组合数学答案——最短路径的并行算法综述最短路径问题是图论中的一个典范问题，它被应用于众多领域。最短路径问题可以分
成两类：单源最短路径、所有顶点对间的最短路径。本文对最短路径的并行算法进行综述，
并介绍目前最短路径问题中的一个热点问题K条最短路径。
最短路径，单源最短路径，所有顶点对间的最短路径，K条最短路径
1.
二十世纪中后期，随着计算机的出现和发展，图论的研究得到广泛重视，最短路径问题
是图论中的一个典范问题，它已经被应用于众多领域。最短路径问题最直接的应用当数在地
理信息领域，如：GIS网络分析、城市规划、电子导航等。在交通咨询方面，寻找交通路网
中两个城市间最短的行车路线就是最短路径问题的一个典型的例子。在网络通信领域，信息
包传递的路径选择问题也与最短路径问题息息相关。举个例子，OPSF开放路由选择协议，每个OPSF路由器都维护一个描述自治系统拓扑结构的数据库，通过这个数据库构建最短路径
树来计算路由表，从而跟踪自治系统范围内到每个目标的最短路径。在图象分割问题中，最
短路径也有直接的应用：在语音识别中，一个主要的问题就是区别同音词，例如，to、two、too。为解决这个问题，我们需要建一个图，顶点代表可能的单词，边连接相邻的单词，边上
的权代表相邻的可能行大小。这样图中的最短路径，就是对句子的最好解释。
由于最短路径问题的广泛应用，很多学者都对此进行了深入的研究，也产生了一些经典
的算法。近些年来，对最短路径研究的热度依然不减，并且时间复杂度降得越来越低。
总的来讲，最短问题可以分成两类：单源最短路径和所有顶点对间的最短路径。本文就
从上述两类来分别介绍最短路径的并行算法，并介绍最短路径问题中的一个热点问题K条最短路径问题。
本文的其它部分组织如下：第2节介绍单源最短路径问题的并行算法；第3节介绍所有
1
顶点对间的最短路径问题的并行算法；第4节介绍K条最短路径问题；最后在第5节总结最短路径的并行算法，并谈谈自己的想法。
2.
单源最短路径问题是指从一个给定顶点S到其它所有顶点i之间的距离dist(i)为最短的路径，其中s?V称为源点，i?V且i?s。假定图G(V,E)是一个有向网络，其加权邻接矩阵为
W，且边上权值w（i，j)>0，i，j?V，V={1，2，…，n}。
2.1.
在单处理机上，人们研究最短路径问题已取得许多成果，设计了几十种算法，其中Dijkstra算法是解决这个问题的最有效算法之一。在串行情况下，该算法的时间复杂度为O(m+nlogn)。其基本思想是：假定有一个待搜索顶点表VL，初始化时做：dist(s)?0；dist(i)??(i?s)；VL?V。算法执行时，每次从VL（?Φ）中选取这样一个顶点u，它的dist(u)值最小。将选出的u作为搜索顶点，若 算法1 DIJKSTRA ALGORITHM(SISD) 输入：加权邻接矩阵W，约定i，j之间无边连接时w(i,j)=?，且w(i,i)=?； 输出：dist(1:n)，其中，dist(i)表示顶点s到顶点i的最短路径 （1?i?n）。 begin /*初始化*/ （1） dist(s)?0； （2） for i?1 to n do if i?s then dist(i)?? endif endfor； （3） VL?V； （4） For i?1 to n do /*找最短距离*/ （5） Find a vertex u?VL,such that dist(u) is minimal； 2 （6） For each( If dist(u)+w(u,v) endfor； (7) VL?VL-{u} Endfor End. 除了Dijkstra算法外，Moore算法解决单源最短路径问题也是较有效的。在Moore算法中，设源点为s?V,从s到其它各顶点的最短路径长度用一个一维数组dist存储。首先置dist(s)=0，dist(v)??，v?s，v?V。Moore算法同Dijkstra算法不同之处是：将Dijkstra算法中的待搜索顶点表替换成待搜索队列。算法开始执行时，队列仅含源点s。以后每次只要待搜索队列非空，则将队头的顶点从队列中移出作为本次搜索的顶点，然后检查u的所有射出边 dist(u)+w(u,v) 输入：有向图G(V,E)的加权邻接矩阵W={w},i,j?V； ij 输出：从源s到所有其它顶点i(i?s)的最短路径dist(i)，i?V。 begin (1) for i?1 to n do /*初始化*/ call INITIALIZE(i) endfor; (2) insert s into the queue; /*插入s到队列中*/ (3) while the queue is not empty do (4) call SEARCH endwhile end. 3 Procedure SEARCH; Begin (4.1) dequeue vertex u; /*从队列中删去顶点u*/ (4.2) for each edge (u,v)?E do (4.3) new_dist?dist(u)+w(u,v); (4.4) if new_dist (4.5) if v is not in the queue then enqueue vertex v endif endfor end. Procedure INITIALIZE Begin (1.1) dist(s)?0 (1.2) dist(v)??(v?s,v?V) (1.3) queue?0 end. 2.2. [1]Paige等人基于SIMD_EREW PRAM上，对Dijkstra算法进行并行化，其时间复杂度为 2O(n/p+nlogp)，O（p）个处理器。具体算法并行化如下： 算法的第（2）步的实现为：每个处理器分派个顶点，最后一个处理器分派 n/p，， n-*(p-1)个顶点，每个处理器对所分派的顶点顺序地赋值；第（3）步其实是对数组VLn/p，， 赋值，同第（2）步类似处理；第（5）步实现如下：首先每个处理器检测自己内部个n/p，， 顶点的最小值，然后p个处理器合作，并行计算p个最小值中的最小值；第（6）步实现如下：首先将顶点u广播到所有的处理器中，假定u是送入处理器i 的B(i)单元中（1?i?p），则实 现广播算法为： 4 算法3 BROADCAST 输入：数据u(存放在单元B(1)中)； 输出：将u广播到数组B的所有单元中去。 Begin (1) B(1)?u； （2）for i?0 to -1 do logp，， ii+1 (3) for each j:2+1?j?2 pardo j B(j)?B(j-2) Endfor Endfor End. 然后，每个处理器检查所有边 Paige等人还在SIMD-CRCW PRAM运用了上述算法，在这种计算模型上用p个处理器对n个元素进行二元结合运算，仅需O（n/p+loglogp）时间。 [2]Deo等人基于MIMD紧耦合共享存储模型，实现Moore算法的并行化。他们主要针对Moore算法的第（3）到第（4）步的while循环并行化。MIMD紧耦合多处理机上的单源最 [2]短路径算法见。 2在MIMD机器模型上，Chen曾经给出一个O(dn)时间、O(n)处理器的单源最短路径问题的分布式算法。其后，Lakhai改进了Chen的算法，使得在处理器数不变的前提下，时间复杂 2度降到O(n)。 近些年来，单源最短路径的算法改进较少。第3节中，我们将讨论解决所有顶点对间的 最短路径问题的算法。 3. 所有点对间的最短路径就是计算所有顶点对间的最短路径。