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计数问题:顺序重要吗?

书籍名:《博弈论:决策制胜的法则》    作者:乔迪·德罗夫
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请记住,某一事件发生的概率是按照以下原则求得的:p(事件)=有利情况/可能情况,即确定某一事件发生的次数,然后除以可能发生的总数。在某些情况下,这种计算十分简单。例如,掷骰子得到偶数的概率是多少?对于这个题目来说,可能情况有6种,其中有利情况有3种(掷得2、4或6);因此,p(事件)=3/6=0.5。由于可能情况的总数非常小,我们可以简单地通过列出所有情况来计算出有利情况的数量。但是,也有一些时候,对有利和(或)可能情况的计算或许要复杂得多。因此,我们必须正确地分析问题,并找到计算各种情况数量的方法。也就是说,列出所有情况,并对其正确计算。这对于我们分析运气游戏,或者任意相对复杂的随机问题,都极其重要。

接下来,我们将通过分析几个案例来看几种不同的计数方法。

情境1

12位选手赛跑,(前三名)登上领奖台,会出现多少种不同的情况?

12位选手谁都有可能跑第一。任意一人得第一的情况下,另外11名选手都有可能得第二,然后其余10位选手都有可能得第三。所以,领奖台上可能出现的不同情况有:12·11·10=1320。

这个问题其实就是将12位选手按3人分组,每组选手的顺序都不同,求总共有多少组。

在这里,名单上出现1、2、3和2、3、1是不一样的,即使在这两种情况下,登上领奖台的人相同。在第一份名单中,1号选手获得冠军(2号亚军,3号季军),而在第二份名单中,2号选手获得冠军(3号亚军,1号季军)。

这个题目也就是求12个元素中,3个元素的不同组合数:正如我们之前所说,V12,3可以通过12·11·10来计算得出。总的来说,我们在计算m个元素中n个元素的不同组合数(n
Vm,n=m·(m-1)·(m-2)·……·(m-n+1)

情境2

玩桥牌时,一人手中的13张牌可以有多少种不同的排序方法?

如果我们要计算13张牌可能出现的不同排序方法,那么第一张牌就有13种可能,第二张有12种可能,第三张有11种可能。以此类推,直到最后一张,也就只剩一种可能了。

因此,排序总数为:

13·12·11·……·3·2·1=13!=6227020800

以上计算过程也就是求13个元素的排列数,其结果也可以用阶乘符号表示。在这个题目中,就是在第一个数字之后加上感叹号,即13!。n!就表示所有小于等于n且大于等于1的整数的积。下面这个表格中列出了1~12的阶乘,我们可以从中看出这些数字的规律:

计数是很多纸牌游戏的基本技巧:《玩纸牌者》,卢卡斯·凡·莱登(1520)

情境3

玩桥牌时,把52张牌分给4个人,会有多少种不同的牌面?

在这里,我们需要计算的是52张牌,每13张分成一组,不考虑每组牌的顺序,会有多少种不同的分法。要计算不同的牌面,而且不计纸牌顺序,一种可能的计算方法为:

52·51·50·……(13项)……·42·41·40=3.95424·1021

然而,由于不考虑纸牌顺序,我们应该注意到,每13张牌一组,每组牌我们都算了13!次(即13的排列方法总数)。这意味着桥牌游戏中,不同的牌面应该有:

(52·51·……·41·40)/13!=52!/(39!13!)=635013559600

可以看到,我们得出的数字是相当大的。对于第一种算法,我们将纸牌顺序考虑在内,得出的结果为22位数;对于第二种算法,我们不考虑纸牌顺序,得出的结果为12位数。我们可以将这两个数字同宇宙年龄相比较:1.5·1010年(用秒来表示大约为4.7·1017秒)。也就是说,第一个数字(3.9·1021)要比自宇宙大爆炸以来流逝的所有秒数的8000倍还要大,而第二个数字(6.3·1011)则是宇宙自形成至今所经历的所有年数的42倍。

这个题目也就是求52个元素中13个元素的组合数,元素顺序不计,其结果可以记为C52,13。计算方法我们已经讲了,就是52!/(39!·13!)。因此,要求m个元素中n个元素的组合数(n
Cm,n=m!/(m-n)!·n!

情境4

足球决赛以平局收场,需要以点球决胜负,通常每队踢5球,每一球必须由不同的球员完成。那么每队11名球员中需要选出5名来踢点球完成比赛,该球员名单共有多少种?

在这个题目中,球员顺序是否需要考虑在内尚不清楚,所以两种理解都是可以的。

a)5名球员为一组,任意两组至少要有一名不同的球员。在这种情况下,11个元素中每5个元素的组合数为:11!/(5!·6!)=462。

b)但是,熟悉此类比赛的人都知道,每一队提交给裁判的名单上都要列出球员的顺序,5名球员要依次踢出5个点球。这样一来,如果两份名单上的球员相同,而顺序不同,那就应被视作两份不同的名单。因此,11个元素中5个元素的不同组合数为:11!/6!=55440。



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