Факториалы свойства – 1. , , .

Математика. Комбинаторика. Факториал. Свойства факториала. Примеры + решения.

Факториал числа – математическое понятие, применимое только для целых неотрицательных чисел. Эта величина представляет собой произведение всех натуральных числе от 1 до основания факториала. Понятие находит применение в комбинаторике, теории чисел и функциональном анализе.  

Факториал натурального числа n – это произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно.

Обозначается вот так: n! То есть, 

 

      Например,

   

Свойства факториала

        Рассмотрим не очень понятное с точки зрения определения факториала выражение 0! Так уж в математике договорились, что

        Да-да! Такое вот интересное равенство. Что от единицы, что от нуля факториал один и тот же – единичка.)) Пока примем это равенство за догму, а вот почему это именно так, будет ясно чуть позже, на примерах.))

        Следующие два очень похожих свойства:

        Доказываются они элементарно. Прямо по смыслу факториала.)

        Эти две формулки позволяют, во-первых, легко считать факториал текущего натурального числа через факториал предыдущего числа. Или следующего через текущий.) Такие формулы в математике называются рекуррентными.

        Во-вторых, с помощью этих формул можно упрощать и считать некоторые хитрые выражения с факториалами. Типа таких.

        Вычислить:

        Как действовать будем? Последовательно перемножать все натуральные числа от 1 до 1999 и от 1 до 2000? Это одуреешь! А вот по свойствам пример решается буквально в одну строчку:

        Или так:

        Или такое задание. Упростить:

        Снова работаем прямо по свойствам:

        Зачем нужны факториалы и откуда они появились?

 Ну, зачем нужны – вопрос философский. В математике просто так, чисто для красоты, ничего не бывает.)) На самом деле приложений у факториала великое множество. Это и бином Ньютона, и теория вероятностей, и ряды, и формула Тейлора, и даже знаменитое число e, которое представляет собой вот такую интересную бесконечную сумму:

        Чем больше задаётся n, тем большее число слагаемых в сумме и тем ближе будет эта сумма к числу e. А в пределе при  она станет равна в точности числу e.

multiurok.ru

Факториал

ФАКТОРИАЛ.

Факториал – так называют часто встречающуюся в практике функцию, определённую для целых неотрицательных чисел. Название функции происходит от английского математического термина factor – «сомножитель». Обозначается она n!. Знак факториала «!» был введён в1808 году во французском учебнике Хр. Крампа.

Для каждого целого положительного числа n функция n! равна произведению всех целых чисел от 1 до n.

Например:

4! = 1*2*3*4 = 24.

Для удобства полагают по определению 0! = 1. О том, что нуль – факториал должен быть по определению равен единице, писал в 1656 году Дж. Валлис в «Арифметике бесконечных».

Функция n! растёт с увеличением n очень быстро. Так,

1!=1,

2!=2,

3!=6,

4!=24,

5!=120,

…..,

10!=3 628 800.

При преобразовании выражений, содержащих факториал, по лезно использовать равенство

(n + 1)! = (n + 1) • n! = (n + 1) • n • (n – 1)! (1)

Английский математик Дж. Стирлинг в 1970г. предложил очень удобную формулу для приближённого вычисления функции n!:

n! ≈ (	n	)	n	* √ 2¶ n ,
	е

где е = 2,7182… — основание натуральных логарифмов.

Относительная ошибка при пользовании этой формулой очень невелика и быстро падает при увеличении числа n.

Способы решения выражений, содержащих факториал, рассмотрим на примерах.

Пример 1. (n! + 1)! = (n! + 1) • n!

.

Пример 2. Вычислить 10! 8!

Решение. Воспользуемся формулой (1):

10! ₌10*9*8! _{= 10*9=90} 8! 8!

Пример 3. Решить уравнение (n + 3)! ₌ 90 (n + 1)!

Решение. Согласно формуле (1) имеем

= (n + 3)(n + 2) = 90.

(n + 3)! ₌(n + 3)(n + 2)(n+1)! (n + 1)! (n + 1)!

Раскрыв скобки в произведении, получаем квадратное уравнение

n² + 5n — 84 = 0, корнями которого являются числа n = 7 и n = -12. Од нако факториал определен только для неотрицательных целых чисел, т. е. для всех целых чисел n ≥ 0. Поэтому число n = -12 не удовлетворя ет условию задачи. Итак, n = 7.