Floyd算法，又称传递闭包方法，是求解所有顶点对间的最短路径问题的一个经典的算法，其实质就是矩阵自乘n次。下 5 面将介绍单处理机上的所有顶点对间的最短路径问题的Floyd算法，以及一些解决该问题的并行算法。 3.1. 设一个有向图G(V,E)，?V?=n的加权邻接矩阵为W，且w(i,j)表示边（i,j）的长度，若i和j之间不存在有向边，则w(i,j)为?，1?i，j?n，i，j?V。两个矩阵A和B的积 C=AB定义为：C(i,j)=min{w(i,k)+w(k,j)?k=1,2,…n}。令最短路径矩阵为D，则Floyd算 法如下： 算法4 FLOYD ALGORITHMA(SISD) 输入：有向图G(V,E)的加权邻接矩阵W={w},i,j?V； ij 输出：所有顶点对的最短路径矩阵D={d},i,j?V。 ij begin (1) D?W; (2) For k?1 to n do (3) For i?1 to n do (4) for j?1 to n do (5) d(i,j)?min{d(i,j),d(i,k)+d(k,j)} endfor endfor endfor end. 3.2. Floyd算法就是矩阵自乘n次，所以基于floyd算法的所有顶点对间的最短路径的并行算 法实质上就是矩阵相乘的并行算法。 (k)令G(V,E)的最短路径矩阵为D，对于所有的i,j，令d(i,j)，表示顶点i 到顶点j之间的 k一条最短路径，且这条路径至多经过了2个中间顶点，因G中不存在负环，所以 6 (0)(k)logn，，d(i,j)=d(i,j)。显然d(i,j)=w(i,j)。在并行环境里，对所有i,j和同一个k值，d(i,j)同时进行计算（1?i,j?n,0?k?）。 logn，，算法5 ALL VERTICES SHORTEST PATH ALGORITHM 输入：有向图G(V,E)的加权邻接矩阵W={w},i,j?V； ij 输出：所有顶点对的最短路径矩阵D={d},i,j?V。 ij begin /*并行赋初始值*/ (1) for each i,j: 1?i,j?n pardo (0) d(i,j)?w(i,j) endfor; /*并行计算所有顶点对间的最短路径*/ (2) for k?1 to do logn，， (3) for each i,j,l: 1?i,j,l?n pardo (k-1)(k-1)(4) B(i,j,l)?d(i,l)+d(l,j); (k)(k-1)(5) d(i,j)?min{ d(i,j),B(i,j,l)?1?l?n} endfor endfor end. 算法5在SIMD-CREW PRAM上运行需O(log?n)时间，O（n?）处理器；若在SIMD-CRCW logn，，PRAW上，算法的第（3）到（5）步采用分组技术，每个处理器每次顺序处理至多个 23元素，则需O(logn)时间，O(n/logn)处理器。 [8]除了上述所有顶点对间的最短路径的并行算法外，近年来还取得了一些教好的成果。Reif等人注意到一个含n个顶点的随机图（Random graph）平均直径为O(logn)，求所有顶点对的矩阵乘法，平均只需要执行O(loglogn)次，这样，在SIMD_CREW PRAM和SIMD_CRCW 3PRAM上，求所有顶点对之间的最短路径，分别需要O(lognloglogn)期望时间、O(n)处理器 7 3和O(loglogn)期望时间、O(n)处理器。Frieze等人基于SIMD_CRCW PRAM计算模型，给出了一个随机求最小值的并行算法，这个算法在使用O(n)处理器时，几乎可以在O(1)时间完成。运用这一结果，他们给出了一个几乎仅需要O(logn)时间就可以求所有顶点对之间的最短路径 3算法。算法的期望时间复杂度为O(loglogn)，处理器的复杂度为O(n)。基于二维细胞自动机， 2Levitt等人曾给出一个O(n)时间、O(n)处理器（细胞）的所有顶点对的最短路径算法。Dekel 2等人基于洗牌及超立方这两种互连网络模型，给出了时间复杂度O(logn)、处理器复杂度为 3O(n)的所有顶点对之间的最短路径算法。Sinha等人在二维Systolic网孔上，实现了一个所有顶点对之间的最短路径并行算法，这一算法的时间复杂度为 O(nlogn)，处理器的复杂度为 2O(n)。 [3]1997年，Yijie Han等提出了基于传递闭包的计算的算法。算法思想为使用矩阵乘法运 算来计算最短路径，将原矩阵乘法中的“*”用“+”代替，“”用“min”代替。这种计算, 也可以理解为把每个最短路径限制到一个简单的弧上。首先把输入的矩阵分成子矩阵，每个 22矩阵大小为k，为了方便，假设k能被n整除，共有n/k个子矩阵A， 0?i,j 的时间、空间计算K条最短路径。 通常情况下，最短路径问题分为：单源最短路径和所有顶点对间的最短路径。这两类问 题从不同的角度描述问题，但有一个共同的缺陷：这里的最短路径指两点之间最短的那一条 路径，不包括次短、再次短等等路径。这样的最短路径问题比较狭义。实际情况中，例如， 用户在使用咨询系统或决策支持系统时，希望得到最优的决策参考外，还希望得到次优、再 次优等决策参考，这同样反映在最短路径问题上。因此，有必要将最短路径问题予以扩充和 延伸，成为K条最短路径问题，即不但要求得到最短路径，还要得到次短、再次短等路径。 [4]K条最短路径问题是Hoffman和Pavley在1959年首先提出的。90年代中旬对它的研 8 [5]究达到高潮。1973年Fox提出一个时间复杂度为O(m+knlogn)的串行算法；Eppstein在1999 [6]年得到了一个很好的串行算法，给定两点间的N条最短路径需要 O(m+nlogn+k)时间，从所有点到给定目的点间的最短路径需要O（m+nlogn+nk）时间。E.Ruppert在2000年对Eppstein [7]的算法进行并行化，时间复杂度为O(logk+logn)，其算法参见[7]。 5. 最短路径问题广泛应用于社会生活中，很多科学家都对此进行了深入的研究，产生了不 少高效率的算法。目前大家的研究工作主要集中于算法实现的优化改进与应用方面。本文主 要介绍了现有的一些解决最短路径问题的并行算法。虽然，并行算法和计算机结构紧密相关， 不同结构的并行计算机导致不同风格的并行算法。但总的来说，大多数解决最短路径的并行 算法都是基于几个经典的算法的：单源最短路径的并行算法大多是基于Dijkstra算法和Moore算法的；所有顶点对间的最短路径的并行算法大多是基于Floyd算法，在此基础上实现矩阵 乘法的并行化；K条最短路径问题，虽说现在也是一个热点问题，但提出的好的算法并不多， 利用Yijie Han等提出了基于传递闭包的计算的方法来解决该问题，理论上似乎充分利用了传 递闭包问题的优点，但是否正确还有待仔细论证。总之，把解决最短路径问题的好的串行算 法改成并行算法，是优化算法的一个行之有效的方法。 [1] Paige R C,Kruskal C P,Parallel Alogrithms for shortest Path Problems,1985 Intern.conf.on Parallel Processing,14-19 [2] 陈国良.并行算法的设计与分析.