組合

在組合數學，一個集的元素的組合（英語：Combination）是一個子集。S的一個k-組合是S的一個有k個元素的子集。若兩個子集的元素完全相同並順序相異，它仍視為同一個組合，這是組合和排列不同之處。

表示方式

從 n 個不同元素中取出 k 個元素的所有不同組合的個數，叫做從 n 個不同元素中取出 k 個元素的組合數，記做： $C(n,k)$ 、 ${}_{n}C_{k}$ 、 ${}^{n}C_{k}$ 、 $C_{k}^{n}$ （英語）、 $C_{n}^{k}$ （法語、羅馬尼亞語、俄語、漢語（中國）^[1]、波蘭語）。

理論與公式

從 $n$ 個元素中取出 $k$ 個元素， $k$ 個元素的組合數量為：

C_{k}^{n}={n \choose k}={\frac {P_{k}^{n}}{k!}}={\frac {n!}{k!(n-k)!}}

以六合彩為例。在六合彩中從49顆球中取出6顆球的組合數量為：

C_{6}^{49}={49 \choose 6}={\frac {49!}{6!43!}}=13983816

在集合中取出k項元素

重複組合理論與公式

從 $n$ 個元素中取出 $k$ 個元素， $k$ 個元素可以重複出現，這組合數量為：

H_{k}^{n}=C_{n-1}^{n+k-1}

以取色球為例，每種顏色的球有無限多顆，從8種色球中取出5顆球，好比是在5顆球間畫上分隔號「|」代表球色的分布情形。例如第1種色球取1顆，第2種色球取2顆，第3種色球取2顆可以表示成：

球|球球|球球| | | | |

可以理解為8類球每類取多少個，一起構成5個球。我們把5個球排成一排，用7個分隔線去隔開。如上圖，表示含義：第1根線前表示第一類球取的個數，第1根和第2根線表示第二類球取的個數...第6第7根線前表示第七類球的個數，第7根後表示第八類球的個數。亦即問題是從(5+8-1)個位置中挑選出(8-1)個位置擺分隔號，這組合數量為：

H_{5}^{8}=C_{8-1}^{5+8-1}=C_{7}^{12}={\frac {12!}{7!5!}}=792

因為組合數量公式特性，重複組合轉換成組合有另一種公式為：

H_{k}^{n}=C_{n-1}^{n+k-1}={\frac {(n+k-1)!}{k!(n-1)!}}=C_{k}^{n+k-1}

另外 $H_{k}^{n}$ 也可以記為 $F_{k}^{n}$ ^[2]或 $\left(\!\!{\binom {n}{k}}\!\!\right)$

F_{k}^{n}=H_{k}^{n}

\left(\!\!{\binom {n}{k}}\!\!\right)=H_{k}^{n}

取值範圍的擴充^[3]

在 $C_{k}^{n}$ 的定義中，由於它有意義的範圍必須是滿足條件 $n\geq k\geq 1$ ，所以其他範圍必須另外定義，我們有:

C_{k}^{n}={\begin{cases}1,&k=0\\0,&(0\leq n<k)\lor (k<0\leq n)\\(-1)^{k}C_{k}^{|n|+k-1},&(n<0)\land (k>0)\\(-1)^{n+k}C_{|n|-1}^{|k|-1},&(n<0)\land (k<0)\end{cases}}

^[3]

演算範例

組合 C

迴圈法

/***********************/
/** This is C++ code. **/
/**   Comb  Example   **/
/***********************/

#include <iostream>
using namespace std;
bool next_comb(int* comb, const int n, const int k) {
	int i = k - 1;
	const int e = n - k;
	do
		comb[i]++;
	while (comb[i] > e + i && i--);
	if (comb[0] > e)
		return 0;
	while (++i < k)
		comb[i] = comb[i - 1] + 1;
	return 1;
}
int main() {
	int n, k;
	cout << "comb(n,k):" << endl;
	cin >> n >> k;
	if (n < k || k <= 0)
		return 0;
	int* comb = new int[k];
	for (int i = 0; i < k; i++)
		comb[i] = i;
	do
		for (int i = 0; i < k; cout << ((++i < k) ? ',' : '\n'))
			cout << comb[i] + 1;
	while (next_comb(comb, n, k));
	delete[] comb;
	return 0;
}

