Základní kombinatorická pravidla
Kombinatorická pravidla, ačkoli jsou jen dvě, nám vystačí k řešení většiny kombinatorických úloh. Jestliže jste o nich ještě nikdy neslyšeli, jistě jste je někdy ve svém životě použili.
Zřejmě se vám obě pravidla budou zdát jako samozřejmá, ovšem to jim neubírá na významu, obě budeme hojně používat ve všech kapitolách této učebnice.
PRAVIDLO SOUČTU
Definice: Jsou-li $A_1, A_2,$ …$ , A_n$ konečné množiny, které mají po řadě $p_1, p_2,$ …$ , p_n$ prvků
a jsou-li každé dvě disjunktní, pak počet prvků jejich sjednocení $A_1 \cup A_2 \cup$ … $\cup A_n$ je roven $p_1 + p_2 + $ … $ +\ p_n$.
Lehký příklad na objasnění definice
Ve škole jsou dvě první třídy: 1. A a 1. B. Do třídy 1. A chodí 15 žáků, do třídy 1. B chodí 18 žáků.
Kolik je na škole prváků?
Řešení: (skrýt text)
Tyto 2 množiny žáků (třídy) jsou konečné (počet žáků je konečný) a jsou disjunktní (žádný žák nemůže zároveň chodit do 1. A a do 1. B).
Celkově v 1. A a v 1. B je dohromady 15+18=33 žáků.
PRAVIDLO SOUČINU
Definice: Počet všech uspořádaných $k$-tic, jejichž první člen lze vybrat $n_1$ způsoby, druhý člen po výběru prvního členu $n_2$ způsoby atd. až $k$-tý člen po výběru všech předcházejících členů $n_k$ způsoby, je roven $n_1 \cdot n_2 \cdot$ … $ \cdot \ n_k$.
Příklad 1 - Zvířata
Adam má 3 zvířata - pštrosa, býka a ovci. Rozhodl se, že 2 ze svých zvířat dá svým kamarádům. Jedno Honzovi a druhé Zbyňkovi.
Kolik má možností, jak zvířata rozdělit mezi Honzu a Zbyňka?
Řešení: (skrýt text)
Ze 3 zvířat máme vybrat jedno pro Honzu a poté ze zbylých 2 zvířat jedno pro Zbyňka:
Přepis řešení:
Adam chce dát 1 zvíře Honzovi(H) a 1 zvíře Zbyňkovi(Z):
H Z → _ _
Pro Honzu vybírá 1 zvíře ze 3. Má tedy 3 různé možnosti, jak ho obdarovat:
3 _
Potom, co už 1 zvíře dal Honzovi, pro Zbyňka zbývají jen 2 možnosti, jak jej obdarovat:
3 2
Celkem je možností: $3 \cdot 2 = 6$.
Příklad 2 - Oblečení
Bára má 3 různá trička a 5 různých sukní.
Kolika způsoby si může vzít tričko a sukni, aby pokaždé vypadala jinak?
Řešení: (skrýt text)
Počítáme počet možností, jak si Bára může vybrat 1 tričko(T) a k tomu 1 sukni(S):
T S → _ _
Bára má 3 různé možnosti, jak si vybrat tričko:
3 _
Potom, co si vybrala tričko, má 5 možností, jak si vybrat sukni:
3 5
Celkem má Bára $ 3 \cdot 5 = 15$ různých způsobů, jak se obléct.
Příklad 3 - Čísla
Určete počet všech trojciferných přirozených čísel, v jejichž dekadickém zápisu se každá číslice vyskytuje nejvýše jednou.
Řešení: (skrýt text)
Počet různých číslic je 10, jsou to: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Pro vytvoření trojciferného čísla, potřebujeme 3 číslice → _ _ _
Na první cifře nemůže být číslice 0, proto máme 9 různých čísel, které na ni můžeme umístit:
9 _ _
Na druhou cifru už můžeme použít i číslici 0, proto máme 10 možných číslic. Ale nesmíme použít tu číslici, která je na první cifře (ze zadání se číslice nesmí opakovat), tedy možností je 10-1=9:
9 9 _
Pro třetí cifru ze všech možných číslic odečítáme dvě, které jsme použili pro první a druhou cifru, dostáváme 8 různých číslic:
9 9 8
Celkem takových čísel je: $ 9 \cdot 9 \cdot 8 = 648$.
Příklady na procvičení
Příklad 1
Ze Lhotky do Hradce vedou 3 různé cesty, z Hradce do Budína vedou 4 různé cesty. Určete počet způsobů, jimiž lze vybrat trasu:
- ze Lhotky přes Hradec do Budína a zpět.
- ze Lhotky přes Hradec do Budína a zpět tak, že žádná cesta není použita dvakrát.
