第一讲 乘法原理

卷Ⅰ

本讲的三个教学要点：

使学生掌握乘法原理主要内容；

掌握乘法原理运用的方法；

培养学生准确分解步骤的解题能力.

乘法原理的数学思想主旨在于分步考虑问题，本讲的目的也是为了培养学生分步考虑问题的习惯.

（一）简单乘法原理应用

【例1】（★★★★）在右图中，一只甲虫要从A点沿着线段爬到B点，要求任何点不得重复经过.问：这只甲虫最多各有几种不同走法?

分析：从A点到C点一共有3种走法，从C点到D点一共也有3种走法，从D点到B点一共也有3种走法，根据乘法原理一共有3×3×3=27种走法.

[拓展] （★★★）在右图中，一只甲虫要从A点沿着线段爬到B点，要求任何点不得重复经过.问：这只甲虫最多各有几种不同走法?

分析：解这道题时千万不要受原来那道题的影响，A到C的地走法不是3条而是4条所以这只甲虫最多有4×4=16种走法.

【例2】（★★★★）有三组：（1）1，2，3；（2）0.5，1.5，2.5，3.5；（3）4，5，6.如果从每组数中各取出一个数相乘，那么所有不同取法的三个数乘积的总和是多少？

分析：将式子（1+2+3）×（0.5+1.5+2.5+3.5）×（4+5+6）用乘法分配律展开所得的3×4×3=36个加项即为36种不同取法的三个数的乘式，所以（1+2+3）×（0.5+1.5+2.5+3.5）×（4+5+6）的值即为不同取法的三个数乘积的总和为720.

【例3】（★★★★）从1到2004这2004个正整数中，共有 个数与四位数8866相加时，至少发生一次进位．

分析：考虑不进位的情况． 9999－8866=1133．千位百位各有0，1两种选法，十位、个位各有0，1，2，3四种选法，因为0000不是正整数，所以不进位的数有 2×2×4×4－1=63(个)．至少发生一次进位的数有 2004－63=1941(个)．

[前铺]10到99这90个数中，与66相加不产生进位的数有多少个？

分析：十位、个位上不产生进位，要求十位上、个位上的数字不超过3，这样十位的数可以取值1、2、3上，个位上的数可以取值0、1、2、3，所以与66相加不产生进位的数有3×4=12个.

（二）较复杂的乘法原理应用

【例4】（★★★★）如图，一张地图上有五个国家A，B，C，D，E，现在要求用四种不同的颜色区分不同国家，要求相邻的国家不能使用同一种颜色，不同的国家可以使用同—种颜色，那么这幅地图有多少着色方法？

分析：第一步，给A国上色，可以任选颜色，有四种选择；

第二步，给B国上色，B国不能使用A国的颜色，有三种选择；

第三步，给C国上色，C国与B，A两国相邻，所以不能使用A，B国的颜色，只有两种选择；

第四步，给D国上色，D国与B，C两国相邻，因此也只有两种选择；

第五步，给E国上色，E国与C，D两国相邻，有两种选择．

共有4×3×2×2×2=96种着色方法．

[拓展1] 如图，有一张地图上有五个国家，现在要用四种颜色对这一幅地图进行染色，使相邻的国家所染的颜色不同，不相邻的国家的颜色可以相同.那么一共可以有多少种染色方法？

分析：这一道题实际上就是例题，因为两幅图各个字母所代表的国家的相邻国家是相同的，如果将本题中的地图边界进行直角化就会转化为原题，所以对这幅地图染色同样一共有4×3×2×2×2=96种方法.

讨论:如果染色步骤为C-A-B-D-E,那么应该该如何解答？答案：也是4×3×2×2×2=96种方法.

如果染色步骤为C-A-D-B-E那么应该如何解答？答案：染色的前两步一共有4×3种方法，但染第三步时需要分类讨论，如果D与A颜色相同，那么B有2种染法，E也有2种方法，如果D与A染不同的颜色，那么D有2种染法那么B只有一种染法，E有2种染法，所以一共应该有4×3×（1×2×2+2×1×2）=96种方法，（教师应该向学生说明第三个步骤用到了分类讨论和加法原理，加法原理在下一讲中将会讲授)，染色步骤选择的经验方法：每一步骤所染的区块应该尽量和之前所染的区块相邻.