遞迴法

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;

namespace comb {
int n, k;
int arr[12];
int count;
bool arrsame(int site) {
	if (site > 0 && arr[site - 1] >= arr[site])
		return 0;
	return 1;
}
inline void arrprint() {
	for (int i = 0; i < k; i++)
		printf("%3d", arr[i]);
	puts("");
	count++;
}
void calculate(int now) {
	if (now == k) {
		arrprint();
		return;
	}
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		arr[now] = i;
		if (arrsame(now)) {
			calculate(now + 1);
		}
	}
}
inline void run(int nn, int kk) {
	n = nn, k = kk;
	count = 0;
	if (k < 12 && n >= k && k > 0)
		calculate(0);
	if (count)
		printf("\n%d combination.\n\n", count);
	else
		puts("Input error!");
}
}

int main() {
	int n, k;
	while (scanf("%d%d", &n, &k) != EOF) {
		comb::run(n, k);
		fflush(stdout);
	}
	return 0;
}

重複組合 H

迴圈法

/***********************/
/** This is C++ code. **/
/**  ReComb  Example  **/
/***********************/

#include <iostream>
using namespace std;
bool next_re_comb(int* recomb, const int n, const int k) {
	int i = k - 1;
	do
		recomb[i]++;
	while (recomb[i] > n - 1 && i--);
	if (recomb[0] > n - 1)
		return 0;
	while (++i < k)
		recomb[i] = recomb[i - 1];
	return 1;
}
int main() {
	int n, k;
	cout << "recomb(n,k):" << endl;
	cin >> n >> k;
	if (n <= 0 || k <= 0)
		return 0;
	int* recomb = new int[k];
	for (int i = 0; i < k; i++)
		recomb[i] = 0;
	do
		for (int i = 0; i < k; cout << ((++i < k) ? ',' : '\n'))
			cout << recomb[i] + 1;
	while (next_re_comb(recomb, n, k));
	delete[] recomb;
	return 0;
}

遞迴法

#include <iostream>
#include <cstdio>
using namespace std;

namespace re_comb {
int n, k;
int arr[12];
int count;
bool arrsame(int site) {
	if (site > 0 && arr[site - 1] > arr[site])
		return 0;
	return 1;
}
inline void arrprint() {
	for (int i = 0; i < k; i++)
		printf("%3d", arr[i]);
	puts("");
	count++;
}
void calculate(int now) {
	if (now == k) {
		arrprint();
		return;
	}
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		arr[now] = i;
		if (arrsame(now)) {
			calculate(now + 1);
		}
	}
}
inline void run(int nn, int kk) {
	n = nn, k = kk;
	count = 0;
	if (k < 12 && k > 0)
		calculate(0);
	if (count)
		printf("\n%d combination.\n\n", count);
	else
		puts("Input error!");
}
}

int main() {
	int n, k;
	while (scanf("%d%d", &n, &k) != EOF) {
		re_comb::run(n, k);
		fflush(stdout);
	}
	return 0;
}

推廣

組合數可以推廣到多分類的情形，我們將n個物品分為m份，每份的個數分別為: $k_{1},k_{2}\cdots k_{m}$ 個，那麼，總的分類數為

{\binom {n}{k_{1},k_{2},\cdots ,k_{m}}}={\frac {n!}{k_{1}!k_{2}!\cdots k_{m}!}}

參見

參考文獻

^ 普通高中教科书数学选择性必修第三册（A版）. 北京市海淀區中關村南大街17號院1號樓: 人民教育出版社. : 23 [2024-03-30]. ISBN 978-7-107-34598-2.
^ 組合數學 ─算法與分析─. 九章出版社. : 33. OCLC:44527392
^ ^3.0 ^3.1 組合數學 ─算法與分析─. 九章出版社. : 33. OCLC:44527392

外部連結

組合數公式的直觀理解及其推廣（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[1] 普通高中教科书数学选择性必修第三册（A版）. 北京市海淀區中關村南大街17號院1號樓: 人民教育出版社. : 23 [2024-03-30]. ISBN 978-7-107-34598-2.

[組合數學P33-2] 組合數學 ─算法與分析─. 九章出版社. : 33. OCLC:44527392

[組合數學P34-3] 3.0 ^3.1 組合數學 ─算法與分析─. 九章出版社. : 33. OCLC:44527392

[1]

[2]

[3]

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