北京：高等教育出版社，2002，433~434 [3] Yijie Han, V.Y.Pan,J. H. Reif, Efficient Parallel Algorithms for Computing All Pair Shortest Paths in Directed Graphs, Algorithmica (1997) 17: 399–415 [4] W. Hoffman and R. Pavley. A method of solution of the Nth best path problem. Journal of the ACM,6:506–514, 1959. [5] B. L. Fox. Calculating kth shortest paths. INFOR; Canadian Journal of Operational 9 Research, 11(1):66–70, 1973. [6] D. Eppstein. Finding the k shortest paths. SIAM Journal on Computing, 28(2):652–673, April 1999. [7] E. Ruppert Finding the k Shortest Paths in Parallel1 Algorithmica (2000) 28: 242–254 [8] 唐策善，粱维发.并行图论算法.合肥：中国科学技术大学出版社，1991，104 10 复习排列与组合 考试内容：两个原理；排列、排列数公式；组合、组合数公式。 考试要求：1）掌握加法原理及乘法原理，并能用这两个原理分析和解决一些简单的问题。 2）理解排列、组合的意义。掌握排列数、组合数的计算公式，并能用它们解决一些简单的问题。 重点：两个原理尤其是乘法原理的应用。 难点：不重不漏。 知识要点及典型例题分析： 1．加法原理和乘法原理 两个原理是理解排列与组合的概念，推导排列数及组合数公式，分析和解决排列与组合的应用问题的基本原则和依据；完成一件事共有多少种不同方法，这是两个原理所要回答的共同问题。而两者的区别在于完成一件事可分几类办法和需要分几个步骤。 例1．书架上放有3本不同的数学书，5本不同的语文书，6本不同的英语书。 （1）若从这些书中任取一本，有多少种不同的取法？ （2）若从这些书中取数学书、语文书、英语书各一本，有多少种不同的取法？ （3）若从这些书中取不同的科目的书两本，有多少种不同的取法。 解：（1）由于从书架上任取一本书，就可以完成这件事，故应分类，由于有3种书，则分为3类然后依据加法原理，得到的取法种数是：3+5+6=14种。 （2）由于从书架上任取数学书、语文书、英语书各1本，需要分成3个步骤完成，据乘法原理，得到不同的取法种数是：3×5×6=90（种）。 （3）由于从书架上任取不同科目的书两本，可以有3类情况（数语各1本，数英各1本，语英各1本）而在每一类情况中又需分2个步骤才能完成。故应依据加法与乘法两个原理计算出共得到的不同的取法种数是：3×5+3×6+5×6=63（种）。 例2．已知两个集合A={1，2，3}，B={a,b,c,d，e}，从A到B建立映射，问可建立多少个不同的映射？ 分析：首先应明确本题中的“这件事是指映射，何谓映射？即对A中的每一个元素，在B中都有唯一的元素与之对应。” 因A中有3个元素，则必须将这3个元素都在B中找到家，这件事才完成。因此，应分3个步骤，当这三个步骤全进行完，一个映射就被建立了，据乘法原理，共可建立不同的映射数目为：5×5×5=125（种）。 2．排列数与组合数的两个公式 排列数与组合数公式各有两种形式，一是连乘积的形式，这种形式主要用于计算；二是阶乘的形式，这种形式主要用于化简与证明。 连乘积的形式阶乘形式 Anm=n(n-1)(n-2)……(n-m+1) = Cnm= 例3．求证：Anm+mAnm-1=An+1m 证明：左边= ∴等式成立。 评述：这是一个排列数等式的证明问题，选用阶乘之商的形式，并利用阶乘的性质：n!(n+1)=(n+1)!可使变形 钢-混凝土组合结构设计 题目：组合梁与现浇结构中钢筋混凝土梁分析对比 学校：辽宁工业大学 院（系）：土木建筑工程学院 学号：100501061 学生姓名：柴高炯 指导老师：田傲霜 摘要：为了分析对比组合梁与钢筋混凝土梁在设计计算上的异同，本文将从四个方面论述，分别为：受弯承载力、受剪承载力、弯剪相关性以及裂缝和挠度计算。每一方面又在设计理论、基本假定、判别条件、计算公式和应力应变图进行分析比较。 关键词：组合梁、钢筋混凝土梁、受弯承载力、受剪承载力、弯剪相关性、裂缝计算和挠度计算 1.受弯承载力 在设计理论上，组合梁和现浇结构中钢筋混凝土梁都可视为T形截面梁。但是对于组合梁是通过连接件达到与混凝土板的有效连接，连接件用以抵抗钢梁和混凝土板之间的相对滑移，使它们的弯曲变形协调，则在弯矩作用下的截面的应变接近平截面假定，这样，混凝土板和钢梁之间就构成了一个具有公共中和轴的组合截面；对于现浇结构中的钢筋混凝土梁，由于是通过一次性整体现浇而成，钢筋混凝土板和梁之间天然连接，协同受力。 在基本假定上，共同的假定有：1）截面应保持不变；2）不考虑混凝土的抗拉强度；3）混凝土受压的应力与应变关系曲线按下列规定取用：当时（上升段） 当时（水平段） 式中，参数、和的取值如下，为混凝土立方体抗压强度标准值。 对于钢筋混凝土梁有另外两条假定，分别是：纵向受拉钢筋的极限拉应变取为0.01；纵向钢筋的应力取钢筋应变与其弹性模量的乘积，但其值应符合下列要求：。对于组合梁对应的为钢梁的要求。 与钢筋混凝土梁相比，组合梁按照结算方法不同仍有不同的假定，在弹性受弯承载力计算时的基本假定还有：1)在正弯矩作用下,不考虑混凝土板中的钢筋作用；2）中间支座两侧负弯矩区混凝土板受拉开裂区段的长度，各为该跨的0.15 《组合数学》试题 姓名 学号 评分 一、填空题（每小题3分，共18分） 1、 红、黄、蓝、白4个球在桌上排种排法。成一圈，有 2、设P 、Q 为集合，则|P ∪Q| |P| + |Q|. 3、0max i n n i ≤≤????=?? ????? 。 4. 366个人中必有 个人生日相同。 5.的系数为的展开式中，342326 41x x x x i i ?? ? ??∑= 。 6.解常系数线性齐次递推关系的常用方法称为 法 。 二、单项选择题（每小题2分，共12分） 1、数值函数f = (1,1,1,...)的生成函数F(x) =（ ） A 、(1+x)n B 、1－x C 、(1－x)－1 D 、(1+x)－n 2、递推关系f(n) = 4f(n －1)－4f(n －2)的特征方程有重根2，则（ ）是它的一般解 。 A 、C 12n －1+C 22n B 、( C 1+C 2n)2n C 、C(1+n)2n D 、C 12n +C 22n . 3、由6颗不同颜色的珠子可以做成 （ ）种手链。 A 、720 B 、120 C 、60 D 、6 4、=??? ??-∑=n k k k n 0 )1(（ ）。 A 、2n B 、0 C 、n2n －1 D 、1 5、设F(x),G(x)分别是f 和g 的生成函数，则以下不成立的是（ ） 。 A 、F(x)+G(x) 是f+g 的生成函数 B 、F(x)G(x) 是fg 的生成函数 C 、x r F(x) 是S r (f)的生成函数 D 、F(x)－xF(x) 是?f 的生成函数. 6、在无柄茶杯的四周画上四种不同的图案，共有（ ）种画法。 A 、24 B 、12 C 、6 D 、3 三、 解答题（每小题10分，共70分） 1. 有4个相同的红球，5个相同的白球，那么这9个球有多少种不同的排列方 式？ 2. 公司有5台电视机，4台洗衣机，7台冰箱，现要把其中3台电视机，2台洗 衣机，4台冰箱选送到展销会，试问有多少种选法？ 3. 