Умблик
Справочник вероятности
Подсчёт вариантов
Вероятность и статистика · Подсчёт вариантов

Сочетания с повторениями

Как считать неупорядоченные наборы, если каждый вид можно брать несколько раз.

6 минут на чтениеЗаданий для самопроверки: 3

Чему научимся

Модель считает покупки одинаковых товаров по видам и распределения одинаковых жетонов по подписанным коробкам. Приём «звёзды и перегородки» превращает уравнение сумм количеств в выбор позиций.

Главная идея. Сочетание с повторениями описывает неупорядоченный набор из k предметов n видов, когда каждого вида доступно сколько угодно. Такой набор задаётся не последовательностью, а количествами каждого вида.

План рассуждения и проверка понимания
  1. Проверьте, что предметы внутри одного вида неразличимы, порядок не важен, запасы не ограничены, n ≥ 1 и k ≥ 0.
  2. Запишите неотрицательные целые количества x₁ + … + xₙ = k, по одному количеству для каждого вида.
  3. Изобразите k звёзд и n − 1 перегородок, включая соседние перегородки для нулевого количества вида.
  4. Выберите позиции звёзд или перегородок среди n + k − 1 мест и получите C(n + k − 1, k).

Частая ошибка. Посчитать четыре пирожных трёх видов как 3⁴ последовательности, хотя порядок покупки не меняет итоговый набор количеств.

Как проверить себя. Кодируйте только тройку количеств с суммой 4; по формуле звёзд и перегородок таких наборов C(6, 4) = 15, а не 81.

Схема к теме

Наглядная модель: Сочетания с повторениями

Как считать неупорядоченные наборы, если каждый вид можно брать несколько раз.

Наглядная модель: Сочетания с повторениямиКак считать неупорядоченные наборы, если каждый вид можно брать несколько раз.1Условиячто известно и чтотребуется2Модельпорядок, повторения идопустимые исходы3Подсчёткаждый вариантучитывается один раз4Проверкамалый случай можновыписать вручную
  • 1. Условия — что известно и что требуется
  • 2. Модель — порядок, повторения и допустимые исходы
  • 3. Подсчёт — каждый вариант учитывается один раз
  • 4. Проверка — малый случай можно выписать вручную
Последовательность отделяет выбор модели от вычисления и не даёт потерять или повторно учесть варианты. Вывод: Сначала ответьте на вопросы о порядке и повторениях, только потом выбирайте формулу.
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами

Объясните, почему пять одинаковых жетонов в трёх подписанных коробках дают C(7, 2) = 21 распределение и что означают соседние перегородки.

В хорошем объяснении есть:

  • Пять звёзд изображают жетоны, две перегородки разделяют количества трёх различимых коробок.
  • Соседние перегородки или перегородка на краю корректно кодируют пустую коробку.

Идея и определение

Сочетание с повторениями — набор заданного размера, в котором важны количества предметов каждого вида, но не порядок выбора. Два яблока и одна груша — тот же набор, что груша и два яблока. Предполагается, что каждый вид можно брать сколько угодно раз в пределах размера набора. Если в магазине осталась одна груша, стандартная формула уже не описывает задачу.

Для nn видов и kk предметов обозначим количества через x1,…,xnx_1,\ldots,x_n. Нужно посчитать решения x1+⋯+xn=kx_1+\cdots+x_n=k в неотрицательных целых числах. Кодируем предметы kk звёздочками, а границы видов — n−1n-1 перегородками. Соседние перегородки означают нулевое количество соответствующего вида. Всего n+k−1n+k-1 позиций, из них выбираем kk под звёздочки.

Границы модели

Формула (n+k−1k)\binom{n+k-1}{k} требует n≥1n\ge1. При k=0k=0 есть один пустой набор. Если каждого вида нужно хотя бы по одному, сначала выдаём по одному предмету, а затем распределяем оставшиеся k−nk-n; решение возможно лишь при k≥nk\ge n. Это дополнительный комбинаторный материал, а не обязательная тема всех школьных классов.

Три примера

  1. Покупаем 4 пирожных трёх видов с неограниченным запасом. Наборы задаются тройками количеств; их (64)=15\binom{6}{4}=15, а не 343^4: последовательности покупок здесь не различаются.
  2. Распределяем 5 одинаковых жетонов между тремя подписанными коробками, пустые разрешены. Получаем (72)=21\binom{7}{2}=21 распределение. Коробки различимы, жетоны — нет.
  3. В каждую из трёх коробок кладём хотя бы один из 7 одинаковых жетонов. После обязательных трёх остаются четыре: (62)=15\binom{6}{2}=15 вариантов.

Типичные ошибки

Нельзя применять эту формулу к различимым жетонам: там нужно учитывать, какой именно жетон попал в коробку. Нельзя также считать все найденные наборы равновероятными без отдельной модели случайного выбора: подсчёт числа наборов сам по себе не задаёт вероятности.

Формула, смысл и ограничения

Главные формулы с расшифровкой

C‾nk=(n+k−1k)\overline C_n^k=\binom{n+k-1}{k}

Формула словами: Наборы из k предметов n видов: порядок не важен, запасы не ограничены; n ≥ 1, k ≥ 0.

От формулы к наблюдению

Попробуйте самостоятельно

Измените параметры и сопоставьте расчёт с результатами случайного эксперимента.

От простого к сложному

Проверьте себя

Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.

Открываем задание…

Открываем задание…

Открываем задание…

Источники и соглашения

Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.