Companion to the IB-Style Practice SetIB 风格练习题的解析配套
Syllabus 1.9 – 1.11考纲 1.9 – 1.11AA HL
v1.2 · companion to Unit_A3_Combinatorics_Practice.html v1.2 · 13 Qs · 116 marks · IB-style method walk withUnit_A3_Combinatorics_Practice.html v1.2 配套 · 13 题 · 116 分 · 按 IB 风格逐步给出解题方法,附 M1 / A1 / R1 mark callouts分点标注
Expansion of $\left(2x^{2} - \dfrac{1}{x}\right)^{9}$ — (a) general term, (b) coefficient of $x^{6}$, (c) term independent of $x$.$\left(2x^{2} - \dfrac{1}{x}\right)^{9}$ 的展开式 —— (a) 通项,(b) $x^{6}$ 的系数,(c) 不含 $x$ 的项。
binomial theorem)给出 $\displaystyle (a+b)^{n} = \sum_{r=0}^{n}\binom{n}{r}a^{n-r}b^{r}$。取 $a = 2x^{2}$、$b = -x^{-1}$、$n = 9$:
$$ T_{r+1} \;=\; \binom{9}{r}\,(2x^{2})^{9-r}\,(-x^{-1})^{r} \;=\; \binom{9}{r}\,2^{\,9-r}\,(-1)^{r}\,x^{\,2(9-r)}\,x^{-r}. $$
合并 $x$ 的幂次:$x^{18-2r-r} = x^{18-3r}$。因此
$$ T_{r+1} = \binom{9}{r}\,2^{9-r}\,(-1)^{r}\,x^{18-3r}, \qquad r = 0, 1, \ldots, 9. $$
constant term)为 $\boxed{672}$。
MISSISSIPPI — (a) total distinguishable arrangements, (b) arrangements with no two I's adjacent.MISSISSIPPI —— (a) 可区分排列总数,(b) 任意两个 I 都不相邻的排列数。
multiset)的可区分排列数为
$$ \frac{11!}{1!\,4!\,4!\,2!} \;=\; \frac{39\,916\,800}{1\cdot 24\cdot 24\cdot 2} \;=\; \frac{39\,916\,800}{1152} \;=\; 34\,650. $$
(M 对应的 $1!$ 通常省略,其值等于 $1$,与题目表达式一致。)
gap method) M1·M1·A1·R1·A1choose)而非排列:
$$ \binom{8}{4} \;=\; 70. $$
inclusion–exclusion)枚举"至少有一对 I 相邻"也能做,但记账非常痛苦。插空法是 IB 的标准做法 —— 识别出受约束的字母,然后把它们放入其他字母的空隙。Find $n$ and $r$ such that $\binom{n}{r} : \binom{n}{r+1} : \binom{n}{r+2} = 6 : 14 : 21$.求 $n$ 与 $r$,使 $\binom{n}{r} : \binom{n}{r+1} : \binom{n}{r+2} = 6 : 14 : 21$。
Prove three weighted-sum identities for $\sum r \binom{n}{r}$, $\sum r(r-1)\binom{n}{r}$, and $\sum r^{2}\binom{n}{r}$ for $n \ge 2$.当 $n \ge 2$ 时,分别证明 $\sum r \binom{n}{r}$、$\sum r(r-1)\binom{n}{r}$ 与 $\sum r^{2}\binom{n}{r}$ 的三个加权求和恒等式。
falling factorial)权重。任意多项式权重 $p(r)$ 都可以展开为若干降阶乘之和,从而一行算出。这正是二项求和通向 HL 离散矩问题的桥梁 —— 同一套代数也能算出 $X \sim \mathrm{Bin}(n, \tfrac{1}{2})$ 的 $E(X)$ 与 $E(X^{2})$。$(1 + ax)^{n}$ has coefficient of $x$ equal to $24$ and coefficient of $x^{2}$ equal to $252$. Find $n$, $a$, the coefficient of $x^{3}$, and the largest coefficient in the expansion.$(1 + ax)^{n}$ 中 $x$ 的系数为 $24$,$x^{2}$ 的系数为 $252$。求 $n$、$a$、$x^{3}$ 的系数,以及展开式中的最大系数。