Пример 4. Найти хотя бы одну тройку натуральных чисел х, у и z, для которой верно равенство х! = y! • z!.

Решение. Из определения факториала натурального числа n сле дует, что

(n+1)! = (n + 1) • n!

Положим в этом равенстве n + 1 = у! = х, где у — произвольное нату ральное число, получим

x!=y! • (x-1)!

Теперь видим, что искомые тройки чисел можно задать в виде

(y!;y;y!-1) (2)

где y- натуральное число, больше 1.

Например, справедливы равенства

2! = 2! • 1!

6! = 3! • 5!

24! = 4! • 23!

Пример 5. Определить, сколькими нулями оканчивается деся тичная запись числа 32!.

Решение. Если десятичная запись числа Р = 32! оканчивается k

нулями, то число Р можно представить в виде

Р = q • 10^k,

где число q не делится на 10. Это означает, что разложение числа q на простые множители не содержит одновременно 2 и 5.

Поэтому, чтобы ответить на поставленный вопрос, попробуем опреде лить, с какими показателями в произведение 1 • 2 • 3 • 4 • … • 30 • 31 • 32 входят числа 2 и 5. Если число k — наименьший из найденных показателей, то число Р будет оканчиваться k нулями.

Итак, определим, сколько чисел среди натуральных чисел от 1 до 32 делятся на 2. Очевидно, что их количество равно 32/2 = 16. Затем определим, какое количество среди найденных 16 чисел делится на 4; затем — какое количество из них делится на 8 и т. д. В результате получим, что среди тридцати двух первых натуральных чисел на 2 делится 16 чисел,

из них на 4 делятся 32/4 = 8 чисел, из них на 8 делятся 32/8 = 4 числа, из них на 16 делятся 32/16 = 2 числа и, наконец, из них на 32 делятся 32/32=1, т.е. одно число. Понятно, что сумма полученных количеств:

16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 31

равна показателю степени, с которым число 2 входит в 32!.

Аналогично определим, сколько чисел среди натуральных чисел от 1 до 32 делятся на 5, а из найденного количества на 10. Разделим 32 на 5.

Получим 32/5 = 6,4. Следовательно, среди натуральных чисел от 1 до 32

существует 6 чисел, которые делятся на 5. Из них на 25 делится одно

число, так как 32/25 = 1,28. В результате число 5 входит в число 32! с пока зателем, равным сумме 6+1 = 7.

Из полученных результатов следует, что 32!= 2³¹ • 5⁷ • т, где число т не делится ни на 2, ни на 5. Поэтому число 32! содержит множитель

10⁷ и, значит, оканчивается на 7 нулей.

Итак, в данном реферате определено понятие факториала.

Приведена формула английского математика Дж Стирлинга для приближённого вычисления функции n!

При преобразовании выражений, содержащих факториал, по лезно использовать равенство

(n + 1)! = (n + 1) • n! = (n + 1) • n • (n – 1)!

На примерах подробно рассмотрены способы решения задач с факториалом.

Факториал используется в различных формулах в комбинаторике, в рядах и др.

Например, количество способов выстроить n школьников в одну шеренгу равняется n!.

Число n! равно, например, количеству способов, которыми можно n различных книг расставить на книжной полке, или, например, число 5! равно количеству способов, которыми пять человек можно рассадить на одной скамейке. Или, например, число 27! равно количеству способов, которыми наш класс из 27 учеников можно выстроить в ряд на уроке физкультуры.

Литература.

1. Рязановский А.Р., Зайцев Е.А.

Математика. 5-11 кл.: Дополнительные материалы к уроку математики. –М.:Дрофа, 2001.- (Библиотека учителя).

2. Энциклопедический словарь юного математика. /Сост. А.П.Савин.-М.:Педагогика, 1985

3. Математика. Справочник школьника. /Сост. Г.М. Якушева.- М.: Филолог. об-во «Слово», 1996.

studfiles.net

Факториал. Теория соединений. Бином Ньютона.

Бином Ньютона – это название формулы, которая позволяет выписывать разложение алгебраической суммы двух слагаемых произвольной степени. Впервые данная формула была предложена Исааком Ньютоном в 1664-1665 годах.

Давайте подробнее рассмотрим содержание формулы.