[拓展2]如图：将一张纸作如下操作，一、用横线将纸划为相等的两块，二、用竖线将下边的区块划为相等的两块，三、用横线将最右下方的区块分为相等的两块，四、用竖线将最右下方的区块划为相等的两块……，如此进行8步操作，问：如果用四种颜色对这一图形进行染色，要求相邻区块颜色不同，应该有多少种不同的染色方法？

分析：对这张纸的操作一共进行了8次，每次操作都增加了一个区块，所以8次操作后一共有9个区块，我们对这张纸，进行染色就需要9个步骤，从最大的区块从大到小开始染色，每个步骤地染色方法有：4、3、2、2、2……，所以一共有：4×3×2×2×2×2×2×2×2=1536.

【例5】（★★★）右图中共有16个方格，要把A、B、C、D四个不同的棋子放在方格里，并使每行每列只能出现一个棋子．问：共有多少种不同的放法?

分析：由于四个棋子要一个一个地放入方格内，故可看成是分四步完成这件事．第一步放棋子A，A可以放在16个方格中的任意一个中，故有16种不同的放法；第二步放棋子B，由于A已放定，那么放A的那一行和一列中的其他方格内也不能放B，故还剩下9个方格可以放B，B有9种放法；第三步放C，再去掉B所在的行和列的方格，还剩下四个方格可以放C，C有4种放法；最后一步放D，再去掉C所在的行和列的方格，只剩下一个方格可以放D，D有1种放法．由乘法原理，共有16×9×4×1=576种不同的放法．

[前铺]:国际象棋棋盘是8×8的方格网，下棋的双方各有16个棋子位于16个区格中，国际象棋中的“车”同中国象棋中的“车”一样都可以将位于同一条横行或竖行的对方棋子吃掉，如果棋局进行到某一时刻，下棋的双方都只剩下一个“车”，那么这两个“车”位置有多少种情况？

分析：对于如果只有一只“车”的情况，它可以有64种摆放位置，如果在棋盘中再加入一个“车”，那么它不能在原来那个“车”的同行或同列出现，他只能出现在其他七行七列，所以它只有7×7=49中摆放，所以这两个“车”的摆放位置有64×49=3136种方法.

【例6】（★★★★）有10粒糖，每天至少吃一粒，吃完为止，共有多少种不同的吃法？

分析：可以将10粒糖如下图所示排成一排，这样每两颗之间共有9个空，从头开始吃，若相邻两块糖是分在两天吃的，就在其间画一条竖线隔开表示之前的糖和之后的糖不是在同一天吃掉的，不同的竖线插入方式代表不同的吃法，所以只需要求出有多少种竖线插入式.

○○|○|○○○|○○○|○

由于每个空都有画线与不画线两种可能(相当于每吃完一粒考虑今天还吃不吃)，根据乘法原理，则不同的吃法共有29=512（种）.

[拓展]有10粒糖，分三天吃完，每天至少吃一粒，共有多少种不同的吃法？

分析：如图：○○|○○○○|○○○○，将10粒糖如下图所示排成一排，这样每两颗之间共有9个空，从头开始吃，若相邻两块糖是分在两天吃的，就在其间画一条竖线隔开表示之前的糖和之后的糖不是在同一天吃掉的，九个空中画两条竖线，一共有9×8÷2=36种方法.（注意这里用到了组和的方法）

卷Ⅱ

（三）乘法原理在排列组合中的应用

【例7】（★★★★）书架上有4本不同的漫画书，5本不同的童话书，3本不同的故事书，全部竖起排成一排，如果同类型的书不要分开，一共有多少种排法？如果只要求童话书和漫画书不要分开有多少种排法？

分析：（1）每种书内部任意排序，分别有4×3×2×1，5×4×3×2×1，3×2×1种排法，然后再排三种类型的顺序，有3×2×1种排法，整个过程分4步完成.4×3×2×1×5×4×3×2×1×3×2×1×3×2×1=103680（种）一共有103680种不同排法.

（2）方法一：首先将漫画书和童话书全排列，分别有4×3×2×1=24、5×4×3×2×1=120种排法，然后将漫画书和童话书捆绑看成一摞，再和3本故事书一起全排列，一共有5×4×3×2×1=120种排法，所以一共有24×120×120=345600种排法.

方法二：首先将三种书都全排列，分别有24、120、6种排法，然后将排好了顺序的漫画书和童话书，整摞得先后插到故事书中，插漫画书时有4个地方可以插，插童话书时就有5个地方可插，所以一共有24×120×6×5×4=345600种排法.

[前铺]小明有6本不同的课外书，把他们按顺序放在书架上有多少种排法？如果借出去两本剩下的情况有多少种？

分析：（1）6本书的全排列：6！=720种，6本书中取4本排列：6×5×4×3=360种.

