球盒问题

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一、球相同,盒子相同,且盒子不能空

例1.8个相同的球放入3个相同的盒子中,每个盒子中至少有一个,有多少种不同的放法?

球入盒问题,可以看成分两步完成,首先是将8个球分成三堆,每堆至少一个. 由于这里球和盒子都相同,每三堆放入3个盒子中只有一种情况,所以只要将8个球分成三堆. 即1-1-6、1-2-5、1-3-4、2-2-4、2-3-3五种,故将8个相同的球放入3个相同的盒子中,每个盒子至少有一个, 有五种不同的放法.
结论:n个相同的球放入m个相同的盒子(n≥m),不能有空盒时的放法种数等于n分解为m个数的和的种数.

二、球相同,盒子相同,且盒子可以空

例2.8个相同的球放入3个相同的盒子中,有多少种不同的放法?

与上题不同的是分成的三堆中,上题中的每一堆至少有一个球,而这个题中的三堆可以有球数为零的堆,即除了分成上面的五堆外,还可分为1-7、2-6、3-5、4-4和只一堆共五种情况,故8个相同的球放入3个相同的盒子中.,有十种不同的放法.
结论:n个相同的球放入m个相同的盒子(n $\geq$ m),可以有空盒时的放法种数等于将n分解为m个、(m-1)个、(m-2)个、$\cdots$、2个、1个数的和的所有种数之和.

三、球相同,盒子不同,且盒子不能空

例3.8个相同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,每个盒子中至少有一个,有多少种不同的放法?(隔板法)

这是个相同的球放入不同的盒子中,与前面不同的是,这里盒子不同,所以不能再用前面的解法. 将8个球排成一排,形成7个空隙,在7个空隙中任取两个插入两块隔板,有=种,这样将8个球分成三堆,第一堆放到1号盒子内,第二堆放到2号盒子内,第三堆放到3号盒子内. 故将8个相同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,每个盒子中至少有一个,有21种不同的放法.
结论:n个相同的球放入m个不同的盒子中(n $\geq$ m),不能有空盒的放法数.

四、球相同,盒子不同,且盒子可以空

例4.8个相同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,有多少种不同的放法?

与上一题不同的是,这里可以有盒子没放一个.
还是利用隔板原理将8个球分为三堆,只不过有的堆的球数为零,即在8个球之间插入两块隔板。
首先将8个球排成一排,就有9个空,任取一个空插入一块隔板,有$C^{1}_{9}$种;然后再将第二块隔板插入前面8个球和第一块隔板形成的10个空中,有$C^{1}_{10}$种,但这两种放法中有重复的,要除以2;最后将第一块隔板左边的球放入1号盒子中,两块隔板之间的球放入2号盒子中,第二块隔板右边的球放入3号盒子中,故一共有$\frac{1}{2}C^{1}_{9}C^{1}_{10} = C^{2}_{10} = \frac{10 \times9}{2} = 45$种.
或者,将8个球分成三堆(包括没有0数堆和有0数堆),也就是在8个球的9个空隙中取两个插入隔板或取一个插入两块隔板,即$C^{1}_{9} + C^{2}_{9} = 9 + 36 = 45$种.
例3也可利用上面的分法来解,8个相同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,每个盒子中至少有一个. 先放一个到每个盒子中,只有一种放法. 然后将剩下的5个球排成一排,插入两块隔板,有$\frac{1}{2}C^{1}_{6}C^{1}_{7} = C^{2}_{7} = \frac{7 \times6}{2} = 21$种.
结论:n个相同的球放入m个不同的盒子中(n $\geq$ m),可以有空盒的放法数.

五、球不同,盒子相同,且盒子不能空

例5.8个不同的球放入三个相同的盒子中,每个盒子中至少有一个,有多少种不同的放法?

由于盒子相同,所以只要对8个不同的球分成三堆就行了,因为放入盒子只有一种情况. 而8个球分成三堆,各堆球数依次为1-1-6、1-2-5、1-3-4、2-2-4、2-3-3五种. 对情况1-1-6有$\frac{C^{1}_{8}C^{1}_{7}C^{6}_{6}}{2} $种分法,对情况1-2-5有种$C^{1}_{8}C^{2}_{7}C^{5}_{5}$分法,对情况1-3-4有$C^{1}_{8}C^{3}_{7}C^{4}_{4}$种分法,对情况2-2-4有$\frac{C^{2}_{8}C^{2}_{6}C^{4}_{4}}{2}$种分法,对情况2-3-3有$\frac{C^{2}_{8}C^{3}_{6}C^{3}_{3}}{2}$(注意,分组有几组个数相同即几组均分就要除以几的阶乘).故一共有$\frac{C^{1}_{8}C^{1}_{7}C^{6}_{6}}{2}+C^{1}_{8}C^{2}_{7}C^{5}_{5}+C^{1}_{8}C^{3}_{7}C^{4}_{4}+\frac{C^{2}_{8}C^{3}_{6}C^{3}_{3}}{2}+\frac{C^{2}_{8}C^{3}_{6}C^{3}_{3}}{2}=966$种.
结论:n个不同的球放入m个相同的盒子中(n $\geq$ m),不能有空盒的放法种数等于n个不同的球分成m堆的种数.

六、球不同,盒子相同,且盒子可以空

例6.8个不同的球放入三个相同的盒子中,问有多少种不同的放法?

只比上一题多了两种情况,一是有一堆为0的,即分成两堆,1-7、2-6、3-5、4-4四种情况,有;二是有两堆为0的,即只分成一堆,一种情况. 所以一共有966+127+1=1094种.
结论:n个不同的球放入m个相同的盒子中(n $\geq$ m),可以有空盒的放法种数等于将n个不同的球分成m堆、(m-1)堆、(m-2)堆、$\cdots$、2堆、1堆的所有种数之和.

七、球不同,盒子不同,且盒子不能空

例7.8个不同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,每个盒子中至少有一个. 问有多少种不同的放法?

这个问题就等价于“8本不同的书分给3个同学,每人至少有一本,有多少种分法?”
就是在例5先分堆的基础上,再加一步,分到三个不同的盒子中. 即966=5796种.
结论:n个不同的球放入m个不同的盒子中,不能有空盒的放法种数等于n个不同的球分成m堆的种数乘以m!.

八、球不同,盒子不同,且盒子可以空

例8.8个不同的球放入标号为1、2、3的三个盒子中,问有多少种不同的放法?

包括分三堆的5796种,还有分两堆的127,还有只分一堆的3种情况,所以一共有5796+762+3=6561种.
结论:n个不同的球放入m个不同的盒子中(n $\geq$ m),可以有空盒的放法种数等于$m ^ n$种.