- ze Lhotky přes Hradec do Budína a zpět tak, že cesta ze Lhotky do Hradce a z Hradce do Lhotky je ta samá, z Hradce do Budína a zpátky je různá.
Řešení:(zobrazit text)
Cesty si označíme:
- Na trasu A máme 3 možné cesty, na trasu B 4 možné cesty, na trasu C opět 4 cesty a na trasu D opět 3 cesty:
A B C D = 3 4 4 3
Celkem: $3 \cdot 4 \cdot 4 \cdot 3 = 144$.
- Na trasu A a B máme stejný počet možností jako v případě 1.:
A B C D = 3 4 _ _ .
Na trasu C už nemůžeme použít cestu, která byla vybrána pro trasu B. K výběru cesty máme tedy o jednu méně: 4 - 1 = 3.
A B C D = 3 4 3 _ .
Obdobně pro trasu D, jsou tam tři různé cesty, ale jednu z nich jsme už vybrali, tedy 3 - 1 = 2.
Celkem: $3 \cdot 4 \cdot 3 \cdot 2 = 72$.
- Na trasu A a B máme stejný počet možností jako v případě 1.:
A B C D = 3 4 _ _ .
Trasa C má být jiná než B, tedy máme o jednu možnost méně:
A B C D = 3 4 3 _ .
Trasa D má být stejná jako trasa A, ale tu už máme vybranou, tedy máme jedinou možnost:
A B C D = 3 4 3 1 .
Celkem: $3 \cdot 4 \cdot 3 \cdot 1 = 36$.
Příklad 2
Čtverec o straně délky 4 cm je rozdělen rovnoběžkami se stranami na 16 stejných čtverců.
Určete, kolik je v daném obrazci čtverců?
Řešení:(zobrazit text)
Všechny čtverce rozdělíme do disjunktních skupin Č1, Č2, Č3 a Č4 tak, že
ve skupině Č1 jsou všechny čtverce o straně délky 1 cm,
ve skupině Č2 jsou všechny čtverce o straně délky 2 cm,
ve skupině Č3 jsou všechny čtverce o straně délky 3 cm
a ve skupině Č4 jsou všechny čtverce o straně délky 4 cm.
Ve skupině Č1 je 16 čtverců, v Č2 je 9 čtverců, v Č3 jsou 4 čtverce a v Č4 je 1 čtverec. Celkový počet čtverců v daném obrazci je roven $16 + 9 + 4 + 1 = 30$.
Příklad 3
Biatlonistka Katka má 5 zlatých, 3 stříbrné a 6 bronzových medailí, každou z jiné soutěže.
Chtěla by si některé ze svých medailí pověsit na poličku, která má přesně 5 háčků na pověšení.
Kolik různých možností Katka má, aby si medaile rozvěsila tak,
aby na prvním háčku byla jedna ze zlatých medailí, na druhém jedna ze stříbrných, na třetím jedna z bronzových a na posledních dvou libovolná medaile?
Řešení:(zobrazit text)
Na poličce je pět háčků:
1. 2. 3. 4. 5. → _ _ _ _ _
Na první háček můžeme vybrat jednu z 5 zlatých medailí, máme tedy 5 možností výběru:
5 _ _ _ _
Po výběru na první háček můžeme na druhý háček vybrat jednu ze 3 stříbrných medailí:
5 3 _ _ _
Po předešlém výběru můžeme na třetí háček vybrat jednu z 6 bronzových medailí:
5 3 6 _ _
Na čtvrtý háček po výběru prvních tří nám zbývá: 4 zlaté, 2 stříbrné a 5 bronzových medailí, vybíráme tedy libovolnou medaili z 11:
5 3 6 11 _
Na poslední háček po výběru prvních 4 nám zbývá 10 medailí:
5 3 6 11 10
Celkem má Katka možností: $5 \cdot 4 \cdot 3 \cdot 11 \cdot 10 = 9900$.
Příklad 4
Určete celkový počet tahů koně na šachovnici 8x8.
Řešení:(zobrazit text)
Počet tahů koně z daného pole na šachovnici závisí na poloze tohoto pole na šachovnici.
Rozdělíme si tedy všechna pole šachovnice do 5 skupin: A, B, C, D, E (viz obrázek).
Z rohového pole A má kůň 2 možné tahy, z pole typu B tři tahy, z pole typu C čtyři tahy, z pole typu D šest tahů a z pole typu E osm možných tahů.
Celkový počet tahů koně na šachovnici 8x8 je:
$4 \cdot 2 + 8 \cdot 3 + 20 \cdot 4 + 16 \cdot 6 + 16 \cdot 8 = 336$.
Příklad 5
Kolika způsoby lze vybrat na šachovnici 8x8 jedno bílé a jedno černé pole?
