第五专题 高考排列、组合、二项式定理、概率与统计(选修Ⅰ)题型分析与预测17.doc
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1、第五专题高考排列、组合、二项式定理、概率与统计(选修)题型 分析与预测 考查形式与特点 本专题内容以其独特的研究对象和研究方法,在中学数学中是相对独立的,不管是从内容上,还是 从思想方法上,都体现着应用的观念与意识,在展现分类讨论思想、化归思想的同时,培养学生解决问 题的能力. 其中排列组合是概率的基础,概率是排列组合的应用,统计是概率的应用与发展. 从考试内容来看,考纲规定的考点都有考查.从考试题型和难度来看,属传统知识的排列组合应用 问题每年高考都有 1-2 道小题,试题难度中档,除个别年份难度较大(如 1997 年选择题 15 题,2003 年 填空题 15 题);二项式定理有的年份高考
2、会有一道小题,着重考查二项式展开式的通项应用或系数性 质,试题难度较为容易,除个别年份出现难度较大的解答题(如 2001 年 20 题,2002 年上海 22 题); 概率是新教材新增内容,由于应用价值很大,5 年来新课程试卷的考查基本上都是一道小题以及一道解 答题,其中小题较容易,解答题逐渐取代 90 年代兴起的应用题,题材广泛几乎涵盖日常生活的方方面 面,题目难度虽然不大,但有一定灵活性,对理解题意要求较高;统计属新教材选修(文科)内容, 5 年的考题都是小题,试题比较简单.通过我们对 2004 年全国 15 套文科试题的统计,发现本专题的分值 平均达到 22 分,个别省份甚至高达 30
3、分,这表明本专题在高考中的地位日渐突出. 能力形成与提高 考点 1:排列、组合的综合应用 加法、乘法原理是两个基本的计数原理,是贯穿排列组合问题的一条红线,运用它们的前提是弄 清楚要完成怎样的事情,然后恰当地分类(不重不漏)、合理地分步(每步之间既互相联系,又彼此独 立).排列、组合是两个重要的计数模型,排列研究的元素讲究顺序,组合研究的元素不讲究顺序. 解决排列、组合综合应用问题的基本思路是:特殊元素(特殊位置)优先考虑,基本原则是先选 后排、边选边排、先分组后分配,基本方法有捆绑法、插空法、隔板法,还有排除法、穷举法、树图法、 机会均等法、等价转化法,等等. 近年来的高考题型有:排队问题、
4、选代表问题、摸球问题、小球入盒问题、数字问题、几何问题、 涂色问题等,无论是哪一种情景的问题,都必须建立在理解题意基础之上,对问题本身作“特征分析” , 然后设计解决问题的方法和步骤. 【例 1】 (小球入盒问题) 把 4 个相同的小球放入 3 个相同的盒子,共有多少种不同的放法? 把 4 个不同的小球放入 3 个不同的盒子,共有多少种不同的放法? 把 4 个不同的小球放入 3 个相同的盒子,共有多少种不同的放法? 把 4 个相同的小球放入 3 个不同的盒子,共有多少种不同的放法? 【解析】由于小球相同,盒子也相同,故小球数目的不同分组就对应不同的放法,小球数目分组 有 4+0+0 型、3+1
5、+0 型、2+2+0 型、2+1+1 型,故只有 4 种放法. (乘法原理)分 4 步,把小球一个一个地放入盒子,每一个小球都有 3 种放法,由乘法原理,共 有 4 381种放法. (先分组后分配)先将小球分为三组,有 4+0+0 型、3+1+0 型、2+2+0 型、2+1+1 型,由于小球 不同,共 22211 431 42421 441 2!2! C CC C C CC C 种分组方法,再将三组小球分配到三个盒子,由于盒子相同,故 都只有 1 种方案,故共有 22211 431 42421 441 114 2!2! C CC C C CC C 种放法. 法 1: (先分组后分配)先将小球分
6、为三组,有 4+0+0 型、3+1+0 型、2+2+0 型、2+1+1 型,由于 小球相同,故各只有 1 种分组方法;再将三组小球分配到三个盒子,由于盒子不同,故有 1311 3333 111115AAAA 种放法. 法 2: (隔板法)由于小球相同,可将问题等价转化为“把 7 个相同的小球放入 3 个不同的盒子,要 求每个盒子至少一个(即都不空) ,共有多少种不同的放法?”采用隔板法,只需在 7 个小球形成的 6 个空当中插入 2 个隔板,就能将其分成不空的三段,故有 2 6 15C 种放法. 【点拨】小球入盒是排列组合的典型问题,与之相关的有名额分配、人员分配等问题,形式多样.经 过以上分
