קומבינטוריקה 2 עצרת ותמורות

קומבינטוריקה

דף 2: עצרת ותמורות

❗ עצרת (Factorial)

n עצרת (מסומן \(n!\)) הוא מכפלת כל המספרים השלמים מ-1 עד n:

\(n! = n \times (n-1) \times (n-2) \times ... \times 2 \times 1\)

📋 דוגמאות:

n n! חישוב
0 1 לפי הגדרה
1 1 1
2 2 2 × 1
3 6 3 × 2 × 1
4 24 4 × 3 × 2 × 1
5 120 5 × 4 × 3 × 2 × 1
6 720 6 × 5!
10 3,628,800 10 × 9 × ... × 1

💡 תכונה חשובה:

\(n! = n \times (n-1)!\)

דוגמה: 5! = 5 × 4! = 5 × 24 = 120

✏️ חישובים עם עצרת:

\(\frac{8!}{6!} = \frac{8 \times 7 \times 6!}{6!} = 8 \times 7 = 56\)

\(\frac{10!}{8! \times 2!} = \frac{10 \times 9 \times 8!}{8! \times 2} = \frac{90}{2} = 45\)

🔄 תמורה (Permutation)

תמורה = סידור של כל האיברים בסדר מסוים

בתמורה, הסדר חשוב ומשתמשים בכל האיברים

מספר התמורות של n איברים = \(n!\)

✏️ דוגמה 1: סידור אנשים בשורה

בכמה דרכים אפשר לסדר 4 אנשים בשורה?

מקום ראשון: 4 אפשרויות

מקום שני: 3 אפשרויות

מקום שלישי: 2 אפשרויות

מקום רביעי: 1 אפשרות

סה"כ: 4! = 4 × 3 × 2 × 1 = 24 דרכים

✏️ דוגמה 2: סידור ספרים על מדף

בכמה דרכים אפשר לסדר 6 ספרים שונים על מדף?

6! = 720 דרכים

איור: כל התמורות של {A, B, C}

A B C 1 A C B 2 B A C 3 B C A 4 C A B 5 C B A 6 3! = 6 תמורות

🎯 תמורות עם תנאים

✏️ דוגמה 3: איבר מסוים בקצה

5 אנשים עומדים בשורה. דני חייב להיות ראשון. כמה סידורים?

דני קבוע במקום הראשון

נשאר לסדר 4 אנשים ב-4 מקומות

סה"כ: 4! = 24 דרכים

✏️ דוגמה 4: איבר בקצה כלשהו

5 אנשים בשורה. דני חייב להיות בקצה (ראשון או אחרון). כמה סידורים?

דני יכול להיות במקום 1 או במקום 5: 2 אפשרויות

שאר 4 האנשים: 4! = 24 סידורים

סה"כ: 2 × 4! = 2 × 24 = 48 דרכים

✏️ דוגמה 5: שני איברים צמודים

5 אנשים בשורה. דני ורוני חייבים לעמוד צמודים. כמה סידורים?

שיטה: מתייחסים לדני+רוני כ"יחידה אחת"

יש לנו 4 "יחידות" לסדר: 4! = 24

בתוך היחידה, דני ורוני יכולים להתחלף: 2! = 2

סה"כ: 4! × 2! = 24 × 2 = 48 דרכים

✏️ דוגמה 6: שני איברים לא צמודים

5 אנשים בשורה. דני ורוני לא יכולים לעמוד צמודים. כמה סידורים?

שיטה: משלים

כל הסידורים: 5! = 120

סידורים שהם צמודים: 48 (מדוגמה 5)

סה"כ: 120 - 48 = 72 דרכים

🔁 תמורות עם חזרות

כשיש איברים זהים (חוזרים), מספר התמורות קטן:

\(\frac{n!}{n_1! \times n_2! \times ... \times n_k!}\)

כאשר \(n_1, n_2, ...\) הם מספר החזרות של כל איבר

✏️ דוגמה 7: סידור אותיות עם חזרות

כמה מילים שונות (עם משמעות או בלי) אפשר ליצור מהאותיות של ABBA?

4 אותיות: A מופיעה 2 פעמים, B מופיעה 2 פעמים

\(\frac{4!}{2! \times 2!} = \frac{24}{2 \times 2} = \frac{24}{4} = 6\)

6 מילים: AABB, ABAB, ABBA, BAAB, BABA, BBAA

✏️ דוגמה 8: סידור המילה MISSISSIPPI

11 אותיות: M(1), I(4), S(4), P(2)

\(\frac{11!}{1! \times 4! \times 4! \times 2!} = \frac{39916800}{1 \times 24 \times 24 \times 2} = \frac{39916800}{1152} = 34650\)

💡 למה מחלקים?

כי החלפת איברים זהים ביניהם לא יוצרת סידור חדש.

ב-ABBA, שתי ה-A זהות - החלפתן לא משנה כלום.

⭕ סידור מעגלי

בסידור מעגלי (סביב שולחן עגול), אין "התחלה" ו"סוף".

מספר הסידורים = \((n-1)!\)

✏️ דוגמה 9: 5 אנשים יושבים סביב שולחן עגול. כמה סידורים?

\((5-1)! = 4! = 24\) סידורים

💡 למה (n-1)! ולא n!?

במעגל, סיבוב של כולם מקום אחד נותן את אותו סידור.

לכן "מקבעים" איבר אחד ומסדרים את n-1 הנותרים.

💡 טיפים למבחן

0! = 1 (לפי הגדרה)

צמודים: התייחסו כיחידה

לא צמודים: משלים

חזרות: חלקו בעצרות

📝 סיכום דף 2

עצרת: \(n! = n \times (n-1) \times ... \times 1\)

תמורה (סידור כולם): \(n!\)

עם חזרות: \(\frac{n!}{n_1! \times n_2! \times ...}\)

מעגלי: \((n-1)!\)