本文題目：高三數學教案：排列
內容提要:本文把常見的排列問題歸納成三種典型問題，並在排列的一般規定性下，對每一種型別的問題通過典型例題歸納出相應的解決方案，並附以近年的大學聯考原題及解析,使我們對排列問題的認識更深入本質,對排列問題的解決更有章法可尋.
關鍵詞: 特殊優先,大元素，捆綁法,插空法,等機率法
排列問題的應用題是學生學習的難點，也是大學聯考的必考內容,筆者在教學中嘗試將排列
問題歸納為三種類型來解決：
下面就每一種題型結合例題總結其特點和解法，並附以近年的大學聯考原題供讀者參研.
一. 能排不能排排列問題(即特殊元素在特殊位置上有特別要求的排列問題)
解決此類問題的關鍵是特殊元素或特殊位置優先.或使用間接法.
例1.(1)7位同學站成一排，其中甲站在中間的位置，共有多少種不同的排法?
(2)7位同學站成一排，甲、乙只能站在兩端的排法共有多少種?
(3)7位同學站成一排，甲、乙不能站在排頭和排尾的排法共有多少種?
(4)7位同學站成一排，其中甲不能在排頭、乙不能站排尾的排法共有多少種?
解析:(1)先考慮甲站在中間有1種方法，再在餘下的6個位置排另外6位同學，共 種方法;
(2)先考慮甲、乙站在兩端的排法有 種，再在餘下的5個位置排另外5位同學的排法有 種，共 種方法;
(3) 先考慮在除兩端外的5個位置選2個安排甲、乙有 種，再在餘下的5個位置排另外5位同學排法有 種，共 種方法;本題也可考慮特殊位置優先,即兩端的排法有 ,中間5個位置有 種，共 種方法;
(4)分兩類乙站在排頭和乙不站在排頭，乙站在排頭的排法共有 種，乙不站在排頭的排法總數為：先在除甲、乙外的5人中選1人安排在排頭的方法有 種，中間5個位置選1個安排乙的方法有 ，再在餘下的5個位置排另外5位同學的排法有 ，故共有 種方法;本題也可考慮間接法，總排法為 ，不符合條件的甲在排頭和乙站排尾的排法均為 ，但這兩種情況均包含了甲在排頭和乙站排尾的情況，故共有 種.
例2.某天課表共六節課，要排政治、語文、數學、物理、化學、體育共六門課程，如果第一節不排體育，最後一節不排數學，共有多少種不同的排課方法?
解法1：對特殊元素數學和體育進行分類解決
(1)數學、體育均不排在第一節和第六節，有 種，其他有 種，共有 種;
(2)數學排在第一節、體育排在第六節有一種，其他有 種，共有 種;
(3)數學排在第一節、體育不在第六節有 種，其他有 種，共有 種;
(4)數學不排在第一節、體育排在第六節有 種，其他有 種，共有 種;
所以符合條件的排法共有 種
解法2：對特殊位置第一節和第六節進行分類解決
(1)第一節和第六節均不排數學、體育有 種，其他有 種，共有 種;
(2)第一節排數學、第六節排體育有一種，其他有 種，共有 種;
(3)第一節排數學、第六節不排體育有 種，其他有 種，共有 種;
(4)第一節不排數學、第六節排體育有 種，其他有 種，共有 種;
所以符合條件的排法共有 種.
解法3：本題也可採用間接排除法解決
不考慮任何限制條件共有 種排法，不符合題目要求的排法有：(1)數學排在第六節有 種;(2)體育排在第一節有 種;考慮到這兩種情況均包含了數學排在第六節和體育排在第一節的情況 種所以符合條件的排法共有 種
附：1、(2005北京卷)五個工程隊承建某項工程的五個不同的子專案，每個工程隊承建1項，其中甲工程隊不能承建1號子專案，則不同的承建方案共有( )
(A) 種 (B) 種 (C) 種 (D) 種
解析：本題在解答時將五個不同的子專案理解為5個位置，五個工程隊相當於5個不同的元素，這時問題可歸結為能排不能排排列問題(即特殊元素在特殊位置上有特別要求的排列問題)，先排甲工程隊有 ，其它4個元素在4個位置上的排法為 種，總方案為 種.故選(B).
2、(2005全國卷Ⅱ)在由數字0，1，2，3，4，5所組成的沒有重複數字的四位數中，不能被5整除的數共有 個.
解析：本題在解答時只須考慮個位和千位這兩個特殊位置的限制，個位為1、2、3、4中的某一個有4種方法，千位在餘下的4個非0數中選擇也有4種方法，十位和百位方法數為 種，故方法總數為 種.
3、(2005福建卷)從6人中選出4人分別到巴黎、倫敦、悉尼、莫斯科四個城市遊覽，要求每個城市有一人遊覽，每人只遊覽一個城市，且這6人中甲、乙兩人不去巴黎遊覽，則不同的選擇方案共有 ( )
A.300種 B.240種 C.144種 D.96種
解析：本題在解答時只須考慮巴黎這個特殊位置的要求有4種方法，其他3個城市的排法看作標有這3個城市的3個簽在5個位置(5個人)中的排列有 種，故方法總數為 種.故選(B).