Коэффициенты данной формулы в математике называются биномиальными коэффициентами. Если n является целым положительным числом, то все коэффициенты превращаются в ноль, при любом r>n. Именно поэтому разложение содержит исключительно конечное число членов. Во всех остальных случаях (если n – неположительное или нецелое число), разложение содержит бесконечное число членов и представляет собой своеобразный биноминальный (бесконечный) ряд. Что касается условий сходимости биноминального ряда, то впервые они были установлены еще в начале 19 века математиком Н. Абелем. Если n – целое положительное число, то биноминальный коэффициент в формуле бинома будет числом комбинаций из n по r. Если значения n невелики, то коэффициенты можно найти с помощью треугольника Паскаля. В данном треугольнике каждое из чисел равняется сумме соседних чисел, что стоят выше, однако стоит отметить, что это не касается единиц. Для заданного n соответствующая строка треугольник паскаля (n-ая строка), будет давать по порядку коэффициенты биноминального разложения n-й степени. В этом совсем нетрудно убедиться, если, например, n=3 или n=2.

Как видите, бином Ньютона совсем не такой страшный, как кажется в начале, если взглянуть на формулу.

Например: 10!

Факториал. Теория соединений. Бином Ньютона

Определение факториала

1 * 2 * 3 * … * n = n!

Основное свойство факториала

n! = n * (n — 1)!

Формула Стирлинга (факториалы больших чисел)

n! ≈ ( n e ) n   2πn (1 +   1   12n +      1               2 288n + … )

ln(n!) ≈ (n + 1 2 )ln(n) — n + ln 2π

Теории соединений

Размещения из n по m элементов — соединения, отличающиеся самими элементами или их порядком

A m n =      n!      (n — m)! = n(n — 1)(n — 2) … (n — m + 1)

Перестановки — соединения, отличающиеся только порядком элементов

P   n = n! = 1 * 2 * 3 * … * n

P   n = A n n ;      0! = 1

Сочетания из n по m элементов — соединения, отличающиеся только самими элементами

С m n =        n!        m!(n — m)! = A m n = n(n — 1)(n — 2) … (n — m + 1) 1 * 2 * 3 * … * m P   m

Свойства сочетаний

C m + 1 n + 1 = C m n + C m + 1 n

C 0 n + C 1 n + C 2 n + … + C n — 1 n + C n n = 2 n

Бином Ньютона

(a + b) n   = a n   + C 1 n a n — 1   b + C 2 n a n — 2   b 2   + … + C k n a n — k   b k   + … + b n

C 1 n = n;    C 2 n = n(n — 1) 2 ;    C k n =      n!      (n — k)!k!

mateshka.ru

Математика. Комбинаторика. Факториал. Свойства факториала. Примеры + решения.

Факториал числа – математическое понятие, применимое только для целых неотрицательных чисел. Эта величина представляет собой произведение всех натуральных числе от 1 до основания факториала. Понятие находит применение в комбинаторике, теории чисел и функциональном анализе.  

Факториал натурального числа n – это произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно.

Обозначается вот так: n! То есть, 

 

      Например,

   

Свойства факториала

        Рассмотрим не очень понятное с точки зрения определения факториала выражение 0! Так уж в математике договорились, что

        Да-да! Такое вот интересное равенство. Что от единицы, что от нуля факториал один и тот же – единичка.)) Пока примем это равенство за догму, а вот почему это именно так, будет ясно чуть позже, на примерах.))

        Следующие два очень похожих свойства:

        Доказываются они элементарно. Прямо по смыслу факториала.)

        Эти две формулки позволяют, во-первых, легко считать факториал текущего натурального числа через факториал предыдущего числа. Или следующего через текущий.) Такие формулы в математике называются рекуррентными.

        Во-вторых, с помощью этих формул можно упрощать и считать некоторые хитрые выражения с факториалами. Типа таких.

        Вычислить:

        Как действовать будем? Последовательно перемножать все натуральные числа от 1 до 1999 и от 1 до 2000? Это одуреешь! А вот по свойствам пример решается буквально в одну строчку:

        Или так:

        Или такое задание. Упростить:

        Снова работаем прямо по свойствам:

        Зачем нужны факториалы и откуда они появились? Ну, зачем нужны – вопрос философский. В математике просто так, чисто для красоты, ничего не бывает.)) На самом деле приложений у факториала великое множество. Это и бином Ньютона, и теория вероятностей, и ряды, и формула Тейлора, и даже знаменитое число e, которое представляет собой вот такую интересную бесконечную сумму:

        Чем больше задаётся n, тем большее число слагаемых в сумме и тем ближе будет эта сумма к числу e. А в пределе при  она станет равна в точности числу e.

multiurok.ru

Факториал — это… Что такое Факториал?

