28.1 Kombinatoryka – powtórzenie wiadomości
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (2 pkt)
Ze zbioru cyfr $\{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$ wybieramy kolejno dwie cyfry ze zwracaniem i tworzymy liczbę dwucyfrową. Na ile sposobów można utworzyć liczbę:
a) podzielną przez 5
b) podzielną przez 6?
a) 6
b) 6
Mamy zbiór cyfr $Z = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}$. Tworzymy liczby dwucyfrowe, losując cyfry ze zwracaniem. Cyfrę dziesiątek możemy wybrać na 6 sposobów i cyfrę jedności również na 6 sposobów. Zatem wszystkich możliwych liczb dwucyfrowych jest $6 \cdot 6 = 36$.
a) Liczba jest podzielna przez 5, gdy jej ostatnią cyfrą jest 0 lub 5. W naszym zbiorze cyfr jest tylko cyfra 5. Zatem cyfra jedności musi być równa 5. Cyfrę dziesiątek możemy wybrać na 6 sposobów.
Liczby te to: 15, 25, 35, 45, 55, 65.
Jest 6 takich liczb.
b) Liczba jest podzielna przez 6, gdy jest podzielna jednocześnie przez 2 i przez 3. Oznacza to, że jej ostatnia cyfra musi być parzysta, a suma jej cyfr musi być podzielna przez 3.
Cyfra jedności $b$ musi należeć do zbioru $\{2, 4, 6\}$. Rozważmy każdy przypadek:
- Jeśli $b=2$, to suma cyfr $a+2$ musi być podzielna przez 3. Możliwe wartości dla $a$ to 1 (suma 3) i 4 (suma 6). Otrzymujemy liczby 12, 42.
- Jeśli $b=4$, to suma cyfr $a+4$ musi być podzielna przez 3. Możliwe wartości dla $a$ to 2 (suma 6) i 5 (suma 9). Otrzymujemy liczby 24, 54.
- Jeśli $b=6$, to suma cyfr $a+6$ musi być podzielna przez 3. Oznacza to, że $a$ musi być podzielne przez 3. Możliwe wartości dla $a$ to 3 (suma 9) i 6 (suma 12). Otrzymujemy liczby 36, 66.
Łącznie mamy $2 + 2 + 2 = 6$ takich liczb.
Zadanie 2 (3 pkt)
Ze zbioru cyfr wybieramy kolejno trzy cyfry bez zwracania i tworzymy liczbę trzycyfrową. Na ile sposobów możemy otrzymać liczbę trzycyfrową:
a) parzystą
b) podzielną przez 4?
a) 328
b) 160
Zbiór cyfr to $Z = \{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9\}$. Tworzymy liczbę trzycyfrową o różnych cyfrach, co oznacza, że cyfra setek nie może być zerem.
a) Aby liczba była parzysta, jej cyfra jedności musi być parzysta. Cyfry parzyste to $\{0, 2, 4, 6, 8\}$. Ze względu na ograniczenie dla cyfry setek (nie może być 0), musimy rozważyć dwa przypadki dla cyfry jedności.
1. Cyfra jedności to 0. Mamy 1 możliwość. Wtedy cyfrę setek możemy wybrać na 9 sposobów (z pozostałych 9 cyfr), a cyfrę dziesiątek na 8 sposobów. Daje to $1 \cdot 9 \cdot 8 = 72$ liczby.
2. Cyfra jedności należy do zbioru $\{2, 4, 6, 8\}$. Mamy 4 możliwości. Cyfra setek nie może być zerem ani wybraną cyfrą jedności, więc mamy $10 - 2 = 8$ możliwości. Cyfra dziesiątek musi być różna od dwóch wybranych, więc mamy $10 - 2 = 8$ możliwości. Daje to $4 \cdot 8 \cdot 8 = 256$ liczb.
Łączna liczba sposobów wynosi:\[72 + 256 = 328\]b) Liczba jest podzielna przez 4, jeśli liczba utworzona przez jej dwie ostatnie cyfry jest podzielna przez 4. Cyfry muszą być różne.
Możliwe końcówki to: 04, 08, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40, 48, 52, 56, 60, 64, 68, 72, 76, 80, 84, 92, 96.
1. Końcówki zawierające 0: 04, 08, 20, 40, 60, 80. Jest 6 takich końcówek. Dla każdej z nich cyfrę setek możemy wybrać na 8 sposobów (nie może być równa dwóm użytym cyfrom). Daje to $6 \cdot 8 = 48$ liczb.
