЬНИЙ"?

Розв'язок. В цьому слові три літери О та дві літери Н. Вважаючи всі літери різними, отримуємо 13! слів. Ототожнюючи слова, які відрізня­ються лише переставленням літери Н, але не О, дістанемо 13!/2! різних слів, ототожнюючи тепер слова, які відрізняються переставленням літер О, отримаємо остаточний результат 13!/(2!∙3!).    

21.  "МАТЕМАТИКА". Відповідь. 10!/(3!∙2!∙2!).

Цикл задач про слова продемонстрував одне змістовне міркуван­ня ідею кратного підрахунку. Замість підрахунку кількості об'єктів, які нас  цікавлять, іноді буває зручно перерахувати інші об'єкти, кіль­кість яких перевищує кількість вихідних в число разів, яке нам відоме. Ось ще чотири задачі, при розв'язанні яких використовується цей спосіб.

22.  В країні 20 міст, кожні два з яких з'єднані авіалінією. Скільки авіаліній в цій країні?

Розв'язок. Кожна авіалінія з'єднує два міста. За перше місто мож­на взяти будь-яке з 20 міст (місто А), за друге – будь-яке з 19, які залишилися (місто В). Перемноживши ці числа, дістаємо 20∙19 = 380. Але при цьому підрахунку кожна авіалінія врахована двічі (перший раз, коли за перше місто було вибрано місто А,  друге  – місто В, а другий раз – навпаки). Таким чином, кількість авіаліній дорівнює 380:2 = 190. 

23.  Скільки діагоналей в опуклому "n"-кутнику?

Розв'язок. За перший кінець діагоналі можна взяти будь-яку з n  вершин, а за другу – будь-яку з n – 3 вершин, відмінних від вибраної та двох сусідніх з нею (див. мал. 10). При цьому підрахунку кожна діагональ обліковується двічі. 

Відповідь. n(n - 3)/2.

24. Намисто – це кільце, на яке нанизано намистинки. На­мисто можна повертати, але не перевертати. Скільки різних намист можна зробити з 13 різнокольорових намистин (див. мал. 11)?

Розв 'язок. Уявимо собі на деякий час, що намисто не можна повер­тати. Тоді його можна зробити 13! різними способами. Але будь-яке місцезнаходження намистин та 12 варіантів, які дістаються з нього поворотами, слід вважати одним варіантом намиста.   Відповідь. 13!/13 = 12!.

25. Припустимо тепер, що намисто можна й перевертати. Скільки тоді різних намист можна зробити з 13 різнокольорових на­мистин?

Розв 'язок. Перевороти скорочують кількість намист у 2 рази.  Відповідь. 12!/2.

Наступна задача ілюструє ще одне важливе комбінаторне міркування.

26.  Скільки існує 6-цифрових чисел, в напису  яких є при­наймні одна парна цифра? Розв'язок. Замість того, щоб підраховувати кількість потрібних 6-

цифрових чисел, визначимо кількість 6-цифрових чисел, яким не при­таманна необхідна, властивість. Оскільки це точно ті самі числа, в напису яких зустрічаються тільки непарні цифри, то їх кількість, оче­видно, дорівнює 5⁶ = 15625. Всього 6-цифрових чисел 900000 Тому кількість 6-цифрових чисел, яким притаманна вказана властивість, дорівнює 900000-15625 = 884375.  

Основним моментом при розв'язуванні цієї задачі був так знаний перехід до доповнення: підрахунок "непотрібних" варіантів замість підрахунку "потрібних". Ось ще одна задача, розв'язуючи яку, кори­сно послуговуватися цим міркуванням.

Задача 27.  В абетці племені Бум-Бум шість літер. Словом є будь-яка, послідовність, з шести літер, в якій є принаймні дві однакові літери. Скільки слів в мові племені Бум-Бум?

Відповідь, 6⁶ - 6!.

Для викладачів. На закінчення хотілося б відзначити, що ідеї, яка об'єднує задачі виділеного в главі циклу, природно присвятити окреме заняття. При цьому необхідно весь час повертатися до вже пройденого матеріалу. Тому ми надаємо додатковий список задач для самостій­ного розв'язання.