Факториа́л числа n (лат. factorialis — действующий, производящий умножающий; обозначается n!, произносится эн факториа́л) — произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно:

Например:

По определению полагают 0! = 1. Факториал определён только для целых неотрицательных чисел.

Последовательность факториалов неотрицательных целых чисел начинается так:

1, 1, 2, 6, 24, 120, 720, 5040, 40 320, 362 880, 3 628 800, 39 916 800, 479 001 600, 6 227 020 800, 87 178 291 200, 1 307 674 368 000, 20 922 789 888 000, 355 687 428 096 000, 6 402 373 705 728 000, 121 645 100 408 832 000, 2 432 902 008 176 640 000, … (последовательность A000142 в OEIS)

Факториалы часто используются в комбинаторике, теории чисел и функциональном анализе.

Факториал является чрезвычайно быстро растущей функцией. Он растёт быстрее, чем многочлен любой степени, и быстрее, чем экспоненциальная функция (но медленнее, чем двойная экспоненциальная функция ).

Свойства

Рекуррентная формула

Комбинаторная интерпретация

В комбинаторике факториал натурального числа n интерпретируется как количество перестановок (упорядочиваний) множества из n элементов. Например, для множества {A,B,C,D} из 4-х элементов существует 4! = 24 перестановки:

ABCD  BACD  CABD  DABC
ABDC  BADC  CADB  DACB
ACBD  BCAD  CBAD  DBAC
ACDB  BCDA  CBDA  DBCA
ADBC  BDAC  CDAB  DCAB
ADCB  BDCA  CDBA  DCBA

Комбинаторная интерпретация факториала служит обоснованием тождества 0! = 1, т. к. пустое множество упорядочено единственным способом.

Связь с гамма-функцией

Амплитуда и фаза факториала комплексного аргумента.

Факториал связан с гамма-функцией от целочисленного аргумента соотношением:

Таким образом, гамма-функцию рассматривают как обобщение факториала для положительных вещественных чисел.

Путём аналитического продолжения её также расширяют и на всю комплексную плоскость, исключая особые точки при

Пи-функция, определённая для всех вещественных чисел, кроме отрицательных целых, и совпадающая при натуральных значениях аргумента с факториалом.

Более непосредственным обобщением факториала на множество вещественных (и комплексных) чисел является пи-функция, определяемая как

Поскольку то пи-функция натурального числа совпадает с его факториалом: Как факториал, пи-функция удовлетворяет рекурсивному соотношению

Формула Стирлинга

Формула Стирлинга — асимптотическая формула для вычисления факториала:

см. O-большое. Коэффициенты этого разложения дают последовательность A001163 в OEIS (числители) и последовательность A001164 в OEIS (знаменатели).

Во многих случаях для приближённого значения факториала достаточно рассматривать только главный член формулы Стирлинга:

При этом можно утверждать, что

Формула Стирлинга позволяет получить приближённые значения факториалов больших чисел без непосредственного перемножения последовательности натуральных чисел. Так, с помощью формулы Стирлинга легко подсчитать, что

• 100! ≈ 9,33×10¹⁵⁷;
• 1000! ≈ 4,02×10²⁵⁶⁷;
• 10 000! ≈ 2,85×10^35 659.

Разложение на простые числа

Каждое простое число p входит в разложение n! на простые множители в степени

Таким образом,

где произведение берётся по всем простым числам. Нетрудно видеть, что для всякого простого p большего n соответствующий множитель в произведении равен 1, а потому произведение можно брать лишь по простым p, не превосходящим n.

Другие свойства

• Для натурального числа n

Обобщения

Двойной факториал

Двойной факториал числа n обозначается n!! и определяется как произведение всех натуральных чисел в отрезке [1,n], имеющих ту же чётность что и n. Таким образом,

По определению полагают 0!! = 1.