【例8】（★★★★） 用0，1，2，3，4这5个数字，组成各位数字互不相同的四位数，例如1023，2341等，求全体这样的四位数之和．

分析:先求出5个数字共能组成多少个符合条件的数,分为4步,第一步确定千位数一共有4种选择,然后确定百位,有4种选择,确定十位数有3种选择,确定个位数有2种选择.一共有4×4×3×2=96种选择.

这96种选择中,千位数字出现1、2、3、4的次数都是24次，百位、十位、个位出现的次数为18次(0出现24次).所以全体这样的四位数和为(1+2+3+4) ×24×1000+(1+2+3+4) ×18×(100+10+1)=259980

[前铺] 用1，2，3，4这4个数字，组成各位数字互不相同的三位数，例如123，231等，求全体这样的三位数之和．

分析：先求出这4个数字共能组成多少个各位数字互不相同的三位数，分为4步，第一步确定百位数一共有4种选择，确定十位，有3种选择，确定个位数有2种选择，所以一共有24个符合条件的数，其中百位数字是1的有3×2×1=6个，同理、百位数字是2、3、4的也有6个，所以各个数百位数字之和为

6×（1+2+3+4）=60，同理各个数十位数字之和为60，各个数个位数字之和为60，所以，这些数的总和为：60×100+60×10+60×1=6660.

【例9】（★★★★★）四对夫妇围一圆桌吃饭，要求每对夫妇两人都要相邻，那么一共有多少安排座位的方法？（如果某种排法可以通过旋转得到另一种排法，那么这两种排法算作同一种.）

分析：方法一：事实上如果没有括号中的条件，那么所得的答案是原题答案的八分之一，因为符合原题的所有不同排法都通过旋转可以得到8种各不相同的安排方法.所以我们可以先求出改掉括号中条件的题目答案，

对于改编后的题，显然所有的安排方法分为两大类，如右图所示，每个椭圆中是一对，对于其中的一类，例如右图，第一步，确定1号位的人选：8种，那么2号位只能是他（她）的妻子（丈夫）；第二步确定3号位的人选：6种，那么4号位只能是坐3号位的妻子或丈夫……，如此，对于右图可以有8×6×4×2=384种排法，同理左图也有384种排法，一共是768种排法.那么对于有括号中条件的题目一共有768÷8=96种排法.

方法二：由于括号中的条件让我们很为难，对于一种新的排法，我们还要将它旋转，看它是否和之前的排法是否相同，当然我们也可以将所有排法都转到一个特殊的角度，以判断这些排法是否有相同的，所以我们可以定义一个特殊角度：先将四对夫妇编号，然后规定对于每一种排法1号夫妇面南坐是它的特殊角度，那么如果两中排法都转到特殊角度后，还不完全一样，那么这两种排法就无论如何也不能通过旋转得到相同的排法，所以我们只要求出特殊角度下的不同排法数，第一步先将4对夫妻的整体位置安排好，当然1号夫妻已经排好了，安排另3对夫妻一共有3×2×1=6种排法，如图所示：

对于以上每一种排法，夫妻之间都可以交换位置，所以一共有6×2×2×2×2=96种排法.

[拓展]3个3口之家在一起举行家庭宴会，围一桌吃饭，要求一家人不可以被拆开，那么一共有多少种排法？（如果某种排法可以通过旋转得到另一种排法，那么这两种排法算作同一种.）

分析：使用原题的方法二更方便：共（2×1）×（3×2×1）×（3×2×1）×（3×2×1）=432种

【例10】（★★★★）从10名男乒乓球运动员，10名女乒乓球运动员中选派运动员组成代表队去参加男女混合双打比赛，要求选派6人（男女各3），组成3个搭配，那么一共有多少种选派方法？

分析：方法一：首先从10名男选手中选出3人（组合），一共有10×9×8÷（3×2×1）=120种，然后从10名女乒乓球运动员挑3人与之对应（排列）,一共有10×9×8=720种，所以一共有120×720=86400种.

方法二：先将6人挑出来一共是14400种，然后对这六人搭配，一共3×2×1=6种，所以一共有86400种.

[前铺]从10名男乒乓球运动员，10名女乒乓球运动员中选派6名运动员组成代表队去参加比赛，要求男女运动员各3名，那么一共有多少种选派方法？

分析：第一步：在男运动员中先选一名有10种方法.

第二步：在剩下的男生中再选一名有9种方法，

第三步：在剩下的男生中再选一名有8种方法，

男生中选三人一共有10×9×8=720种方法，需要注意的是，每一种方法，例如，甲乙丙三人的组合，被统计了3×2×1=6次，分别是甲乙丙、甲丙乙，乙丙甲、乙甲丙、丙甲乙、丙乙甲，所以实际有720÷6=120种方法，同理在女生中选取三人一共有120种.