Задачі для самостійного розв'язання.

Задача 28. В кіоску "Друк України" продаються 5 видів конвертів та 4 види марок. Скількома способами можна, купити конверт з маркою?

Задача 29. Скількома способами можна, вибрати голосну та приго­лосну літери зі слова "КРУЖОК"?

Задача 30. На дошці написано 7 іменників, 5 дієслів та 2 прикмет­ники. Для речення треба вибрати по одному слову кожної з цих частин мови. Скількома способами це можна зробити?

Задачі  31.  У двох колекціонерів-початківців є по 20 марок і по 10 значків.    Чесним обміном називається обмін однієї марки на одну марку або одного значка на один значок.   Скількома способами колекціонери можуть здійснити чесний обмін?

Задача 32. Скільки існує 6-цифрових чисел, всі цифри яких мають однакову парність?

Задача 33. Треба відіслати 6 термінових листів. Скількома спосо­бами це можна зробити, якщо для передачі листів можна використати трьох кур'єрів і кожен лист можна дати будь-якому з кур'єрів?

Задача 34. Скількома способами з повної колоди (52 карти) можна вибрати 4 карти різних мастей і вартості?

Задача 35. На полиці стоять 5 книг. Скількома способами можна викласти в купку декілька з них (купка може складатися і з однієї книги)?

Задача 36. Скількома способами можна поставити 8 тур на шахову дошку так, щоб вони не били одна одну?     

Задача 37. На танцмайданчику зібралися N юнаків та N дівчат. Скількома способами вони можуть розбитися на пари для участі в черговому танці?      у

Задача 38. Чемпіонат України по шахам проводиться в одне коло. Скільки грається партій, якщо участь беруть 18 шахістів?

Задача 39. Скількома способами можна поставити на шахову дошку а) дві тури; б) двох королів; в) двох слонів; г)двох коней; д) двох ферзів так, щоб вони не били одне одного?

Задача 40. У мами два яблука, три груші та чотири апельсини. Кож­ного дня протягом дев'яти днів підряд вона дає синові один з фруктів, які залишилися. Скількома способами це може бути зроблено?

Задача 41. Скількома способами можна поселити 7 студентів в З кімнати: одномісну, двомісну та чотиримісну?     

Задача 42. Скількома способами можна розставити на першій гори­зонталі шахової дошки комплект білих фігур (король, ферзь, дві тури, дна слони та два коні)?

Задача 43. Скільки слів можна скласти з п'яти літер А і не більш як її трьох літер Б?

Задача 44. Скільки існує 10-цифрових чисел, в яких маємо принаймні ми однакові цифри?

Задача 45. Яких 7-цифрових чисел більше:  тих, в запису яких є  І ЧИ інших?

ВІДПОВІДІ, ВКАЗІВКИ, РОЗВ'ЯЗКИ

28. 5∙4=20     29. 2∙3=6     30. 7∙5∙2=70      31. 20∙20+ 10∙10 = 500    32. 5⁶+4∙5⁵       33. 3⁶    34. 13∙12∙11∙10

35. 5 + 5∙4 + 5∙4∙3 + 5∙3∙2 + 5∙4∙3∙2∙1 = 325     36. 8!     37. n!   38. 18∙17/2 = 153    39. а) 64∙49/2 = 1568;  б) (4∙60+24∙58 + 36∙55)/2 = 1806; в) (28∙56 +20∙54 + 12∙52 + 4∙50)/2 = 1736; г) (4∙61 + 8∙60 + 20∙59 + 16∙57 + 16∙55)/2 = 1848; д) (28∙42 + 20∙40 + 12∙38 + 4∙36)/2 = 1288.

40. 9!/2!3!4!     41. 7!/1!2!4!    42. 8!/2!2!2!    43. 1 + 6!/5! 1! + 7!/5! 2! + 8!/(5!∙3!) = 84  44. 9∙10⁹ – 9∙9!

45. 8∙9 < 9∙10⁶ – 8∙9⁶, і тому чисел а одиницею більше.   46. 6³-5³    47. 13∙11∙9∙7∙5∙3∙1   48. 9∙10^7∙5