7、析,解答小球入盒问题的最有效、最易于操作的方法是“先分组后分配” ,即先将元素分组、 再分配到位置.分组时应注意平均分组与非平均分组的区别. 【备选例题 1】6 本不 同的书全部送给 5 人,有多少种不同的送书方法? 6 本不 同的书全部送给 5 人,每人至少 1 本,有多少种不同的送书方法? 5 本不 同的书全部送给 6 人,每人至多 1 本,有多少种不同的送书方法? 5 本相 同的书全部送给 6 人,每人至多 1 本,有多少种不同的送书方法? 【例 2】 (涂色问题)建造一个花圃,花圃分为 6 个部分(如图) , 现要栽种 4 种不同颜色的花,每部分栽种一种且相邻部分不能栽种同样 颜色的花
8、,不同的栽种方法是多少? 【解析】 法 1:按区域 123456 的顺序栽花,显然 1 区有 4 种,2 区 3 种,3 区 2 种, 如果 4 区与 2 区同色,则 4 区 1 种,5 区 2 种,6 区 1 种,这样全部花圃的栽种方法数是 432 121=48 种; 如果 4 区与 2 区异色,则 4 区有 1 种,当 5 区与 2 区同色时,5 区 1 种,6 区 2 种;当 5 区与 2 区异 色时,5 区 1 种,6 区 1 种,这样全部栽种方法数是 432112+432111=72 种; 由分类计数原理知,共有 48+72=120 种栽种方法.本题也可按其他区域顺序涂色. 法 2:
9、先将 6 个区域分成 4 组,通过列举,6 个区域分成 4 组的方案有 5 种,如下表: 第一组第二组第三组第四组 分组方案 11 区2 区3 区、5 区4 区、6 区 分组方案 21 区2 区、5 区3 区、6 区4 区 分组方案 31 区2 区、5 区3 区4 区、6 区 分组方案 41 区2 区、4 区3 区、5 区6 区 分组方案 51 区2 区、4 区3 区、6 区5 区 再将每一组栽一种颜色的花,有 4 4 A种栽法,故整个花圃不同的栽种方法有 4 4 5120A 种. 【点拨】方法 1 步步为营,碰到问题、解决问题,不明确就讨论.方法 2 则抓住了问题的主要矛盾, 采用整体分组,
10、顺利解决问题. 【备选例题 2】如右图 A、B、C、D 为海上的四个小岛,要建三座桥,将这 四个岛连接起来,不同的建桥方案有种. 【例 3】 (枚举法也能制胜) 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() A720B480C224D20 【解析】 法 1:把有 3 枪连在一起命中的情况看成一个整体,则它与另一命中的一枪不能再相邻,故可用“插 空法” 首先, 对没有命中的 4 枪进行排序, 因其地位平等, 只有一种排法, 然后插入命中的情况, 有 2 5 20A 种,故选 D 法 2:枚举法 若第 1,2,3 枪连中,则另一枪命中的应处于第 5,6,7
11、,8 枪的位置,有 4 种情况; 若第 2,3,4 枪连中,则另一枪命中的应处于第 6,7,8 枪的位置,有 3 种情况; 若第 3,4,5 枪连中,则另一枪命中的应处于第 1,7,8 枪的位置,有 3 种情况; 若第 4,5,6 枪连中,则另一枪命中的应处于第 1,2,8 枪的位置,有 3 种情况; 若第 5,6,7 枪连中,则另一枪命中的应处于第 1,2,3 枪的位置,有 3 种情况; 若第 6,7,8 枪连中,则另一枪命中的应处于第 1,2,3,4 的位置,有 4 种情况 故共有 43333420 种情形出现 【点拨】本题法 1 对“恰有 3 枪连在一起”的处理是捆绑法、插空法,简洁明了
12、,但思维要求较高; 事实上,排列组合问题,限制条件越多,总数必然越少,正因如此,法 2 单刀直入,采用枚举法,出奇 制胜,也值得提倡,近年来许多高考题都是如此. 【备选例题 3】在一块并排 10 垄的田地中,选择 2 垄分别种植 A、B 两种作物,每种作物种植一垄, 为有利于作物生长,要求 A、B 两种作物的间隔不小于 6 垄,则不同的选垄方法共有多少种? 考点 2:二项式定理的应用 二项式定理的应用包括: 正用: 利用通项公式 1 (0,1,2, ) rn rr rn TC ab rn 求二项式展开式中的指定项、 指定项的系数 (或 二项式系数) 、待定二项式中的某些参数,这是二项式定理最主
13、要的应用; 逆用:化简完全符合(或基本符合)二项式展开式特征的多项式; 变用:求近似值、证明整除问题、结合放缩法证明不等式(2001 年全国高考压轴题) ; 引申用:用赋值法求二项式展开式的系数和,并可引申到一般多项式,并与导数综合; 研究性应用:研究“杨辉三角”或其它数表的规律(参见 2003 年北京高考题压轴题). 【例 4】已知 n xx 223 )(的展开式的系数和比 n x) 13(的展开式的系数和大 992,求 n x x 2 ) 1 2(的展开 式中:二项式系数最大的项;系数的绝对值最大的项. 【解析】由题意992222 nn ,解得5n. 10 ) 1 2( x x 的展开式中