consecutive-ratio test)是 IB"求最大系数"问题的标准做法;适用于任意 $(1 + bx)^{n}$,避免暴力枚举。$\binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r} = \binom{n+1}{r+1}$. (a) Verify $r=2, n=5$. (b) Combinatorial proof. (c) Evaluate $\sum_{k=3}^{20}\binom{k}{3}$. (d) Prove $1+2+\cdots+n = n(n+1)/2$.$\binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r} = \binom{n+1}{r+1}$。(a) 验证 $r=2, n=5$。(b) 组合学证明。(c) 计算 $\sum_{k=3}^{20}\binom{k}{3}$。(d) 证明 $1+2+\cdots+n = n(n+1)/2$。
LHS:
$$ \binom{2}{2} + \binom{3}{2} + \binom{4}{2} + \binom{5}{2} \;=\; 1 + 3 + 6 + 10 \;=\; 20. $$ RHS: $\binom{6}{3} = \dfrac{6!}{3!\,3!} = \dfrac{6\cdot 5\cdot 4}{6} = 20$. LHS $=$ RHS. ✓Common count. Let $S = \{1, 2, 3, \ldots, n+1\}$. We count the $(r+1)$-element subsets of $S$ in two different ways.
Right-hand side. Directly: the number of $(r+1)$-subsets of an $(n+1)$-set is $\binom{n+1}{r+1}$.
Left-hand side. Classify each $(r+1)$-subset by its largest element. Suppose the largest element is $k$. Since the subset has $r+1$ elements and the largest is $k$, the smallest possible $k$ is $r+1$ (subset $= \{1, 2, \ldots, r+1\}$) and the largest possible $k$ is $n+1$. For each $k \in \{r+1, r+2, \ldots, n+1\}$:
Therefore the total number of $(r+1)$-subsets is
$$ \sum_{k=r+1}^{n+1}\binom{k-1}{r} \;=\; \sum_{j = r}^{n}\binom{j}{r} \quad\text{(re-index $j = k-1$)} \;=\; \binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r}. $$Two counts of the same set are equal:
$$ \binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r} \;=\; \binom{n+1}{r+1}. \qquad \blacksquare $$LHS:
$$ \binom{2}{2} + \binom{3}{2} + \binom{4}{2} + \binom{5}{2} \;=\; 1 + 3 + 6 + 10 \;=\; 20. $$ RHS:$\binom{6}{3} = \dfrac{6!}{3!\,3!} = \dfrac{6\cdot 5\cdot 4}{6} = 20$。两边相等。✓共同计数对象。设 $S = \{1, 2, 3, \ldots, n+1\}$。我们用两种不同方法计数 $S$ 的所有 $(r+1)$-元子集。
右边。直接计数:$(n+1)$-元集合的 $(r+1)$-元子集数为 $\binom{n+1}{r+1}$。
左边。按每个 $(r+1)$-子集的最大元素进行分类。设最大元素为 $k$。由于子集含 $r+1$ 个元素且最大为 $k$,$k$ 最小可取 $r+1$(对应子集 $\{1, 2, \ldots, r+1\}$),最大可取 $n+1$。对每个 $k \in \{r+1, r+2, \ldots, n+1\}$:
因此所有 $(r+1)$-子集的总数为
(令 $j = k - 1$ 换元:) $$ \sum_{k=r+1}^{n+1}\binom{k-1}{r} \;=\; \sum_{j = r}^{n}\binom{j}{r} \;=\; \binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r}. $$同一集合的两种计数必然相等:
