组合数学
第 2 章 · 20 分钟

有序与无序:重复怎么被还回去

排列与组合的差别只在除以了什么。

概念地图
还重复
先多数再除以每个对象被数的次数;次数必须处处相同。
深色为本章概念,浅色为其他章
陪练模式
不想只是读?让它带你走一遍。
导师把这一章拆成小步,每一步先问你,再讲;你用自己的话答,它先认下对的部分再纠偏。用你自己的 AI,对话只存在这台设备上。
对话只存在本机
定位01

延伸阅读

帕斯卡 · 十七世纪 · 算术三角与组合数
在赌博分配问题里系统整理了组合数的递推与三角排列。他反对的是逐一枚举赌局;代价是这些数当时只有算法没有解释,「为什么是这个式子」要再过很久才有组合证明。
奠基
十八世纪的排列组合传统 · 伯努利与欧拉
把有序与无序、可重与不可重四种情形整理成配方式。它让计算变得可传授;代价是四个公式看起来互不相干,掩盖了它们出自同一个动作。
转向
隔板法与双射证明 · 现代教材的标准处理
用一个显式对应把「相同球放进不同盒子」变成「在一排位置里选隔板」,从而把可重组合归到普通组合。这是对「四个公式各记各的」的正面反驳。
修正
布鲁迪 · 关于排列与组合的章节
本课对象。教材把四种情形列得很清楚,本章要说清它们的差别只在一处:除以了什么,以及为什么可以除。
本课对象
机制02

先多数再还回去

数无序的东西时,常用的办法是先把它当作有序的来数——这一步会把每个对象数很多次——然后除以每个对象被数的次数。这个动作有一个硬条件:被数的次数必须对每个对象都相同。若有的对象被数 6 次、有的被数 3 次,直接除以 6 就是错的。本课把这一步叫作还重复,它是排列与组合之间唯一的差别。

机制一个无序计数通过先按有序数再除以每个对象的重复次数化为已解问题。
可迁移性测试
换到日程统计:先按「谁和谁在同一个会」的有序对来数,再除以 2 得到会面对数——前提是每对人都恰好被数两次。不同构的地方在于现实数据里可能有单向记录(甲记了、乙没记),此时除以 2 就错了。
机制03

隔板:把重复变成不重复

「把 个相同的球放进 个不同的盒子」看起来是新问题,其实可以整个搬到旧问题上:把 个球与 块隔板排成一行,隔板的位置就完全决定了分配方案。这个隔板法是第 1 章那条原则最典型的用法:不发明新公式,只造一个对应。

机制一个可重分配问题通过与选隔板位置一一对应转成普通的组合计数。
可迁移性测试
换到预算分配:把一笔总额分给几个部门,等价于在一条刻度线上选几个切点。不同构的地方在于预算通常有最小额度限制,而隔板法的标准形式允许某个盒子分到零个——加了下限就要先扣掉再套公式。
推导04

从排列到组合:除法为什么合法

这一段要证的是 ,重点在「为什么可以除」这一句。

个对象互不相同(读作「n 个可区分的对象」)
定理前提。有相同对象时每个组合被数的次数不再相同,除法立刻失效。
取出的 个对象之间的顺序不计
定理前提,也就是第 1 章说的等价关系:两个排列若元素集合相同就算同一个组合。
每个 元子集恰好对应 个排列
定理前提,也是除法合法的全部依据; 读作「r 的阶乘」。
推导 · 0 / 4
推导实例05

有相同对象时除法为什么失效

「MISSISSIPPI」的字母排列有多少种?为什么不能直接用 除以某个统一的数?
先算若把所有字母都当作不同的会数多少次,再看每个真实排列被数了几次。
裂缝06

本章命题的边界

争议地形07
本书主张
排列组合、可重排列、可重组合是四种基本情形,掌握四个公式加上适用条件就能覆盖大部分取样问题。
另一种看法
双射方法一线主张:四个公式其实是一个动作的四次应用,应当只教「先多数再还重复」与「造对应」两件事,公式让学习者自己推。
分歧扎在
分歧扎在「记住结果还是记住动作」这条教学决定上,而不在数学上。两边的计算结果完全相同,争的是遇到非标准情形时哪种组织方式更少出错。
什么证据能裁决
能裁决它的是非标准题上的表现:给两组学习者一批不属于四种标准情形的题(如带下限的分配、部分对象相同),比较正确率。若按动作组织的一组明显更高,双射方法的主张成立。
目前的证据把天平压向双射一侧,但证据很弱:现有比较多为课堂观察。还差的是把教法与教师水平分开的对照设计。
边界与反例08

把「还重复」的建模承诺写成可检验的规格

要检验的建模承诺是:现实中某个计数问题里,每个对象被重复计入的次数处处相同,因而可以用一次除法修正。

去掉哪条假设:重复次数对每个对象相同
除法合法的全部依据;次数不齐时无论除以什么都不对。
该情形下的具体反例:会面记录里有的会面被双方各记一次、有的只被一方记录,除以 2 得到的数偏小
单向记录的那些被数了 1 次,双向的被数了 2 次。
这条承诺对应的可观测量:对同一批原始记录,逐条核对每个真实对象被记录的次数
必须逐条核对,总量除法看不出次数不齐。
什么观测算它不成立:重复次数的分布不是单点,且离散程度超过事前登记的阈值
阈值按「多大不齐会让除法失去意义」事前定死。
事前登记的失败条件:次数分布非单点,或修正后的总数与独立盘点结果差距超阈值
两者都按承诺不成立处理。
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接口09
挂在哪个槽位
挂在哪个槽位你已有的那条结论多半是「去重就是把重复的删掉」——一条关于数据清洗的判断。本章要动的是它的操作条件。
本章对你已有的结构做的是 (a) 替换「去重就是删重复」这条结论,还是 (b) 约束它:只有每条记录的重复次数相同,才能用一次除法代替逐条去重?
慢变量登记两个慢变量:你手上有几处统计是用「除以一个数」代替逐条去重的,以及其中有几处核对过次数是否处处相同。三天后先看第二个。
小结10
本章小结
01排列与组合的全部差别是除以了什么,除法的依据是重复次数处处相同。
02组合数公式是「每个子集恰好被数 r! 次」的直接后果,不是要背的结果。
03有相同对象时次数不再处处相同,除法失效;商不是整数就是这条坏了的信号。
04隔板法是造对应而不是发明新公式;它的标准形式允许空盒,加下限要先扣。
05唯一承担观测风险的是「现实对象在该口径下互不相同」。
提取练习 · 合上书,先自己答一遍。
?「组合数等于排列数除以 r!」是 (a) 由等价类计数的算术得到的 还是 (b) 关于现实的建模承诺?
?MISSISSIPPI 的排列能用除法,靠的是 (a) 分母算得出来 还是 (b) 每个真实排列被数的次数相同?
受迫二选一11

B 标签辨识

「每个 r 元子集恰好对应 r! 个排列,故商为子集数」这一步是什么?
二选一
受迫二选一12

D 接口判断

哪一条能挂进你已有的结构?
二选一
读到这里,把它记为已读。