Последовательность значений n!! начинается так:

1, 1, 2, 3, 8, 15, 48, 105, 384, 945, 3840, 10 395, 46 080, 135 135, 645 120, 2 027 025, 10 321 920, 34 459 425, 185 794 560, 654 729 075, 3 715 891 200, 13 749 310 575, 81 749 606 400, 316 234 143 225, 1 961 990 553 600, 7 905 853 580 625, 51 011 754 393 600, … (последовательность A006882 в OEIS).

Кратный факториал

m-Кратный факториал числа n обозначается и определяется следующим образом:

Пусть число n представимо в виде где Тогда^[1]

Двойной факториал является частным случаем m-кратного факториала для m = 2.

Кратный факториал связан с гамма-функцией следующим соотношением^[2]:

Убывающий факториал

Убывающим факториалом (или неполным факториалом) называется выражение

Убывающий факториал даёт число размещений из n по k.

Возрастающий факториал

Возрастающим факториалом называется выражение

Праймориал или примориал

Праймориал или примориал (англ. primorial) числа n обозначается n# и определяется как произведение всех простых чисел, не превышающих n. Например,

11# = 12# = 2 · 3 · 5 · 7 · 11 = 2310.

Последовательность праймориалов (включая ) начинается так:

1, 2, 6, 30, 210, 2310, 30 030, 510 510, 9 699 690, 223 092 870, 6 469 693 230, 200 560 490 130, 7 420 738 134 810, 304 250 263 527 210, 13 082 761 331 670 030, 614 889 782 588 491 410, 32 589 158 477 190 044 730, 1 922 760 350 154 212 639 070, … (последовательность A002110 в OEIS).

Суперфакториалы

Нейл Слоан и Саймон Плоуф (англ.) в 1995 году определили суперфакториал как произведение первых n факториалов. Согласно этому определению, суперфакториал четырёх равен

(поскольку устоявшегося обозначения нет, используется функциональное).

В общем

Последовательность суперфакториалов чисел n⩾0 начинается так:

1, 1, 2, 12, 288, 34 560, 24 883 200, … (последовательность A000178 в OEIS).

Идея была обобщена в 2000 году Генри Боттомли (англ.), что привело к гиперфакториалам (англ. Superduperfactorial), которые являются произведением первых n суперфакториалов. Последовательность гиперфакториалов чисел n⩾0 начинается так:

1, 1, 2, 24, 6912, 238 878 720, 5 944 066 965 504 000, 125 411 328 000, 5 056 584 744 960 000, 1 834 933 472 251 084 800 000, 6 658 606 584 104 736 522 240 000 000, 265 790 267 296 391 946 810 949 632 000 000 000, 127 313 963 299 399 416 749 559 771 247 411 200 000 000 000 … (последовательность A055462 в OEIS)

Продолжая рекуррентно, можно определить факториал кратного уровня, или m-уровневый факториал числа n, как произведение первых n (m−1)-уровневых факториалов, то есть

где для и

Субфакториал

Субфакториал !n определяется как количество беспорядков порядка n, то есть перестановок n-элементного множества без неподвижных точек.

Ссылки

См. также

Примечания

1. ↑ «Энциклопедия для детей» Аванта+. Математика.
2. ↑ wolframalpha.com.

dic.academic.ru

Факториал, примеры решения

Теория по факториалам

Факториал нуля равен единице:

   

Так же используются факториалы по четным и по нечетным числам. Обозначаются они следующим образом: – двойной факториал по всем четным числам до :

   

– факториал по всем нечетным числам до :

   

Эти факториалы связаны равенством

или

Факториал широко используется в комбинаторике: перестановки, размещения, сочетания – все они выражаются через факториалы.

Примеры

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

ru.solverbook.com

Факториал, перестановки | Александр Будников

            Комбинаторика – это, как и намекает само название, раздел математики, изучающий различные наборы или комбинации каких-либо объектов (элементов) – чисел, предметов, букв в словах и прочего. Очень интересный раздел.) Но по тем или иным причинам сложный для восприятия. Почему? Потому, что в нём сплошь и рядом фигурируют более сложные для визуального восприятия термины и обозначения. Если символы 10, 2, 3/4 и даже ,  или log₂5 нам визуально понятны, т.е. мы можем их как-то «пощупать», то с обозначениями типа 15!, P₉, ,  начинаются проблемы. Кроме того, в большинстве учебников эта тема излагается довольно сухо и затруднительно для восприятия. Надеюсь, данный материал хотя бы немного поможет решить эти проблемы и комбинаторика вам понравится.)