设S = {1, 3?2, 3?3, 2?4, 5}是一个多重集，那么由集合S 的元素能组成多少个 不同的四位数。 4.试求在1到300之间那些不能被3, 5和7中任何一个整除的整数个数。 5. 解非齐次递推关系 1201 693,20,1n n n a a a n a a --++=≥??==? 6. 将字母a,b,c,d,e,f,g 排成一行，使得模式beg 和cad 都不出现的排列总数是多少？ 7. 某次会议有10个代表参加，每一位代表至少认识其余9位中的一位，则10位代表中至少有两位代表认识的人数相等。 初中数学《最短路径问题》典型题型 知识点：“两点之间线段最短”，“垂线段最短”，“点关于线对称”，“线段的平移”。“饮马问题”，“造桥选址问题”。考的较多的还是“饮马问题”，出题背景变式有角、三角形、菱形、矩形、正方形、梯形、圆、坐标轴、抛物线等。解题总思路：找点关于线的对称点实现“折”转“直”，近两年出现“三折线”转“直”等变式问题考查。 一、两点在一条直线异侧 例：已知：如图，A，B在直线L的两侧，在L上求一点P， 使得PA+PB最小。 解：连接AB,线段AB与直线L的交点P ，就是所求。（根据： 两点之间线段最短.） 二、两点在一条直线同侧 例：图所示，要在街道旁修建一个奶站，向居民区A、B提供牛奶，奶站应建在什么地方，才能使从A、B到它的距离之和最短． 解：只有A、C、B在一直线上时，才能使AC+BC最小．作点A 关于直线“街道”的对称点A′，然后连接A′B，交“街道”于 点C，则点C就是所求的点． 三、一点在两相交直线内部 例：已知：如图A是锐角∠MON内部任意一点，在∠MON的两边 OM，ON上各取一点B，C，组成三角形，使三角形周长最小. 解：分别作点A关于OM，ON的对称点A′，A″；连接A′，A″，分别交OM，ON于 点B、点C，则点B、点C即为所求 分析：当AB、BC和AC三条边的长度恰好能够体现在一条直线上时，三角形的周长最小 例：如图，A.B两地在一条河的两岸，现要在河上建一座桥MN，桥造在何 A·M 处才能使从A到B的路径AMNB最短？（假设河的两岸是平行的直线，桥 N E 要与河垂直） 解：1.将点B 沿垂直与河岸的方向平移一个河宽到E ， 2.连接AE 交河对岸与点M, 则点M 为建桥的位置，MN 为所建的桥。 证明：由平移的性质，得 BN ∥EM 且BN=EM, MN=CD, BD ∥CE, BD=CE, 所以A.B 两地的距:AM+MN+BN=AM+MN+EM=AE+MN, 若桥的位置建在CD 处，连接AC.CD.DB.CE, 则AB 两地的距离为： AC+CD+DB=AC+CD+CE=AC+CE+MN, 在△ACE 中，∵AC+CE ＞AE, ∴AC+CE+MN ＞AE+MN,即AC+CD+DB ＞AM+MN+BN 所以桥的位置建在CD 处，AB 两地的路程最短。 例：如图，A 、B 是两个蓄水池，都在河流a 的同侧，为了方便灌溉作物，?要在河边建一个抽水站，将河水送到A 、B 两地，问该站建在 河边什么地方，?可使所修的渠道最短，试在图中确定该点。 作法：作点B 关于直线 a 的对称点点C,连接AC 交直线a 于点D ，则点D 为建抽水站的位置。 证明：在直线 a 上另外任取一点E ，连接AE.CE.BE.BD, ∵点B.C 关于直线 a 对称,点D.E 在直线 a 上，∴DB=DC,EB=EC, ∴AD+DB=AD+DC=AC, AE+EB=AE+EC 在△ACE 中，AE+EC ＞AC, 即 AE+EC ＞AD+DB 所以抽水站应建在河边的点D 处， 例：某班举行晚会，桌子摆成两直条(如图中的AO ，BO)，AO 桌面上摆满了桔子，OB 桌面上摆满了糖果，坐在C 处的学生小明先拿桔子再拿糖果，然后回到座位，请你帮助他设计一条行走路线，使其所走的总路程最短？ 作法：1.作点C 关于直线 OA 的对称点点D, 2. 作点C 关于直线 OB 的对称点点E, 3.连接DE 分别交直线OA.OB 于点M.N ， 则CM+MN+CN 最短 例：如图：C 为马厩，D 为帐篷，牧马人某一天要从马厩牵出马，先到草地边某一处牧马，再到河边饮马，然后回到帐篷，请你帮 · · C D A B E a 习题二证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。证明：假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。假设至少有两人谁都不认识，则认识的人数为0的至少有两人。 任取11个整数，求证其中至少有两个数的差是10的整数倍。证明：对于任意的一个整数，它除以10的余数只能有10种情况：0，1，…，9。现在有11个整数，由鸽巢原理知，至少有2个整数的余数相同，则这两个整数的差必是10的整数倍。证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。证明：有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为奇数+奇数= 偶数；偶数+偶数=偶数。因此只需找以上2个情况相同的点。而已证明：存在至少2个坐标的情况相同。证明成立。 一次选秀活动，每个人表演后可能得到的结果分别为“通过”、“淘汰”和“待定”，至少有多少人参加才能保证必有100个人得到相同的结果证明：根据推论2.2.1，若将3*（100-1）+1=298个人得到3种结果，必有100人得到相同结果。一个袋子里装了100个苹果、100个香蕉、100个橘子和100个梨。那么至少取出多少水果后能够保证已经拿出20个相同种类的水果证明：根据推论2.2.1，若将4*（20-1）+ 1 = 77个水果取出，必有20个相同种类的水果。 排列组合公式/排列组合计算公式 排列P------和顺序有关 组合C -------不牵涉到顺序的问题 排列分顺序,组合不分 例如把5本不同的书分给3个人,有几种分法. "排列" 把5本书分给3个人,有几种分法"组合" 1．排列及计算公式 从n个不同元素中，任取m(m≤n)个元素按照一定的顺序排成一列，叫做从n个不同元素中取出m个元素的一个排列；从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有排列的个数，叫做从n个不同元素中取出m个元素的排列数，用符号 p(n,m)表示. p(n,m)=n(n-1)(n-2)……(n-m+1)= n!/(n-m)!(规定0!=1). 2．组合及计算公式 从n个不同元素中，任取m(m≤n)个元素并成一组，叫做从n个不同元素中取出m个元素的一个组合；从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有组合的个数，叫做从n个不同元素中取出m个元素的组合数.用符号 c(n,m) 表示. c(n,m)=p(n,m)/m!=n!/((n-m)!*m!)；c(n,m)=c(n,n-m); 3．其他排列与组合公式 从n个元素中取出r个元素的循环排列数＝p(n,r)/r=n!/r(n-r)!. n个元素被分成k类，每类的个数分别是n1,n2,...nk这n个元素的全排列数为 n!/(n1!*n2!*...*nk!). k类元素,每类的个数无限,从中取出m个元素的组合数为c(m+k-1,m). 排列（Pnm(n为下标，m为上标)） Pnm=n×（n-1）....（n-m+1）；Pnm=n！/（n-m）！（注：！是阶乘符号）；Pnn （两个n分别为上标和下标） =n！；0！