$$ \binom{r}{r} + \binom{r+1}{r} + \cdots + \binom{n}{r} \;=\; \binom{n+1}{r+1}. \qquad \blacksquare $$Monotone lattice paths from $(0,0)$ to $(5,4)$ on the integer grid (each step is $R$ or $U$). Count: total, through $(3,2)$, not through $(3,2)$, through $(3,2)$ but not $(1,1)$, and the probability that a random path passes through both $(1,1)$ and $(3,2)$.整数格上从 $(0,0)$ 到 $(5,4)$ 的单调格点路径(每步为 $R$ 或 $U$)。求:总数、经过 $(3,2)$ 的、不经过 $(3,2)$ 的、经过 $(3,2)$ 但不经过 $(1,1)$ 的,以及随机路径同时经过 $(1,1)$ 与 $(3,2)$ 的概率。
multiplication principle),总数 $= 10\cdot 6 = 60$。
inclusion–exclusion):
$$ \#(B) \;=\; \#(A \cap B) \;+\; \#(B \setminus A). $$
计数同时经过 $(1,1)$ 与 $(3,2)$ 的路径 —— 拆为三段:
Committee of $4$ from $5$ IB $+$ $7$ AP students. (a) P(exactly $2$ IB), (b) P(at least $2$ IB), (c) P(exactly $2$ IB $|$ at least $1$ IB).从 $5$ 名 IB + $7$ 名 AP 学生中选 $4$ 人组成委员会。(a) P(恰好 $2$ 名 IB),(b) P(至少 $2$ 名 IB),(c) P(恰好 $2$ 名 IB $|$ 至少 $1$ 名 IB)。
$6$ boys and $4$ girls in a row of $10$. (a) Total. (b) No two girls adjacent. (c) Probability. (d) $B_{1}\,G\,B_{2}$ or $B_{2}\,G\,B_{1}$ as a consecutive block.$6$ 男 $4$ 女坐成 $10$ 人一行。(a) 总数。(b) 任意两女不相邻。(c) 概率。(d) $B_{1}\,G\,B_{2}$ 或 $B_{2}\,G\,B_{1}$ 作为连续块。
block method,受约束的元素粘成一个超级单位)。判断该用哪一种正是 IB 在考的技能 —— 总体上,分离类约束用插空,聚合类约束用捆绑。$10$ people incl. sisters A, B, C around a round table. (a) Total. (b) Sisters all together. (c) No two of A, B, C adjacent.$10$ 人(含三姐妹 A、B、C)围圆桌。(a) 总数。(b) 三姐妹全相邻。(c) A、B、C 任意两人都不相邻。
circular permutation)数为 $(n-1)!$。$n = 10$ 时:$9! = 362\,880$。
Approximate $\sqrt{2}$ using the extended binomial expansion of $\sqrt{1+x}$, applying a scaling trick because $x = 1$ is outside the radius of convergence.使用 $\sqrt{1+x}$ 的广义二项展开逼近 $\sqrt{2}$;由于 $x = 1$ 在收敛半径外,需用换元技巧。
Random permutation of $\{1, 2, \ldots, 10\}$ (uniform over $10!$ permutations). Find: (a) P($1$ and $2$ adjacent), (b) P($1$ before $2$), (c) P($1, 2, 3$ in increasing positional order), (d) P($k$ specified digits in increasing order).$\{1, 2, \ldots, 10\}$ 的随机排列(在 $10!$ 个排列上均匀分布)。求:(a) P($1$ 与 $2$ 相邻),(b) P($1$ 在 $2$ 前),(c) P($1, 2, 3$ 按位置递增),(d) P(指定 $k$ 个数字按位置递增)。
Develop Vandermonde's identity from Pascal's identity; apply to $m = n = 3$, $r = 2$ then to the squared-binomial sum. Six parts (a)–(f).从帕斯卡恒等式推出范德蒙恒等式;先在 $m = n = 3$、$r = 2$ 验证,再用于二项式系数平方和。六小问 (a)–(f)。
Hockey Stick)、上指标非整数的 Chu–Vandermonde 推广,乃至整个生成函数组合学。Paper 3 逐分给分的重点:(i) 在使用之前精确写出恒等式;(ii) 把分类讨论写清楚;(iii) 在断言一般结论前做一次数值核对。