所以一共有120×120=14400种选派方法.

【例11】（★★★★）用1，2，3，4，5这5个数字组成四位数，至多允许有一个数字重复两次，例如1234和2454是满足条件的，而1212，3335和4444就是不满足条件的，那么满足条件的四位数共有多少个？

分析：至多允许有一个数字重复两次的四位数即是由至少3个不同数字组成的四位数.

这5个数字组成的四位数共有5×5×5×5=625个，其中由一个数字组成的有5个，包含指定两个数字四位数有2×2×2×2-2=14个，共有5×4÷（2×1）=10种指定方法，所以一共有140个四位数包含两个数字.

剩下的四位数都满足条件一共有共有625-5-140=480个.(其中涉及到一点加法原理和排除法)

【例12】（★★★★★仁华试题）一台晚会上有6个演唱节目和4个舞蹈节目．问：

(1)如果4个舞蹈节目要排在一起，有多少种不同的安排顺序?

(2)如果要求每两个舞蹈节目之间至少安排一个演唱节目，一共有多少种不同的安排顺序?

分析：(1)将4个舞蹈节目视为1个节目，七个节目一起排列一共有7×6×5×4×3×2×1=5040个，但舞蹈节目还有4×3×2×1=24种排列.所以一共有5040×24=120960种.

(2)优先安排将6个演唱节目顺序，一共有6×5×4×3×2×1=720种方法，然后将安排4个舞蹈节目顺序一共有4×3×2×1=24种排列，最后将舞蹈节目按顺序安插到6个演唱节目前后不同位置，包括首尾一共有6+1=7个位置可供4个舞蹈节目安插，共有7×6×5×4÷（4×3×2×1）=35个安插方式，所以一共有720×24×35=60480种排列方式.

本讲介绍了对于分步解决问题所用到的乘法原理，下一讲加法原理中我们将重点介绍对于同一步骤不同类方法的计数原理.

1. （★★例10）10个人围成一圈，从中选出三个人，其中恰有两人相邻，共有多少种不同选法？

分析：两人相邻的情况有10种，第三个人不能与他们相邻，所以对于每一种来说，只剩6个人可选，10×6=60（种）共有60种不同的选法.

2. （★★例3）在21世纪中，有些年的年份数是由4个不相同的数字组成的，这样的年份共有 个．

分析：符合要求的年份形如20xy，其中x有8种不同选法，y有7种不同选法，所以有56个四位数满足题目要求．

3. （★★★）世界杯小组赛一般由4个球队进行单循环赛，如何安排这四个球队先后比赛次序，有几种方法？

分析：小组赛一共要赛4×3÷2=6场，排列这六场赛事一共有6×5×4×3×2×1=720种.

4. （★★★★例11） 用1，2，3，4这4个数字，组成各位数字互不相同的二位数，例如13，24等，求全体这样的二位数之和．

分析:先求出2个数字共能组成多少个符合条件的数,分为2步,第一步确定十位数有4种选择,确定个位数有3种选择.一共有4×3=12种选择.

这12种选择中,十位或个位出现1、2、3、4的次数都是3次，所以全体这样的二位数和为(1+2+3+4) ×3×(10+1)=330.

5. （★★★）从一个班级10名优秀学生中选出5人组成班委，5人中再选出班长，一共有多少种方法？

分析：第一步，先把班长选出来，一共有10种选法，

第二步，在其余9人中选出4人一共有9×8×7×6÷（4×3×2×1）=126种选法.

所以一共有10×126=1260种选法.

二进制记数法的光辉第一次是闪现在中国的一部古书《周易》中.

　　传说在远古时代，伏羲为天下王，他向外探求大自然的奥秘，向内省视自己的内心，终于推演出了太极八卦图.太极八卦图中心是由两条黑白相间、首尾相顾的鱼形成的一个圆圈，四周还围着结构奇特的八组图符，每组都含有三个或断或连的线段.这八组图符便是著名的八卦图，古人曾解释说：“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦.”再进一步，若把八卦两两组合，就会生成六十四卦.

据学者考察，德国数学家莱布尼兹（1616－1703）看到“伏羲六十四卦方位图”后，从中领悟出了阴爻“－－”代表“0”，阳爻“—”代表“1”，从而完善、撰写了《二进制数字算术》一书，他意味深长地说，自己不过是重新发现了中国古代数学中的秘密而已.

古老的太极八卦图竟与现代数学上的二进制有着如此神秘的联系.