數學英文

組合數

所謂組合 (combination) 就是忽略順序的序列:

A combination is a sequence such that the order does not matter.
例如

入海流、流入海、海流入、入流海、流海入、海入流

全都是「入」、「海」、「流」這三個字的同樣組合: 它們有 6 種排列 (6 permutations),但只有一種組合 (1 combination)。

組合學 (combinatorics) 的研究問題之一,就是「共有幾種不同的組合」?

用集合 (set) 語言來說,所謂組合就是一個集合。例如以下六個集合, \[ \{\text{入,海,流}\}、\{\text{流,入,海}\}、\{\text{海,流,入}\}、\{\text{入,流,海}\}、\{\text{流,海,入}\}、\{\text{海,入,流}\} \] 全都彼此相等,所以它們其實是一個集合。 在此觀點下,「n 中取 r 的組合」

A combination of selecting r items from a collection of n objects.
就相當於:從 n 個元素的集合中,選 r 個元素形成一個子集合 (subset)。 要問有幾個這樣的組合?就相當於問有幾個這樣的子集合? 例如從「入海流」選 2 個字,共有三種組合:

入海、入流、海流

就相當於 \(\{\text{入}, \text{海}, \text{流}\}\) 有三個 2 元素的子集合: \[ \{\text{入}, \text{海}\}、\{\text{入},\text{流}\}、\{\text{海}, \text{流}\} \]

在技術上 (technically),「組合」就是只有兩類物件的不盡相異物排列: 一開始的對象是 \(n\) 個相異物件──有 \(n\) 個元素的集合, 然後忽視物件的所有屬性,只管它有沒有被「選」? 也就是說,所有「中選」(selected) 的物件歸為一類,它們全被當作同樣的物件; 沒被選到的就都歸為另一類──「落選」類──它們也全被當作為同樣的物件。 假如 \(n\) 個物件當中,有 \(r\) 個「中選」,自然有 \(n-r\) 個「落選」, 當然 \(r\) 不超過 \(n\),則有 \[{n!\over r!\;(n-r)!}\] 種排列方式。換句話說,從 \(n\) 個物件中任選 \(r\) 個,共有這麼多種不同的組合。 這個數很常用,所以給它取了名字:「組合數」(combinatorial number), 意思是「n 中選 r 的組合個數」:

The number of combinations of r objects out of n.
或者
The number of r-combinations selected from n objects.
記作 \(C^n_r\),定義為 \[C^n_r := {n!\over r!\;(n-r)!} = {n\cdot(n-1)\cdots(n-r+1)\over r\cdot(r-1)\cdots1}\] 組合數 \(C^n_r\) 讀作 r-combination out of n,或者就說 C n r。 或許因為有些語言先說 r 再說 n,例如 r out of n, 所以有些文本的組合數記號是 \(C^r_n\),要注意看清楚定義。「n 中選 r 的組合數」也常寫成 \(\displaystyle{n\choose r}\), 讀作 n choose r。 此外,組合數也可能記作 \(C(n,r)\) 或 \(C_{n,r}\) 或 \({}_nC_r\)。

[語音講解:combi.mp3]

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Created: July 14, 2023
Last Revised: 10/27
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