=1；Pn1（n为下标1为上标）=n 组合（Cnm(n为下标，m为上标)） 机组组合问题的优化方法综述 陈皓勇 王锡凡 (西安交通大学电力工程系 710049 西安) 1998205215收稿。 国家教委博士点基金资助项目。 (上接本刊1999年第4期第56页) 5 拉格朗日松弛法 电力系统是一个非常典型的大系统,是大系统优化和控制理论的一个重要应用领域[42]。大系统的分解协调思想最早见于D an tzig 和W o lfe 对于线性规划问题的分解[43],而用于机组组合问题的主要是拉格朗日松弛(L agrangian relaxati on )法[44～47],该方法产生于70年代,是解决复杂整数和组合优化问题的一类优化算法,它建立在下述思想的基础上:许多困难的整数规划问题可看成是由一些边界约束条件联系在一起的一系列相对容易的子问题组成,利用这个特点,把约束条件被破坏的量和它们各自的对偶变量的乘积加在目标函数上作为惩罚项,形成拉格朗日问题。拉格朗日问题相对容易解决,对于最大(小)化问题,它的优化值是原问题优化值的上(下)界,因此在分支定界法中,它能够取代线性规划法以提供下界。 下面以最大化问题为例来说明这种方法: Z =m ax X {c T X AX ≤b , D X ≤e ,X ≥0且是整数向量} 其中 X 是n 维向量;b ,c ,e 分别为m 维、n 维、k 维向 量;A ,D 分别为m ×n ,k ×n 的矩阵。 假设问题的约束条件可以分为两组,即AX ≤b 和D X ≤e ,并且如果去掉约束AX ≤b ,问题会变得相对容易解决。因此可以构造拉格朗日问题: Z D (u )=m ax X {c T X +u T (b -AX ) D X ≤e , X ≥0且是整数向量} 对偶变量u 的值应该通过解对偶问题Z D =m in u {Z D (u ) u ≥0}来得到。由于Z D (u )对u 是不可 微的,通常用次梯度法来求解,从初始点u 0开始,应用公式u k +1=m ax{0,u k -t k (b -AX k )}迭代求解。其中t k 是标量步长,X k 是第k 步拉格朗日问题的优化解。 拉格朗日松弛法在机组组合问题中应用时,把 所有的约束分成两类,一类是全系统的约束,即文章第1部分模型中的P (X ),一类是可以按单台机组分解的约束,如模型中的R (X ,Z ),M (X ,Z ),U (Z ),P (X )可以写成惩罚项的形式,加入目标函数,形成拉格朗日函数,拉格朗日函数可按单台机组分解成一系列的子问题,子问题一般用动态规划法求解,对偶问题一般用次梯度法[48]求解。 拉格朗日松弛法在机组组合问题中的应用研究始于70年代,80年代逐渐推广,90年代成为主流,有大量的理论和应用成果。早期的应用多结合分支定界法,但在后来的应用中发现分支定界的框架是可以完全抛弃的,直接解对偶问题并结合一些启发式的调整策略即能得出原问题的最优解或次优解。在后来的研究中发现,为解决由于线性费用函数造成的解的振荡问题,需要在目标函数中加入二次惩罚项,采用辅助问题原理(aux iliary p rob lem p rinci p le )和增广拉格朗日法(augm en ted L agrangian )来解决 [49～51] 。文献[52,53]以分支定界法为框架,应用对偶方法求分支定界树各节点的下界,使用近似罚函数法,不但能解对偶问题,而且能为构造原问题的近似优化解提供有用的信息。文献[53]论证了对偶间隙(duality gap ,即原问题的优化值和对偶问题优化值之间的差值)相对值随着机组数增加而减少。由于对偶法提供了主问题紧的下界和构造优化可行解的有用信息,只需检查一个节点,甚至可以完全放弃分支定界框架。随着机组数增加,计算量线性增长。文献[54]直接应用拉格朗日松弛法求解机组组合和水火电负荷经济分配的问题,用次梯度法优化拉格朗日乘子,用动态规划法求解单台热力机组的开停机问题,用罚函数法求解凸水电优化控制问题,用文献[52,53]的方法从对偶问题的解构造原问题的可行解。 文献[55]提出的方法,不用分支定界的框架,而是直接从对偶问题的解构造原问题的解。该方法利用了电力系统的如下特点:若所有投入运行的机组能满足系统的旋转备用要求,则系统的功率一定能够平衡。因此使用特殊的算法来选择拉格朗日乘子,保证在迭代的过程中旋转备用能够满足要求。文献[56]使用拉格朗日松弛法进行分解,用连续逼近 1 51999年3月 电 力 系 统 自 动 化 A utom ati on of E lectric Pow er System s 第23卷 第5期 第三次 Windows提供了长文件命名方法，一个文件名的长度最多可达到______个字符(A)128(B)256(C)8(D)255 难度：中分值：2.0D 2.IP地址是由______组成的 (A)三个黑点分隔主机名、单位名、地区名和国家名4个部分(B)三个黑点分隔4个0～255数字(C)三个黑点分隔4个部分，前两部分是国家名和地区名，后两部分是数字(D)三个黑点分隔4个部分，前两部分是国家名和地区名代号，后两部分是网络和主机码 难度：中分值：2.0B 3.有一个数值152，它与十六进制数6A相等，那么该数值是_____ (A)十进制数(B)二进制数(C)四进制数(D)八进制数 难度：中分值：2.0D 4.世界上第一台电子计算机是于______诞生在_____ (A)1946年、法国(B)1946年、美国(C)1946年、英国(D)1946年、德国 难度：中分值：2.0B 5.计算机的内存主要有RAM组成，其中存储的数据在断电后______丢失 (A)不会(B)部分(C)完全(D)不一定 难度：中分值：2.0C 6.决定个人计算机性能的主要是_____ (A)计算机的价格(B)计算机的内存(C)计算机的CPU(D)计算机的电源 难度：中分值：2.0C 7.在Excel中，当用户希望使标题位于表格中央时，可以使用______ (A)置中(B)合并及居中(C)分散对齐(D)填充 难度：中分值：2.0B 8.Windows中的即插即用是指_____ (A)在设备测试中帮助安装和配置设备(B)使操作系统更易使用、配置和管理设备(C)系统状态动态改变后以事件方式通知其它系统组件和应用程序(D)以上都对难度：中分值：2.0D 9.MIPS常用来描述计算机的运算速度，其含义是______ (A)每秒钟处理百万个字符(B)每分钟处理百万个字符(C)每秒钟处理百万条指令(D)每分钟处理百万条指令 难度：中分值：2.0C 10.信息高速公路的基本特征是______、交互性和广域性 (A)高速(B)方便(C)灵活(D)直观 难度：中分值：2.0A 11.十进制数59转换成八进制数是_____ (A)73(B)37(C)59(D)112 难度：中分值：2.0A 12.下列属于计算机局域网所特有的设备是____ (A)显示器(B)UPS不间断电源(C)服务器(D)鼠标器 难度：中分值：2.0C 13.Windows 2000操作系统是一个______ 初中数学《最短路径问题》典型题型 知识点：“两点之间线段最短”，“垂线段最短”，“点关于线对称”，“线段的平移”。“饮马问题”，“造桥选址问题”。考的较多的还是“饮马问题”，出题背景变式有角、三角形、菱形、矩形、正方形、梯形、圆、坐标轴、抛物线等。 解题总思路：找点关于线的对称点实现“折”转“直”，近两年出现“三折线”转“直”等变式问题考查。 一、两点在一条直线异侧 例：已知：如图，A ，B 在直线L 的两侧，在L 上求一点P ，使得PA+PB 最小。 