        С комбинаторными задачами ежедневно сталкивается каждый из нас. Когда утром мы принимаем решение, как одеться, мы комбинируем те или иные виды одежды. Когда готовим салат, мы комбинируем ингредиенты. От того, какая комбинация продуктов выбрана, зависит результат – вкусно или невкусно. Правда, вопросами вкуса занимается уже не математика, а кулинария, но тем не менее.) Когда, играем «в слова», составляя маленькие словечки из одного длинного, мы комбинируем буквы. Когда открываем кодовый замок или набираем номер телефона, то комбинируем цифры.) Завуч школы составляет расписания уроков, комбинируя предметы. Футбольные команды на Чемпионате Мира или Европы распределяют по группам, образуя комбинации. И так далее.)

        Комбинаторные задачи люди решали ещё в глубокой древности (магические квадраты, шахматы), а настоящий расцвет комбинаторики пришёлся на VI–VII века, во время широкого распространения азартных игр (карты, игральные кости), когда игрокам приходилось продумывать различные ходы и тем самым фактически также решать комбинаторные задачи.) Вместе с комбинаторикой в это же время зародился и другой раздел математики – теория вероятностей. Эти два раздела – очень близкие родственники и идут рука об руку.) И при изучении теории вероятностей мы не раз будем сталкиваться с задачами комбинаторики.

        И начнём мы изучение комбинаторики с такого краеугольного понятия, как факториал.

Что такое факториал?

           Красивое слово «факториал», но многих пугает и ставит в тупик. А зря. В настоящем уроке мы разберёмся и хорошенько поработаем с этим несложным понятием.) Это слово происходит от латинского «factorialis», что означает «умножающий». И неспроста: в основе вычисления любого факториала стоит обыкновенное умножение.)) Итак, что же такое факториал. 

        Возьмём какое-нибудь натуральное число n. Совершенно произвольное: хотим 2, хотим 10, — какое угодно, лишь бы натуральное.) Так вот, факториал натурального числа n – это произведение всех натуральных чисел от 1 до n включительно. Обозначается вот так: n! То есть,

        Чтобы не расписывать каждый раз это длинное произведение, просто придумали краткое обозначение. 🙂 Читается немного непривычно: «эн факториал» (а не наоборот «факториал эн», как может показаться).

        И всё! Например,

        Улавливаете идею?)) Отлично! Тогда считаем примеры:

        Ответы (в беспорядке): 30; 0,1; 144; 6; 720; 2; 5040.

        Всё получилось? Прекрасно! Считать факториалы и решать простейшие примеры с ними уже умеем. Идём дальше. 🙂

Свойства факториала

        Рассмотрим не очень понятное с точки зрения определения факториала выражение 0! Так уж в математике договорились, что

        Да-да! Такое вот интересное равенство. Что от единицы, что от нуля факториал один и тот же – единичка.)) Пока примем это равенство за догму, а вот почему это именно так, будет ясно чуть позже, на примерах.))

        Следующие два очень похожих свойства:

        Доказываются они элементарно. Прямо по смыслу факториала.)

        Эти две формулки позволяют, во-первых, легко считать факториал текущего натурального числа через факториал предыдущего числа. Или следующего через текущий.) Такие формулы в математике называются рекуррентными.

        Во-вторых, с помощью этих формул можно упрощать и считать некоторые хитрые выражения с факториалами. Типа таких.

        Вычислить:

        Как действовать будем? Последовательно перемножать все натуральные числа от 1 до 1999 и от 1 до 2000? Это одуреешь! А вот по свойствам пример решается буквально в одну строчку:

        Или так:

        Или такое задание. Упростить:

        Снова работаем прямо по свойствам:

        Зачем нужны факториалы и откуда они появились? Ну, зачем нужны – вопрос философский. В математике просто так, чисто для красоты, ничего не бывает.)) На самом деле приложений у факториала великое множество. Это и бином Ньютона, и теория вероятностей, и ряды, и формула Тейлора, и даже знаменитое число e, которое представляет собой вот такую интересную бесконечную сумму:

        Чем больше задаётся n, тем большее число слагаемых в сумме и тем ближе будет эта сумма к числу e. А в пределе при  она станет равна в точности числу e. 🙂 Но об этом удивительном числе мы поговорим в соответствующей теме. А здесь у нас – факториалы и комбинаторика.)