14、第 6 项的二项式系数最大,即8064) 1 ()2( 555 10156 x xCTT. rrrrrrr r xC x xCT 21010 10 10 101 2) 1() 1 ()2( ,假定第1r项的系数的绝对值最大,则: 1101 10 10 10 1101 10 10 10 22 22 rrrr rrrr CC CC ,得 1 1010 1 1010 2 2 rr rr CC CC ,即 rr rr 10) 1(2 211 , 3 11 3 8 r,3r,故系数的绝对值最大的是第 4 项. 【点拨】二项式定理及其展开式的性质(可查阅教材) ,必须熟练掌握,本例属“正用”. 【备选例题
15、 4】若 21n xm 与 2 1 n mx,0nN m的展开式中含 n x项的系数相等,则实数m取 值范围是 【例 5】化简 n n n nn CCC2421 21 ; 化简) 1(5) 1(10) 1(10) 1(5) 1( 2345 xxxxx. 【解析】原式123 n n ;原式 55 (1) 111xx . 【点拨】本例属“逆用” ,其中完全符合二项式展开式特征,则基本符合,需要先添 1、再减 1. 若“正用”二项式定理,本题亦可求解,但过程较繁. 【备用例题 5】化简 n n nn n n n n n CxCxCxC) 1( 22110 . 【例 6】已知 1234f xx xxx
16、x,则 0 f . 【解析】 法 1: 0 f 就是 1234f xx xxxx展开式中x项的系数24,故 024 f . 法 2: 0 0 0lim x fxf f x 0 12340 lim x xxxxx x 0 lim1234123424 x xxxx . 【点拨】二项式引伸到多项式以后,可以与多项式导数(选修)进行综合,十分切合高考趋向. 本题两个解法中,方法 1 是“通法”,方法 2 是“特法”,其它题目不一定适用. 【备用例题 6】已知 1234f xxxxx,若 g xfx,则 0 g . 考点 3:概率的计算 1、高考主要考查以下几种概率的计算: 概率类型前提公式 等可能事件
17、的概率等可能性 m P A n ,排列组合是基本功 互斥事件有一个发生的概率 互斥事件 (含对立事件) P ABP AP B, 1P AP A 可推广到多个事件 相互独立事件同时发生的概率相互独立事件 P ABP AP B,可推广到多个事件 n次独立重复试验中恰好发生独立、 重复、 恰好k次 1 n k kk nn P kC pp k次的概率 2、将复杂(未知)事件转化、分解为简单(已知)事件,这是概率计算的一个奠基性、具有全局意 义的工作,常见于电路接通问题,两个事件,A B的常见情形有(读者可将此表推至三个事件情形) 复杂事件的意义,A B互斥,A B相互独立 ,A B都发生0 P A P
18、 B ,A B至少有一个发生 P AP B 1P A P B ,A B恰有一个发生 P AP B P A P BP A P B ,A B至多有一个发生1 1P A P B ,A B都不发生 1P AP B P A P B 3、等可能事件的概率中,基本事件数目的计算可以分化得细致一点或粗略一点,这样虽然形式上有 所差别,结果往往是一样的,通常有这样一些不同考虑: “整体考虑或局部考虑” 、 “元素可辨或不可 辨” 、 “元素放回或不放回” 、 “元素有序或无序”. (参见例 7 及其备选例题) 4、重视几种概率类型的混合,注意概率加法、加法、乘法的混合运算,适当注意概率类型的突破. (参见例 8
19、 及其备选例题) 5、准确理解文字(生活)语言,如“至少” 、 “至多” 、 “都” 、 “不都” 、 “都不” 、 “恰有几个” 、 “有 几个” , “只有第几次” 、 “第几次” , “直到第几次”等等,然后等价转化为数学(概率)语言,并注意表 述规范. (参见例 9 及其备选例题) 【例 7】将 9 支亚洲足球队任意平均分为 3 组,求中、韩两队恰好分在同一组的概率. 【解析】本题是等可能事件的概率.记“中、韩两队恰好分在同一组的概率”为 P A, 法 1: (整体考虑)对 9 支球队详细分组,得 133 763 333 963 /2!1 /3!4 C C C P A C C C .