解：连接AB,线段AB 与直线L 的交点P ，就是所求。（根据：两点之间线段最短.） 二、 两点在一条直线同侧 例：图所示，要在街道旁修建一个奶站，向居民区A 、B 提供牛奶，奶站应建在什么地方，才能使从A 、B 到它的距离之和最短． 解：只有A 、C 、B 在一直线上时，才能使AC +BC 最小．作点A 关于直线“街道”的对称点A ′，然后连接A ′B ，交“街道”于点C ，则点C 就是所求的点． 三、一点在两相交直线内部 例：已知：如图A 是锐角∠MON 内部任意一点，在∠MON 的两边OM ，ON 上各取一点B ，C ，组成三角形，使三角形周长最小. 解：分别作点A 关于OM ，ON 的对称点A ′，A ″；连接A ′，A ″，分别交OM ，ON 于点B 、点C ，则点B 、点C 即为所求 分析：当AB 、BC 和AC 三条边的长度恰好能够体现在一条直线上时，三角形的周长最小 例：如图，A.B 两地在一条河的两岸，现要在河上建一座桥MN ，桥造在何处才能使从A 到B 的路径AMNB 最短？（假设河的两岸是平行的直线，桥要与河垂直） 解：1.将点B 沿垂直与河岸的方向平移一个河宽到E ， 2.连接AE 交河对岸与点M, 则点M 为建桥的位置，MN 为所建的桥。 A· B M N E 作业习题答案 习题二 2.1证明：在一个至少有2人的小组中，总存在两个人，他们在组内所认识的人数相同。 证明： 假设没有人谁都不认识：那么每个人认识的人数都为[1,n-1]，由鸽巢原理知，n 个人认识的人数有n-1种，那么至少有2个人认识的人数相同。 假设有1人谁都不认识：那么其他n-1人认识的人数都为[1,n-2]，由鸽巢原理知，n-1个人认识的人数有n-2种，那么至少有2个人认识的人数相同。 2.3证明：平面上任取5个坐标为整数的点，则其中至少有两个点，由它们所连线段的中点的坐标也是整数。 证明： 方法一： 有5个坐标，每个坐标只有4种可能的情况：（奇数，偶数）；（奇数，奇数）；（偶数，偶数）；（偶数，奇数）。由鸽巢原理知，至少有2个坐标的情况相同。又要想使中点的坐标也是整数，则其两点连线的坐标之和为偶数。因为 奇数+奇数 = 偶数 ； 偶数+偶数=偶数。因此只需找以上2个情况相同的点。而已证明：存在至少2个坐标的情况相同。证明成立。 方法二： 对于平面上的任意整数坐标的点而言，其坐标值对2取模后的可能取值只有4种情况，即：(0,0) ,(0,1) ,(1,0), (1,1)，根据鸽巢原理5个点中必有2个点的坐标对2取模后是相同类型的，那么这两点的连线中点也必为整数。 2.4一次选秀活动，每个人表演后可能得到的结果分别为“通过”、“淘汰”和“待定”，至少有多少人参加才能保证必有100个人得到相同的结果？ 证明： 根据推论2.2.1，若将3*（100-1）+1=298个人得到3种结果，必有100人得到相同结果。 2.9将一个矩形分成(m +1)行112m m +?? + ??? 列的网格每个格子涂1种颜色，有m 种颜色可以选择，证明：无论怎么涂色，其中必有一个由格子构成的矩形的4个角上的格子被涂上同一种颜色。 证明： （1）对每一列而言，有（m+1）行，m 种颜色，有鸽巢原理，则必有两个单元格颜色相同。 （2）每列中两个单元格的不同位置组合有12m +?? ??? 种，这样一列中两个同色单元格的位置组合共有 12m m +?? ??? 种情况 （3）现在有112m m +?? + ??? 列，根据鸽巢原理，必有两列相同。证明结论成立。 2.11证明：从S={1,3,5,…,599}这300个奇数中任意选取101个数，在所选出的数中一定存在2个数，它们之间最多差4。 证明： 排列组合公式/排列组合计算公式 公式P是指排列，从N个元素取R个进行排列。 公式C是指组合，从N个元素取R个，不进行排列。 N-元素的总个数 R参与选择的元素个数 ！-阶乘，如9！＝9*8*7*6*5*4*3*2*1 从N倒数r个，表达式应该为n*（n-1)*(n-2)..(n-r+1); 因为从n到（n-r+1)个数为n－（n-r+1)＝r 举例： Q1:有从1到9共计9个号码球，请问，可以组成多少个三位数？ A1: 123和213是两个不同的排列数。即对排列顺序有要求的，既属于“排列P”计算范畴。 上问题中，任何一个号码只能用一次，显然不会出现988,997之类的组合，我们可以这么看，百位数有9种可能，十位数则应该有9-1种可能，个位数则应该只有9-1-1种可能，最终共有9*8*7个三位数。计算公式＝P（3，9)＝9*8*7,(从9倒数3个的乘积） Q2: 有从1到9共计9个号码球，请问，如果三个一组，代表“三国联盟”，可以组合成多少个“三国联盟”？ A2: 213组合和312组合，代表同一个组合，只要有三个号码球在一起即可。即不要求顺序的，属于“组合C”计算范畴。 上问题中，将所有的包括排列数的个数去除掉属于重复的个数即为最终组合数C(3,9)=9*8*7/3*2*1 排列、组合的概念和公式典型例题分析 例1设有3名学生和4个课外小组．（1）每名学生都只参加一个课外小组；（2）每 名学生都只参加一个课外小组，而且每个小组至多有一名学生参加．各有多少种不同方法？ 解（1）由于每名学生都可以参加4个课外小组中的任何一个，而不限制每个课外小组的人数，因此共有种不同方法． （2）由于每名学生都只参加一个课外小组，而且每个小组至多有一名学生参加，因此共有种不同方法． 点评由于要让3名学生逐个选择课外小组，故两问都用乘法原理进行计算． 例2 排成一行，其中不排第一，不排第二，不排第三，不排第四的不同排法共有多少种？ 解依题意，符合要求的排法可分为第一个排、、中的某一个，共3类，每一类中不同排法可采用画“树图”的方式逐一排出： ∴ 符合题意的不同排法共有9种． 点评按照分“类”的思路，本题应用了加法原理．为把握不同排法的规律，“树图”是一种具有直观形象的有效做法，也是解决计数问题的一种数学模型． 例３判断下列问题是排列问题还是组合问题？并计算出结果． （1）高三年级学生会有11人：①每两人互通一封信，共通了多少封信？②每两人互握了一次手，共握了多少次手？ （2）高二年级数学课外小组共10人：①从中选一名正组长和一名副组长，共有多少种不同的选法？②从中选2名参加省数学竞赛，有多少种不同的选法？ （3）有2，3，5，7，11，13，17，19八个质数：①从中任取两个数求它们的商可以有多少种不同的商？②从中任取两个求它的积，可以得到多少个不同的积？ （4）有8盆花：①从中选出2盆分别给甲乙两人每人一盆，有多少种不同的选法？②从中选出2盆放在教室有多少种不同的选法？ 分析（1）①由于每人互通一封信，甲给乙的信与乙给甲的信是不同的两封信，所以与顺序有关是排列；②由于每两人互握一次手，甲与乙握手，乙与甲握手是同一次握手，与顺序无关，所以是组合问题．其他类似分析． （1）①是排列问题，共用了封信；②是组合问题，共需握手（次）． （2）①是排列问题，共有（种）不同的选法；②是组合问题，共有种不同的选法． （3）①是排列问题，共有种不同的商；②是组合问题，共有种不同的积． （4）①是排列问题，共有种不同的选法；②是组合问题，共有种不同的选法． 例４证明． 证明左式 高考数学轻松搞定排列组合难题二十一种方法 排列组合问题联系实际生动有趣，但题型多样，思路灵活，因此解决排列组合问题，首先要认真审题，弄清楚是排列问题、组合问题还是排列与组合综合问题；其次要抓住问题的本质特征，采用合理恰当的方法来处理。 教学目标 1.进一步理解和应用分步计数原理和分类计数原理。 2.掌握解决排列组合问题的常用策略;能运用解题策略解决简单的综合应用题。