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1.2 分步乘法计数原理

计数原理与二项式定理 · 高二
讲清楚它是什么

定义 完成一件事需分 $n$ 个步骤,每步方法数分别为 $m_1, \dots, m_n$,则总方法数为 $N = m_1 \times \dots \times m_n$。

从哪来 本节为计数原理起点,无前置知识点,直接基于“分类加法计数原理”的对立概念(分步)引入,或作为独立公理引入。

为什么 核心逻辑是“乘法原理”的本质:独立选择的累积效应。 若第一步有 $m_1$ 种选法,第二步有 $m_2$ 种选法。对于第一步的每一种具体选择,第二步都有 $m_2$ 种搭配。因此,第一步的 $m_1$ 种选择共对应 $m_1 \times m_2$ 种组合。 推广到 $n$ 步,每一步的选择都独立地“扩展”了前一步的结果集,故总数为各步方法数的乘积。这与“加法原理”(互斥分类)形成互补:加法是“或”(OR),乘法是“且”(AND)。

讲法
生活情境法 适合:形象思维强、对抽象符号抵触的学生 场景:穿出门。 1. 选上衣:3件(红、蓝、白)。 2. 选裤子:2条(黑、灰)。 3. 选鞋子:2双(皮鞋、运动鞋)。 问:有多少种搭配? 引导:画树状图。红上衣可以配黑裤+皮鞋、黑裤+运动鞋、灰裤+皮鞋、灰裤+运动鞋(4种)。蓝上衣同理(4种)。白上衣同理(4种)。 总数:$4+4+4=12$。 再换一种算法:$3 \times 2 \times 2 = 12$。 结论:每一步的选择数相乘,就是总搭配数。
讲法
逻辑结构法 适合:逻辑思维强、喜欢推导的学生 强调“分步”的定义:完成一件事,必须依次经过几个步骤,且每一步都不能省略。 对比分类加法: - 加法:做一件事,有几种方案,方案之间互斥。 - 乘法:做一件事,有几种步骤,步骤之间依赖。 关键判据:如果去掉某一步,事情还能完成吗? - 能完成 $\rightarrow$ 分类(加法)。 - 不能完成 $\rightarrow$ 分步(乘法)。 例如:从A到C,可经B(A$\to$B$\to$C),也可直接飞(A$\to$C)。这是分类(加法)。 例如:从A到C,必须先A$\to$B,再B$\to$C。这是分步(乘法)。
讲法
程序/代码类比法 适合:对计算机/编程感兴趣的学生 类比嵌套循环(Nested Loops): ```python count = 0 for step1 in range(m1): # 第一步有 m1 种 for step2 in range(m2): # 第二步有 m2 种 for step3 in range(m3): # 第三步有 m3 种 count += 1 print(count) # 输出 m1 * m2 * m3 ``` 解释:最内层循环执行 $m_3$ 次,中间层每执行一次,内层就完整跑 $m_3$ 次,所以中间层贡献 $m_2 \times m_3$ 次,最外层贡献 $m_1 \times m_2 \times m_3$ 次。 这就是乘法原理的计算本质。
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练一道
基础题
从甲地到乙地,上午有3班火车,下午有2班火车;从乙地到丙地,有4班汽车。问从甲地经乙地到丙地,共有多少种不同的走法?
变式
用数字1, 2, 3, 4, 5组成无重复数字的三位数,其中百位是奇数,十位是偶数,个位是任意剩余数字。问共有多少个这样的三位数?
试试手自己判
检测题
某班有男生20人,女生15人。现要选1名男生和1名女生组成搭档参加辩论赛。问共有多少种不同的选法?
看答案和判分标准
答案:300种。
判对标准:
1. 学生能识别出这是“分步”问题(选男生是第一步,选女生是第二步,缺一不可)。
2. 正确列出算式:$20 \times 15$。
3. 计算结果正确为300。
4. 若学生写成 $20+15=35$,则判定为未掌握“分步”与“分类”的区别。
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