        Откуда же они взялись? Они взялись как раз из комбинаторики, с изучения наборов элементов.) Простейшим таким набором является перестановка без повторений. С неё и начнём. 🙂

Перестановка без повторений

        Пусть в нашем распоряжении имеются два различных объекта. Или элемента. Совершенно любые. Два яблока (красное и зелёное), две конфеты (шоколадная и карамель), две книги, две цифры, две буквы – всего чего угодно. Лишь бы они были различными.) Назовём их A и B соответственно.

        Что можно с ними делать? Если это конфеты, то их, конечно, можно съесть.)) Мы же пока потерпим и будем их располагать в различном порядке.

        Каждое такое расположение называется перестановкой без повторений. Почему «без повторений»? Потому, что все элементы, участвующие в перестановке, различны. Это мы пока что для простоты так решили. Есть ещё перестановка с повторениями, где некоторые элементы могут быть одинаковыми. Но такие перестановки чуть сложнее. О них – позже.)

        Итак, если рассматривается два различных элемента, то возможны такие варианты:

AB, BA.

        Всего два варианта, т.е. две перестановки. Негусто.)

        А теперь добавим к нашему набору ещё один элемент C. В этом случае перестановок станет уже шесть:

ABC, ACB, BAC, BCA, CAB, CBA.

        Идём дальше. Добавляем ещё один элемент D.

        Перестановки из четырёх элементов будем строить так. Сначала на первое место поставим элемент A.   При этом оставшиеся три элемента можно переставить, как нам уже известно, шестью способами:

        Значит, число перестановок с первым элементом A равно 6.

        Но та же самая история будет получаться, если мы на первое место поставим любой из этих четырёх элементов. Они же равноправны и каждый заслуживает оказаться на первом месте.) Значит, общее число перестановок из четырёх элементов будет равно . Вот они:

        Итак, подытожим: перестановкой из n элементов называется любой упорядоченный набор из этих n элементов.

        Слово «упорядоченный» здесь является ключевым: каждая перестановка различается только порядком элементов, а сами элементы в наборе остаются прежними.

        Осталось только выяснить, чему равно количество таких перестановок из любого числа элементов: мы ведь не мазохисты, чтобы каждый раз выписывать все различные варианты и их подсчитывать. 🙂 Для 4-х элементов мы получили 24 перестановки – это уже довольно много для наглядного восприятия. А если элементов 10? Или 100? Хорошо бы сконструировать формулу, которая одним махом подсчитывала бы число всех таких перестановок для любого числа элементов. И такая формула есть! Сейчас мы её выведем.) Но для начала сформулируем одно очень важное во всей комбинаторике вспомогательное правило, называемое правилом произведения.

        Правило произведения: если в наборе имеется n различных вариантов выбора первого элемента и для каждого из них есть m различных вариантов выбора второго элемента, то всего можно составить n·m различных пар из этих элементов.

        А теперь, пусть теперь имеется набор из n различных элементов

,

где, естественно, . Нам нужно подсчитать число всех возможных перестановок из элементов этого набора. Рассуждаем точно так же.)) На первое место можно поставить любой из этих n элементов. Это значит, что число способов выбрать первый элемент равно n.

        Теперь представим, что первый элемент у нас выбран (n способами, как мы помним). Сколько невыбранных элементов осталось в наборе? Правильно, n-1. 🙂 Это значит, что второй элемент можно выбрать уже только n-1 способами. Третий — n-2 способами (т.к. 2 элемента уже выбраны). И так далее, k-й элемент можно выбрать n-(k-1) способами, предпоследний – двумя способами, а последний элемент – только одним способом, так как все остальные элементы так или иначе уже выбраны. 🙂

        Что ж, теперь конструируем формулу.

Итак, число способов выбрать первый элемент из набора равно n. На каждый из этих n способов приходится по n-1 способу выбрать второй. Это значит, что общее число способов выбрать 1-й и 2-й элементы, в соответствии с правилом произведения, будет равно n(n-1). Далее, на каждый из них, в свою очередь, приходится по n-2 способа выбрать третий элемент. Значит, три элемента можно выбрать уже n(n-1)(n-2) способами. И так далее:

4 элемента —  способами,

k элементов   способами,

n элементов  способами.