2. Końcówki nie zawierające 0: 12, 16, 24, 28, 32, 36, 48, 52, 56, 64, 68, 72, 76, 84, 92, 96. Jest 16 takich końcówek. Dla każdej z nich cyfrę setek możemy wybrać na 7 sposobów (nie może być równa 0 ani dwóm użytym cyfrom). Daje to $16 \cdot 7 = 112$ liczb.
Łączna liczba sposobów wynosi:\[48 + 112 = 160\]
Zadanie 3 (2 pkt)
Na ile sposobów można ustawić $8$ osób w rzędzie do zdjęcia, aby osoby $C$ i $D$ nie stały obok siebie?
Osoby C i D można ustawić tak, aby nie stały obok siebie, na $30\,240$ sposobów.
Zadanie rozwiązujemy metodą zdarzenia przeciwnego. Obliczymy najpierw łączną liczbę możliwych ustawień $8$ osób, a potem odejmiemy od niej te ustawienia, gdzie osoby $C$ i $D$ stoją razem.
Całkowita liczba sposobów ustawienia $8$ osób w rzędzie to liczba permutacji zbioru $8$-elementowego, czyli $|\Omega|$.\[|\Omega| = 8! = 40\,320\]Następnie obliczamy liczbę ustawień, w których osoby $C$ i $D$ stoją obok siebie. Traktujemy parę ($C, D$) jako jeden element. Teraz mamy do ustawienia $7$ elementów ($6$ pozostałych osób i para $C, D$). Można to zrobić na $7!$ sposobów.
Wewnątrz pary, osoby $C$ i $D$ mogą zamienić się miejscami na $2!$ sposoby ($CD$ lub $DC$).
Liczba niekorzystnych ustawień (zdarzenie $Z$), gdzie $C$ i $D$ są razem, wynosi:\[|Z| = 7! \cdot 2! = 5\,040 \cdot 2 = 10\,080\]Liczba sposobów, aby osoby $C$ i $D$ nie stały obok siebie (zdarzenie $Z'$), to różnica między wszystkimi możliwymi ustawieniami a ustawieniami niekorzystnymi:\[|Z'| = |\Omega| - |Z| = 8! - 7! \cdot 2!\]\[|Z'| = 8 \cdot 7! - 2 \cdot 7! = (8 - 2) \cdot 7! = 6 \cdot 7!\]\[|Z'| = 6 \cdot 5\,040 = 30\,240\]
Zadanie 4 (5 pkt)
Ile jest różnych liczb naturalnych czterocyfrowych o różnych cyfrach i jednocześnie:
a) nieparzystych
b) parzystych
c) większych od $3000$
d) mniejszych od $5603$?
a) 2240
b) 2296
c) 3528
d) 2298
a) Liczby nieparzyste
Liczba jest nieparzysta, jeśli jej ostatnia cyfra jest nieparzysta. Mamy 5 cyfr nieparzystych: $\{1, 3, 5, 7, 9\}$.
Na ostatnim miejscu (cyfra jedności) możemy postawić jedną z 5 cyfr.
Na pierwszym miejscu (cyfra tysięcy) nie może stać 0 ani cyfra użyta na ostatnim miejscu. Mamy więc $10 - 1 - 1 = 8$ możliwości.
Na drugim miejscu (cyfra setek) może stać dowolna z pozostałych $10 - 2 = 8$ cyfr.
Na trzecim miejscu (cyfra dziesiątek) może stać dowolna z pozostałych $10 - 3 = 7$ cyfr.
Liczba kombinacji:\[5 \cdot 8 \cdot 8 \cdot 7 = 2240\]b) Liczby parzyste
Całkowita liczba czterocyfrowych liczb o różnych cyfrach wynosi $9 \cdot 9 \cdot 8 \cdot 7 = 4536$.
Liczba liczb parzystych to różnica między całkowitą liczbą a liczbą liczb nieparzystych:\[4536 - 2240 = 2296\]c) Liczby większe od 3000
Liczba musi zaczynać się od cyfry 3, 4, 5, 6, 7, 8 lub 9. Mamy 7 możliwości na pierwszą cyfrę.
Pozostałe 3 cyfry wybieramy z 9 pozostałych cyfr.
Liczba kombinacji:\[7 \cdot 9 \cdot 8 \cdot 7 = 3528\]d) Liczby mniejsze od 5603
Rozbijamy na przypadki w zależności od pierwszej cyfry.
1. Pierwsza cyfra to 1, 2, 3 lub 4 (4 możliwości). Pozostałe 3 cyfry wybieramy z 9 pozostałych.\[4 \cdot 9 \cdot 8 \cdot 7 = 2016\]2. Pierwsza cyfra to 5. Liczba ma postać $5BCD$.