20、法 2: (局部考虑)仅考虑中国队占得任意一个席位,韩国队等可能地占得其他 8 个席位中的任意 一个,要中、韩两队同组,则韩国队只能占得中国队所在小组的另两个席位中的任意一个,故有 21 84 P A . 【点拨】 本题 “整体考虑”不如 “局部考虑” 简单, 很容易将问题推广为:kn个队任意平均分为k组, 每组n队,则两个强队(或冤队)恰好分在同一组的概率 1 1 n P kn . 【备选例题 7】甲、乙、丙、丁 4 人分乘 2 辆车,每车 2 人,求甲、乙同车的概率. 在中国象棋的棋盘上任意地放上一只红“车”及一只黑 “车” ,求它们正好可以相互“吃掉”的 概率. 现有 n 个同学随机围成
21、一圈,求其中甲、乙相邻的概率. 【例 8】一个口袋里共有 2 个红球和 8 个黄球,从中随机地连续取三个球,每次取一个,记恰有 一个红球为事件 A, 第三个球是红球为事件 B,在下面两种情况下分别求事件 A、B 的概率. 返回抽样;不返回抽样. 【解析】返回抽样 法 1:看作等可能事件的概率, 112 32 3 848 10125 C C P A , 21 2 3 101 105 C P B . 法 2:看作互斥事件和的概率, P(A)=P(红黄黄)+P(黄红黄)+P(黄黄红)= 111111111 288828882 333 48 101010125 C C CC C CC C C . P(
22、B)=P(红红红)+P(红黄红)+P(黄红红)+P(黄黄红) = 111111111111 282822882222 3333 1 101010105 C C CC C CC C CC C C . 法 3:返回抽样可以看作相互独立事件、独立重复试验, 12 33 2848 1() 10 10125 P APC. 第三个球是红球 ,与第一次、第二次无关,故 21 105 P B . 不返回抽样 法 1:看作等可能事件的概率, 211 823 3 10 7 ( ) 15 A C C P A A , 21 92 3 10 1 ( ) 5 A C P B A . 法 2:看作互斥事件和的概率, P(A
23、)=P(红黄黄)+P(黄红黄)+P(黄黄红)= 122121 288282 333 101010 7 15 C AA CA C AAA . P(B)=P(黄红红)+P(红黄红)+P(黄黄红)= 122121 822882 333 101010 1 5 C AA CA C AAA . 法 3:不返回抽样不是相互独立事件、独立重复试验,但由“分步” 的思想可得 P(A)=P(红黄黄)+P(黄红黄)+P(黄黄红) 2878728727 10981098109815 . P(B)=P(黄红红)+P(红黄红)+P(黄黄红) 8212818721 1098109810985 . 【点拨】返回抽样是独立重复
24、试验,不返回抽样则不是; 本题用加号连接的的事件固然互斥,但用乘号连接的的事件并非相互独立,这已经突破了教材. 事实上,概率的加法蕴含的是分类思想、概率的乘法蕴含的是分步思想; 一个重要结论:不论返回抽样还是不返回抽样, “第三次抽到红球的概率”只与红球所占的比例 5 1 有关,与第几次抽到红球无关,这一点还可以推广到摸奖、抽签等问题. 【备选例题 8】某种电路开关闭合后,会出现红灯或绿灯闪动,已知开关第一次闭合后,出现红灯 和绿灯的概率都是 1 2 ,从开关第二次闭合起,若前次出现红灯,则下一次出现红灯的概率是 1 3 ,出现绿 灯的概率是 2 3 ,若前次出现绿灯,则下一次出现红灯的概率是
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