Kolika způsoby to lze učinit, nesmějí-li vybraná pole ležet ve stejném řádku ani ve stejném sloupci?
Řešení:(zobrazit text)
Bílé pole lze vybrat 32 způsoby, černé rovněž.
Celkový počet způsobů výběru je tedy v prvním případě roven $32 \cdot 32 = 1024$.
Vybereme-li v druhém případě jedno bílé pole (32 způsobů),
lze černé vybrat už jen z řádků a sloupců, v nichž vybrané bílé pole neleží, tj. 24 způsobů.
Počet výběrů je tedy $32 \cdot 24 = 738$.
Příklad 6
Kolika způsoby lze z úplného souboru domina (28 kostek) vybrat dvě tak, abychom je mohli přiložit k sobě?
Tzn., aby se nějaký počet ok vyskytoval zároveň na obou kostkách?
Řešení:(zobrazit text)
Vybereme nejprve první kostku, to lze 28 způsoby, v 7 z nich bude v obou polích stejný počet ok (00, 11, 22, ..., 66),
ve zbylých 21 případech bude počet ok v obou polích vybrané kostky různý.
Rozdělme tedy všechny uvažované dvojice kostek do dvou skupin podle toho, jakého z obou výše popsaných typů je první vybraná kostka.
V prvním případě lze druhou kostku vybrat 6 způsoby (např. ke kostce 00 přidáme některou z kostek 01, 02, ..., 06).
Ve druhém případě vybereme druhou kostku 12 způsoby (např. ke kostce 01 lze vybrat některou z kostek 00, 02, 03, ..., 06, 11, 12, ..., 16).
Podle pravidla součinu je v prvním případě počet výběrů $7 \cdot 6 = 42$, ve druhém $21 \cdot 12 = 252$
a podle pravidla součtu je celkový počet výběrů roven $42 + 252 = 294$.
Protože však na pořadí vybraných kostek nezáleží, je celkový počet výběrů poloviční, tedy $294 / 2 = 147$,
(např. dvojice kostek 01 a 16 je započítána i jako 16 a 01).
Příklad 7
Určete počet všech možných tanečních párů z 15 chlapců a 10 děvčat.
Řešení:(zobrazit text)
Celkový počet tanečních párů je podle pravidla součinu roven $15 \cdot 10 = 150$.
Příklad 8
V košíku je 12 jablek a 10 hrušek. Petr si má z něho vybrat jedno ovoce tak, aby Věra, která si po něm vybere jedno jablko a jednu hrušku, měla co největší možnost výběru.
Jaké ovoce si má Petr vybrat?
Řešení:(zobrazit text)
Pokud si Petr vybere jablko, počet možností pro Věru je: J H → $11 \cdot 10 = 110$. Pokud si Petr vybere hrušku, počet možností pro Věru je: J H → $12 \cdot 9 = 108$.
Aby Věra měla co největší možnost výběru, musí si Petr vzít jablko.
Příklad 9
Ve třídě 5. A chodí 14 žáků na němčinu a 13 na francouzštinu. Každý žák navštěvuje právě jeden z uvedených předmětů.
Kolika způsoby lze vybrat dvojici na týdenní službu tak, aby měl službu jeden žák z němčiny a jeden žák z francouzštiny?
Kolik let by žáci museli chodit do školy, aby se všechny tyto dvojice vystřídaly? (Počítejte, že školní rok má 33 vyučovacích týdnů.)
Řešení:(zobrazit text)
Počet různých dvojic je $14 \cdot 13 = 182$.
$182 \cdot 33 \doteq 5,515$. Aby se všechny dvojice vystřídaly, museli by žáci chodit do školy přibližně 5 a půl roku.
Příklad 10
Určete počet čtyřciferných čísel, které začínají cifrou 1 a nekončí cifrou 2, nebo končí cifrou 2 a nezačínají cifrou 1.
Řešení:(zobrazit text)
Všechna čísla můžeme rozdělit do dvou disjunktních množin. První množina obsahuje čísla, která začínají cifrou 1 a nekončí cifrou 2.
Druhá množina obsahuje čísla, která nezačínají cifrou 1 a končí cifrou 2. Celkový počet čísel ze zadání dostaneme podle pravidla součtu tak,
že sečteme počty čísel v obou množinách.
Počet prvků v první množině: $1 \cdot 10 \cdot 10 \cdot 9 = 900$.
První cifru známe, na další cifry můžeme vybírat z 10 číslic a na poslední nemůže být číslice "2".
Počet prvků v druhé množině: $8 \cdot 10 \cdot 10 \cdot 1 = 800$.
Na první cifře nemohou být číslice "0" a "1", proto je 8 možností, na další cifry můžeme vybírat z 10 číslic a na poslední bude číslice "2".
Celkový počet čísel odpovídajících zadání je $900 + 800 = 1700$.