        Значит, n элементов можно выбрать (или в нашем случае расположить)  способами.

        Число таких способов обозначается так: P_n. Читается: «пэ из эн». От французского «Permutation — перестановка». В переводе на русский означает: «перестановка из n элементов».

        Значит,

        А теперь посмотрим на выражение , стоящее в правой части формулы. Ничего не напоминает? А если переписать справа налево, вот так?

        Ну, конечно! Факториал, собственной персоной. 🙂 Теперь можно кратко записать:

        Значит, число всех возможных перестановок из n различных элементов равно n!.

        В этом и состоит основной практический смысл факториала.))

        Теперь мы с лёгкостью можем ответить на многие вопросы, связанные с комбинациями и перестановками.)

        Сколькими способами можно разместить на полке 7 разных книг?

        P₇ = 7! = 1·2·3·4·5·6·7 = 5040 способами.)

        Сколькими способами можно составить расписание (на один день) из 6 разных предметов?

        P₆ = 6! = 1·2·3·4·5·6 = 720 способами.

        Сколькими способами можно расставить в колонну 12 человек?

        Не вопрос! P₁₂ = 12! = 1·2·3·…·12 = 479001600 способами. 🙂

        Здорово, правда?

        На тему перестановок есть одна очень известная задача-шутка:

        Однажды 8 приятелей зашли в ресторан, в котором стоял большой круглый стол, и долго спорили между собой, как им лучше сесть вокруг этого стола. Спорили-спорили, пока, наконец, хозяин ресторана не предложил им сделку: «Что же вы спорите-то? Голодным всё равно никто из вас не останется 🙂 Сядьте для начала хоть как-нибудь! Хорошенько запомните сегодняшнюю рассадку. Затем приходите завтра и садитесь уже по-другому. На следующий день приходите и садитесь опять по-новому! И так далее… Как только вы переберёте все возможные варианты рассадки и настанет черёд сесть снова так, как сегодня, — то так уж и быть, обещаю вас кормить в своём ресторане бесплатно!» Кто останется в выигрыше – хозяин или посетители? 🙂

        Что ж, считаем число всех возможных вариантов рассадки. В нашем случае это число перестановок из 8 элементов:

P₈ = 8! = 40320 способов.

        Пусть в году у нас 365 дней (високосные для простоты учитывать не будем). Значит, даже с учётом этого допущения, число лет, которое потребуется, чтобы перепробовать все возможные способы посадки, составит:

 

        Более 110 лет! То есть, даже если наших героев в колясках привезут в ресторан их мамы прямо из роддома, то получить свои бесплатные обеды они смогут только в возрасте очень преклонных долгожителей. Если, конечно, все восемь доживут до такого возраста.))

        Всё потому, что факториал – ооочень быстро возрастающая функция! Смотрите сами:

        Кстати сказать, как с точки зрения перестановок выглядят равенства  и 1! = 1? А вот как: из пустого набора (0 элементов) мы можем составить только одну перестановку – пустой набор. 🙂 Так же, как и из набора, состоящего всего из одного элемента, мы тоже можем составить лишь одну перестановку – сам же этот элемент.

        Всё понятно с перестановками? Отлично, тогда делаем задания.)

        Задание 1

        Вычислите:

а) P₃        б) P₅

      в) P₉😛₈     г) P₂₀₀₀😛₁₉₉₉

 

Задание 2

Верно ли, что

Задание 3

Сколько различных четырёхзначных чисел можно составить

а) из цифр 1, 2, 3, 4

б) из цифр 0, 5, 6, 7?

Подсказка к пункту б): число не может начинаться с цифры 0!

Задание 4

Слова и фразы с переставленными буквами называются анаграммами. Сколько анаграмм можно составить из слова «гипотенуза»?

Задание 5

        Сколько пятизначных чисел, делящихся на 4, можно составить, меняя местами цифры в числе 61135?

        Подсказка: вспомнить признак делимости на 4 (по двум последним цифрам)!

Ответы в беспорядке: 2000; 3628800; 9; 24; 120; 18; 12; 6.

        Ну как, всё получилось! Поздравляю! Уровень 1 пройден, переходим на следующий. Называется «Размещения без повторений.«

abudnikov.ru