上述問題歸結為能排不能排排列問題，從特殊元素和特殊位置入手解決,抓住了問題的本質，使問題清晰明瞭，解決起來順暢自然.
二.相鄰不相鄰排列問題(即某兩或某些元素不能相鄰的排列問題)
相鄰排列問題一般採用大元素法,即將相鄰的元素捆綁作為一個元素，再與其他元素進行排列，解答時注意釋放大元素，也叫捆綁法.不相鄰排列問題(即某兩或某些元素不能相鄰的排列問題)一般採用插空法.
例3. 7位同學站成一排，
(1)甲、乙和丙三同學必須相鄰的排法共有多少種?
(2)甲、乙和丙三名同學都不能相鄰的排法共有多少種?
(3)甲、乙兩同學間恰好間隔2人的排法共有多少種?
解析：(1)第一步、將甲、乙和丙三人捆綁成一個大元素與另外4人的排列為 種，
第二步、釋放大元素，即甲、乙和丙在捆綁成的大元素內的`排法有 種，所以共 種;
(2)第一步、先排除甲、乙和丙之外4人共 種方法，第二步、甲、乙和丙三人排在4人排好後產生的5個空擋中的任何3個都符合要求，排法有 種，所以共有 種;(3)先排甲、乙，有 種排法，甲、乙兩人中間插入的2人是從其餘5人中選，有 種排法，將已經排好的4人當作一個大元素作為新人蔘加下一輪4人組的排列，有 種排法，所以總的排法共有 種.
附：1、(2005遼寧卷)用1、2、3、4、5、6、7、8組成沒有重複數字的八位數，要求1和2相鄰，3與4相鄰，5與6相鄰，而7與8不相鄰，這樣的八位數共有 個.(用數字作答)
解析：第一步、將1和2捆綁成一個大元素，3和4捆綁成一個大元素，5和6捆綁成一個大元素，第二步、排列這三個大元素，第三步、在這三個大元素排好後產生的4個空擋中的任何2個排列7和8，第四步、釋放每個大元素(即大元素內的每個小元素在捆綁成的大元素內部排列)，所以共有 個數.
2、 (2004. 重慶理)某校高三年級舉行一次演講賽共有10位同學參賽，其中一班有3位，
二班有2位，其它班有5位，若採用抽籤的方式確定他們的演講順序，則一班有3位同學恰
好被排在一起(指演講序號相連)，而二班的2位同學沒有被排在一起的概率為 ( )
A. B. C. D.
解析：符合要求的基本事件(排法)共有：第一步、將一班的3位同學捆綁成一個大元素，第二步、這個大元素與其它班的5位同學共6個元素的全排列，第三步、在這個大元素與其它班的5位同學共6個元素的全排列排好後產生的7個空擋中排列二班的2位同學，第四步、釋放一班的3位同學捆綁成的大元素，所以共有 個;而基本事件總數為 個，所以符合條件的概率為 .故選( B ).
3、(2003京春理)某班新年聯歡會原定的5個節目已排成節目單，開演前又增加了兩個新節目.如果將這兩個節目插入原節目單中，那麼不同插法的種數為( )
A.42 B.30 C.20 D.12
解析：分兩類：增加的兩個新節目不相鄰和相鄰，兩個新節目不相鄰採用插空法，在5個節目產生的6個空擋排列共有 種，將兩個新節目捆綁作為一個元素叉入5個節目產生的6個空擋中的一個位置，再釋放兩個新節目 捆綁成的大元素，共有 種，再將兩類方法數相加得42種方法.故選( A ).
三.機會均等排列問題(即某兩或某些元素按特定的方式或順序排列的排列問題)
解決機會均等排列問題通常是先對所有元素進行全排列,再借助等可能轉化，即乘以符合要求的某兩(或某些)元素按特定的方式或順序排列的排法佔它們(某兩(或某些)元素)全排列的比例，稱為等機率法或將特定順序的排列問題理解為組合問題加以解決.
例4、 7位同學站成一排.
(1)甲必須站在乙的左邊?
(2)甲、乙和丙三個同學由左到右排列?
解析：(1)7位同學站成一排總的排法共 種,包括甲、乙在內的7位同學排隊只有甲站在乙的左邊和甲站在乙的右邊兩類，它們的機會是均等的，故滿足要求的排法為 ，本題也可將特定順序的排列問題理解為組合問題加以解決，即先在7個位置中選出2個位置安排甲、乙, 由於甲在乙的左邊共有 種，再將其餘5人在餘下的5個位置排列有 種，得排法數為 種;
(2)參見(1)的分析得 (或 ).
本文通過較為清晰的脈絡把排列問題分為三種類型，使我們對排列問題有了比較系統的認識.但由於排列問題種類繁多，總會有些問題不能囊括其中，也一定存在許多不足,希望讀者能和我一起研究完善.