提高学生解决问题分析问题的能力 3.学会应用数学思想和方法解决排列组合问题. 复习巩固 1.分类计数原理(加法原理) 完成一件事，有n类办法，在第1类办法中有 m种不同的方法，在 1 第2类办法中有 m种不同的方法，…，在第n类办法中有n m种不同 2 种不同的方法． 2.分步计数原理（乘法原理） 完成一件事，需要分成n个步骤，做第1步有 m种不同的方法，做 1 第2步有 m种不同的方法，…，做第n步有n m种不同的方法，那么2 完成这件事共有： 种不同的方法． 3.分类计数原理分步计数原理区别 分类计数原理方法相互独立，任何一种方法都可以独立地完成这件事。 分步计数原理各步相互依存，每步中的方法完成事件的一个阶段，不能完成整个事件． 解决排列组合综合性问题的一般过程如下: 1.认真审题弄清要做什么事 2.怎样做才能完成所要做的事,即采取分步还是分类,或是分步与分类同时进行,确定分多少步及多少类。 3.确定每一步或每一类是排列问题(有序)还是组合(无序)问题,元素 总数是多少及取出多少个元素. 4.解决排列组合综合性问题，往往类与步交叉，因此必须掌握一些常用的解题策略 一.特殊元素和特殊位置优先策略 例1.由0,1,2,3,4,5可以组成多少个没有重复数字五位奇数. 解:由于末位和首位有特殊要求,应该优先安排, 占了这两个位置. 先排末位共有1 3C 然后排首位共有1 4C 最后排其它位置共有3 4A 由分步计数原理得113 434288C C A = 练习题:7种不同的花种在排成一列的花盆里,若两种葵花不种在中间， 也不种在两端的花盆里，问有多少不同的种法？ 二.相邻元素捆绑策略 例2. 7人站成一排 ,其中甲乙相邻且丙丁相邻, 共有多少种不同的排法. 解：可先将甲乙两元素捆绑成整体并看成一个复合元素，同时丙丁也 看成一个复合元素，再与其它元素进行排列，同时对相邻元素内部进行自排。由分步计数原理可得共有522522480A A A =种不同的排法 练习题:某人射击8枪，命中4枪，4枪命中恰好有3枪连在一起的情形的不同种数为 20 三.不相邻问题插空策略 例3.一个晚会的节目有4个舞蹈,2个相声,3个独唱,舞蹈节目不能 连续出场,则节目的出场顺序有多少种？ 解:分两步进行第一步排2个相声和3个独唱共有55A 种，第二步将4 舞蹈插入第一步排好的6个元素中间包含首尾两个空位共有种4 6 A 443 《组合数学》期末试题（A ）姓名班级学号成绩 一，把m 个负号和n 个正号排在一条直线上，使得没有两个负 号相邻，问有多少种不同的排法。 二，在1和100之间既不是某个整数的平方，也不是某个整数的 立方的数有多少个？ 三，边长为1的等边三角形内任意放10个点，证明一定存在两 个点，其距离不大于1/3。 四，凸10边形的任意三条对角线不共点，试求(1)这凸10边形的 对角线交于多少个点？(2)又把所有对角线分割成多少段？五，求和=?? ???∑k－（－）k+1111n k n k 六，求解递推关系--++=??==?12016930,1 n n n a a a a a 七，用红白蓝三种颜色对1×n 的方格涂色，每个方格只能涂一种颜色，如果要求偶数个方格涂成红色，问有多少种方法？ 八，用红、蓝二种颜色对1×n 的方格涂色，每个方格只能涂一种颜色，如果要求涂成红色的两个方格不能相邻，问有多少种方法？注，1-4、6题各15分，第5题10分，第7题8分，第八题7分。 北京邮电大学2005 ——2006 学年第1 学期 《组合数学》期末试题答案 一， (15) 解： 由于正负号不能相连，故先将正号排好，产生n+1个空档。 --------5分 则负号只能排在两个正号之间，这相当于从n+1个数中取m 个数的组合，故有---------10分 1n m +????? ?种方式。----15 备注：若写出m>n+1时为0，m=n+1时为1，给5分 二， （19分） 解：设A 表示是1-100内某个数的平方的集合，则 |A|=10, -----4分 设B 表示是1-100内某个数的立方的集合，则|B|=4, --8分 |A ∩B|=2, -----12分 由容斥原理得 100|||||| 100104288A B A B A ∩=??+∩=??+=B --------19分 三， （15分） 证明：将此三角形剖分成9个小的边长为1/3的等边三角形。 - ------5分 由鸽巢原理，必有两点在某一个小三角形内，----12分 此时，这两点的距离不超过小三角形边长1/3。从而得证。 -------15分 四， （15分） 解：（1）由于没有三条对角线共点，所以这凸多边形任取4点，组成的多边形内唯一的一个四边形，确定唯一一个交点，--5分 从而总的交点数为C(10,4)=210-------------10分 （2）如图，不妨取顶点1，考察由1出发的对角线被其他对角线 剖分的总数。不妨设顶点标号按顺时针排列，取定对角线1 i 初中数学[最短路径问题]典型题型及解题技巧 最短路径问题中,关键在于，我们善于作定点关于动点所在直线的对称点，或利用平移和展开图来处理。这对于我们解决此类问题有事半功倍的作用。理论依据：“两点之间线段最短”，“垂线段最短”，“点关于线对称”，“线段的平移”“立体图形展开图”。教材中的例题“饮马问题”，“造桥选址问题”“立体展开图”。考的较多的还是“饮马问题”。 知识点：“两点之间线段最短”，“垂线段最短”，“点关于线对称”，“线段的平移”。“饮马问题”，“造桥选址问题”。考的较多的还是“饮马问题”，出题背景变式有角、三角形、菱形、矩形、正方形、梯形、圆、坐标轴、抛物线等。 解题总思路：找点关于线的对称点实现“折”转“直”，近两年出现“三折线”转“直”等变式问题考查。 一、两点在一条直线异侧 例：已知：如图，A，B在直线L的两侧，在L上求一点P，使得PA+PB 最小。 解：连接AB,线段AB与直线L的交点P ，就是所求。（根据：两点之间线段最短.） 二、两点在一条直线同侧 例：图所示，要在街道旁修建一个奶站，向居民区A、B提供牛奶，奶站应建在什么地方，才能使从A、B到它的距离之和最短． 解：只有A、C、B在一直线上时，才能使AC+BC最小．作点A关于直线 “街道”的对称点A′，然后连接A′B，交“街道”于点C，则点C就是 所求的点． 三、一点在两相交直线内部 例：已知：如图A是锐角∠MON内部任意一点，在∠MON的两边OM，ON上各取一点B，C，组成三角形，使三角形周长最小. 解：分别作点A 关于OM ，ON 的对称点A ′，A ″；连接A ′，A ″，分别交OM ，ON 于点B 、点C ，则点B 、点C 即为所求 分析：当AB 、BC 和AC 三条边的长度恰好能够体现在一条直线上时，三角形的周长最小 例：如图，A.B 两地在一条河的两岸，现要在河上建一座桥MN ，桥造在何 处 才能使从A 到B 的路径AMNB 最短？（假设河的两岸是平行的直线，桥要与 河垂直） 解：1.将点B 沿垂直与河岸的方向平移一个河宽到E ， 2.连接AE 交河对岸与点M, 则点M 为建桥的位置，MN 为所建的桥。 证明：由平移的性质，得 BN ∥EM 且BN=EM, MN=CD, BD ∥CE, BD=CE, 所以A.B 两地的距:AM+MN+BN=AM+MN+EM=AE+MN, 若桥的位置建在CD 处，连接AC.CD.DB.CE, 则AB 两地的距离为： AC+CD+DB=AC+CD+CE=AC+CE+MN, 在△ACE 中，∵AC+CE ＞AE, ∴AC+CE+MN ＞AE+MN,即AC+CD+DB ＞AM+MN+BN 所以桥的位置建在CD 处，AB 两地的路程最短。 