- Druga cyfra ($B$) jest mniejsza od 6. $B$ może być ze zbioru $\{0, 1, 2, 3, 4\}$ (5 możliwości). Pozostałe dwie cyfry wybieramy z 8 pozostałych.
\[1 \cdot 5 \cdot 8 \cdot 7 = 280\] - Druga cyfra ($B$) to 6. Liczba ma postać $56CD$. Musi być mniejsza od $5603$.
- Trzecia cyfra ($C$) musi być 0.
- Czwarta cyfra ($D$) musi być mniejsza od 3. $D$ nie może być 0, 5, 6. Może być 1 lub 2. Mamy więc dwie takie liczby: $5601$, $5602$.
Suma wszystkich przypadków:\[2016 + 280 + 2 = 2298\]
Zadanie 5 (4 pkt)
Ewa chce ustawić $15$ segregatorów na dwóch półkach. Na wyższej półce ma stać w szeregu $8$ segregatorów, a na niższej mają stać w szeregu pozostałe segregatory. Na ile sposobów można ustawić wszystkie segregatory tak, aby segregatory A, B, C, D stały obok siebie?
Można ustawić segregatory na $8\ 622\ 028\ 800$ sposobów.
Mamy $15$ różnych segregatorów, w tym $4$ wyróżnione (A, B, C, D), które muszą stać obok siebie.
Krok 1: Traktujemy segregatory A, B, C, D jako jeden blok. Te cztery segregatory można uporządkować wewnątrz tego bloku na $4!$ sposobów.\[4! = 4 \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1 = 24\]Krok 2: Określamy, gdzie można umieścić ten blok. Blok zajmuje $4$ sąsiednie miejsca. Mamy dwie półki: górną z $8$ miejscami i dolną z $7$ miejscami ($15 - 8 = 7$).
Przypadek 1: Blok segregatorów znajduje się na górnej półce.
Górna półka ma $8$ miejsc. Blok o długości $4$ może zająć pozycje zaczynające się od miejsca $1, 2, 3, 4$ lub $5$. Liczba możliwych pozycji dla bloku wynosi $8 - 4 + 1 = 5$.
Przypadek 2: Blok segregatorów znajduje się na dolnej półce.
Dolna półka ma $7$ miejsc. Blok o długości $4$ może zająć pozycje zaczynające się od miejsca $1, 2, 3$ lub $4$. Liczba możliwych pozycji dla bloku wynosi $7 - 4 + 1 = 4$.
Łączna liczba miejsc, w których można umieścić blok, wynosi $5 + 4 = 9$.
Krok 3: Po umieszczeniu bloku, pozostaje nam $15 - 4 = 11$ segregatorów do ustawienia na $11$ wolnych miejscach. Można to zrobić na $11!$ sposobów.\[11! = 39\ 916\ 800\]Krok 4: Obliczamy całkowitą liczbę sposobów.\[N = 9 \cdot 4! \cdot 11! = 9 \cdot 24 \cdot 39\ 916\ 800 = 216 \cdot 39\ 916\ 800 = 8\ 622\ 028\ 800\]
Grupa B
Zadanie 1 (2 pkt)
Ze zbioru cyfr $\{2, 3, 4, 5, 6, 7, 8\}$ wybieramy kolejno dwie cyfry ze zwracaniem i tworzymy liczbę dwucyfrową. Na ile sposobów można utworzyć liczbę:
a) podzielną przez 9
b) parzystą?
a) 6
b) 28
Zadanie 2 (3 pkt)
Ze zbioru cyfr wybieramy kolejno trzy cyfry bez zwracania i tworzymy liczbę trzycyfrową. Na ile sposobów możemy otrzymać liczbę trzycyfrową:
a) większą od 500
b) podzielną przez 5?
a) 360
b) 136
Zadanie 3 (2 pkt)
Na ile sposobów można ułożyć na półce $12$ różnych książek, tak aby dwie określone książki, 'Potop' i 'Pan Wołodyjowski', nie stały obok siebie?
Książki te można ułożyć tak, aby nie stały obok siebie, na $399\,168\,000$ sposobów.
Zadanie 4 (5 pkt)
Ile jest różnych liczb naturalnych czterocyfrowych o różnych cyfrach i jednocześnie:
a) nieparzystych
b) parzystych
c) większych od $4000$
d) mniejszych od $7810$?
a) 2240
b) 2296
c) 3024
d) 3423
Zadanie 5 (4 pkt)
Bibliotekarz chce ustawić $12$ tomów encyklopedii na dwóch regałach. Na wyższym regale ma stać w szeregu $6$ tomów, a na niższym mają stać w szeregu pozostałe tomy. Na ile sposobów można ustawić wszystkie tomy tak, aby tomy A i B stały obok siebie?
Można ustawić tomy na $72\ 576\ 000$ sposobów.
