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2.2 排列数

计数原理与二项式定理 · 高二
讲清楚它是什么

定义 从 $n$ 个不同元素中取出 $m$ ($m \le n$) 个元素的所有排列的个数,记作 $A_n^m$。

从哪来 本节为高二排列组合章节的起点,无前置知识点依赖,直接基于集合论中“元素互异性”及乘法原理构建。

为什么 排列的核心在于“有序性”。若从 $n$ 个不同元素中取 $m$ 个,第一个位置有 $n$ 种选法,第二个位置剩 $n-1$ 种,依此类推,直到第 $m$ 个位置剩 $n-m+1$ 种。根据分步乘法计数原理,总方案数为 $n(n-1)\cdots(n-m+1)$。这种“位置固定、元素不同、顺序敏感”的逻辑决定了排列数的计算本质是连乘积。

讲法
适合:逻辑抽象能力强、喜欢推导公式的学生 直接从乘法原理出发,不依赖具体情境。 1. 设 $n$ 个元素为 $\{1, 2, ..., n\}$,取 $m$ 个排成一列。 2. 第 1 位:$n$ 选 1,有 $n$ 种。 3. 第 2 位:剩 $n-1$ 选 1,有 $n-1$ 种。 4. ... 5. 第 $m$ 位:剩 $n-m+1$ 选 1,有 $n-m+1$ 种。 6. 结论:$A_n^m = n(n-1)\cdots(n-m+1) = \frac{n!}{(n-m)!}$。 强调:这是纯数学推导,重点理解“剩余量”的变化规律。
讲法
适合:形象思维强、需要具体情境辅助理解的学生 使用“排队”或“颁奖”情境。 1. 场景:5 名同学站成一排,选 3 人上台领奖,且分一、二、三等奖。 2. 问:有多少种不同的颁奖方式? 3. 分析: - 一等奖:5 人中选 1 人,5 种可能。 - 二等奖:剩下 4 人中选 1 人,4 种可能。 - 三等奖:剩下 3 人中选 1 人,3 种可能。 4. 计算:$5 \times 4 \times 3 = 60$。 5. 对比:如果只选 3 人上台不分名次,则是组合问题(后续讲)。这里因为“名次不同”,所以是排列。 强调:位置不同导致结果不同,这就是排列。
讲法
适合:容易混淆排列与组合、需要对比辨析的学生 使用“密码锁”或“车牌号”情境,强调“顺序决定唯一性”。 1. 场景:手机密码由 0-9 中 4 个不同数字组成。 2. 问:有多少个不同密码? 3. 分析: - 第一位:10 种选择。 - 第二位:9 种选择(不能重复)。 - 第三位:8 种选择。 - 第四位:7 种选择。 4. 计算:$10 \times 9 \times 8 \times 7 = 5040$。 5. 关键辨析:如果题目问“选哪 4 个数字”,那是组合;问“按什么顺序排列”,才是排列。排列数 $A_{10}^4$ 计算的是“有序序列”的数量。 强调:排列数 = 有序选择的总数。
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练一道
基础题
计算 $A_5^3$。
变式
从 1, 2, 3, 4, 5 这五个数字中取出 3 个数字,组成没有重复数字的三位数,共有多少个?
试试手自己判
检测题
从 6 本不同的书中取出 4 本,按顺序放在书架上,有多少种不同的放法?
看答案和判分标准
答案:$A_6^4 = 6 \times 5 \times 4 \times 3 = 360$。
判对标准:
- 正确识别为排列问题(“按顺序放”是关键)。
- 正确列出算式 $6 \times 5 \times 4 \times 3$ 或 $A_6^4$。
- 计算结果正确为 360。
- 若写成 $C_6^4$ 或 $6^4$ 均判错。
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