例：如图，A 、B 是两个蓄水池，都在河流a 的同侧，为了方便灌溉 作 物，?要在河边建一个抽水站，将河水送到A 、B 两地，问该站建在河边什么地方，?可使所修的渠道最短，试在图中确定该点。 · · C D A B E a A· B M N E ?1.证：对n 用归纳法。先证可表示性： 当n=0,1时，命题成立。 假设对小于n 的非负整数，命题成立。对于n,设k!≤n ＜(k+1)!,即0≤n-k!＜k·k!由假设对n-k!,命题成立， 设n-k!=∑a i ·i!，其中a k ≤k-1,n=∑a i ·i!+k!，命题成立。i=1 k i=1 k 再证表示的唯一性： 设n=∑a i ·i!=∑b i ·i!, 不妨设a j ＞b j ,令j=max{i|a i ≠b i }a j ·j!+a j-1·(j-1)!+…+a 1·1! =b j ·j!+b j-1·(j-1)!+…+b 1·1!,(a j -b j )·j!=∑(b i -a i )·i!≥j!＞∑i·i!≥∑|b i -a i |·i!≥∑(b i -a i )·i! 另一种证法：令j=min{i|a i ≠b i }∑a i ·i!=∑b i ·i!,两边被(j+1)!除,得余数a j ·j!=b j ·j!,矛盾. i=1 k i=1k i=1 j-1i=1 j-1 i=1j-1i=1 j-1 i ≥j i ≥j ?2.证： 组合意义： 等式左边：n 个不同的球，先任取出1个，再从余下的n-1个中取r 个； 等式右边：n 个不同球中任意取出r+1个，并指定其中任意一个为第一个。显然两种方案数相同。 nC(n-1,r) = n ————= ——————— (n-1)! (r+1)·n! r!·(n-r-1)! (r+1)·r!·(n-r-1)! = ——————= (r+1)C(n,r+1).(r+1)·n! (r+1)!·(n-r-1)! ?3.证： 设有n 个不同的小球，A 、B 两个盒子,A 盒中恰好放1个球,B 盒中可放任意个球。有两种方法放球： ①先从n 个球中取k 个球(k ≥1),再从中挑 一个放入A 盒,方案数共为∑kC(n,k),其余球放入B 盒。 ②先从n 个球中任取一球放入A 盒，剩下n-1个球每个有两种可能，要么放入B 盒， 要么不放，故方案数为n2 . 显然两种方法方案数应该一样。 k=1n n-1 ?4.解：设取的第一组数有a 个,第二组有b 个,而 要求第一组数中最小数大于第二组中最大的，即只要取出一组m 个数(设m=a+b),从大到小取a 个作为第一组,剩余的为第二组。此时方案数为C(n,m)。从m 个数中取第一组数共有m-1中取法。总的方案数为∑(m-1)C(n,m)=n ·2 +1. ?5.解：第1步从特定引擎对面的3个中取1个有 C(3,1)种取法，第2步从特定引擎一边的2个中 取1个有C(2,1)种取法，第3步从特定引擎对面的2个中取1个有C(2,1)中取法，剩下的每边1个取法固定。 所以共有C(3,1)·C(2,1)·C(2,1)=12种方案。 m=2 n n-1 ?6.解：首先所有数都用6位表示，从000000到 999999中在每位上0出现了10 次,所以0共出现 了6·10 次,0出现在最前面的次数应该从中去掉， 000000到999999中最左1位的0出现了10 次， 000000到099999中左数第2位的0出现了10 次， 000000到009999左数第3位的0出现了10 次, 000000到000999左数第4位的0出现了10 次, 000000到000099左数第5位的0出现了10 次, 000000到000009左数第6位的0出现了10 次。另外1000000的6个0应该被加上。所以0共出现了 6·10 –10 –10 –10 –10 –10 –10 +6 = 488895次。 5 5 5 4 3 2 1 5543210 ?7.解：把n 个男、n 个女分别进行全排列，然后 按乘法法则放到一起，而男女分别在前面,应该 再乘2,即方案数为2·(n!) 个. 围成一个圆桌坐下， 根据圆排列法则，方案数为2 ·(n!) /(2n)个. ?8.证：每个盒子不空，即每个盒子里至少放一 个球，因为球完全一样，问题转化为将n-r 个小球放入r 个不同的盒子，每个盒子可以放任意个球，可以有空盒，根据可重组合定理可得共有C(n-r+r-1,n-r) = C(n-1,n-r)中方案。根据C(n,r)=C(n,n-r),可得 C(n-1,n-r)=C(n-1,n-1-(n-r))=C(n-1,r-1)个方案。证毕。 2 2 ?9.解：每个能整除尽数n 的正整数都可以选取每个素数p i 从0到a i 次，即每个素数有a i +1种选择，所以能整除n 的正整数数目为(a 1+1)·(a 2+1)·…·(a l +1)个。 ?10.解：相当于把n 个小球放入6个不同的盒子里，为可重组合，即共有C(n+6-1,n)中方案，即C(n+5,n)中方案。 ?11.解：根据题意,每4个点可得到两条对角线,1个对角线交点,从10个顶点任取4个的方案有C(10,4)中,即交于210个点。 排列组合的数学公式 排列组合的数学公式 1. 排列及计算公式从n 个不同元素中，任取m(m≤n) 个元素按照一定的顺序排成一列，叫做从n个不同元素中取出m 个宝鸡博瀚教 育元素的一个排列；从n个不同元素中取出m(m≤n)个元素的所有排列的个数，叫做从n个不同元素中取出m个元素的排列数，用符号p(n,m) 表示. p(n,m)=n(n-1)(n- 2) ...... (n -m+1)= n!/(n-m)!( 规定 0!=1). 2. 组合及计算公式 从n 个不同元素中，任取m(m≤n) 个元素并成一组，叫做从n个不同元素中取出m个元素的一个组合;从n个不 同元素中取出m(m≤n) 个元素的所有组合的个数，叫做从n个不同元素中取出m个元素的组合数.用符号 c(n,m) 表示. c(n,m)=p(n,m)/m!=n!/((n-m)!*m!);c(n,m)=c(n,n-m); 3. 其他排列与组合公式 从n 个元素中取出r 个元素的循环排列数=p(n,r)/r=n!/r(n-r)!. n 个元素被分成k 类，每类的个数分别是n1,n2,...nk 这 n 个元素的全排列数为n!/（n1!*n2!*...*nk!）. k 类元素, 每类的个数无限, 从中取出m 个元素的组合数为c（m+k-1,m）. 排列（Pnm（n为下标，m为上标）） Pnm=n×（n-1）（n- m+1）;Pnm=n!/（n-m）!（注：是阶乘符号）;Pnn（两个n 分别为上标和下标） =n!;0!=1;Pn1（n 为下标1 为上标）=n 组合（Cnm（n为下标，m为上标）） Cnm=Pnm/Pmm ;Cnm=n!/m!（n-m）!;Cnn（两个n 分别为上标和下标） =1 ;Cn1（n 为下标 1 为上标）=n;Cnm=Cnn-m 排列组合的数学解题技巧 1. 掌握分类计数原理与分步计数原理，并能用它们分析和解决一些简单的应用问题。 2. 理解排列的意义，掌握排列数计算公式，并能用它解决一些简单的应用问题。 3. 理解组合的意义，掌握组合数计算公式和组合数的性质，并能用它们解决一些简单的应用问题。 4. 掌握二项式定理和二项展开式的性质，并能用它们计算和证明一些简单的问题。初中排列组合公式例题.
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