计算将球以偶数分配到三个盒子的方法数

n个相同的球的情况

n个相同的球放入3个不同的盒子中。若限定每个盒子中的球数只能为偶数,试求放球方案数P_n

解:

考虑盒子的数量和球的数量的关系。要使每个盒子中的球数量为偶数,首先n必须是偶数,否则方案数P_n为零。我们设n=2m,其中m为整数。

将问题转化为一个生成函数的问题。生成函数的方法在组合数学中常用于解决此类分配问题。

考虑生成函数:

f(x) = (1+x^2+x^4+x^6+ \cdots)^3

这是因为每个盒子中的球数必须为偶数,所以每个盒子的生成函数为1+x^2 +x^4+x^6+\cdots,对于3个不同的盒子,这个生成函数的立方即为:

f(x)= \left(\frac{1}{1-x^2}\right)^3 = \frac{1}{(1-x^2)^3}

我们需要找到这个生成函数的x^{2m}项的系数,因为我们设n=2m。将生成函数展开成幂级数:\frac{1}{(1-x^2)^3}=\sum_{k=0}^{\infty}\binom{k+2}{2}x^{2k}

其中,\binom{k+2}{2}是二项式系数,表示从k+2中选2的组合数。因此,系数x^{2m}\binom{m+2}{2}

所以,方案数P_n就是:P_n=\binom{m+2}{2}

m代回n=2m中,即m=\frac{n}{2},最终得到:P_n=\binom{\frac{n}{2} + 2}{2}

因此,将n个相同的球放入3个不同的盒子中,且每个盒子中的球数为偶数的方案数P_n为:P_n =\binom{\frac{n}{2}+ 2}{2}

这一结论适用于n为偶数的情况,当n为奇数时,方案数P_n为零。

n个不同的球的情况

n个不同的球放入3个不同的盒子中。若限定每个盒子中的球数只能为偶数,试求放球方案数P_n

解:
一、当n 为奇数时:

由于要求每个盒子中的球数只能为偶数,所以当n为奇数时,无法满足条件,放球方案数为P_n=0

二、当n为偶数时:

n=2m,其中m为整数。

我们要将这些球放入3个盒子中,每个盒子中的球数都为偶数。设三个盒子中分别放2a2b2c 个球,其中abc均为非负整数且a+b+c=m

我们需要计算满足上述条件的方案数。

1.计算非负整数解的数量:

由于a+b+c=m,非负整数解的数量为\binom{m + 2}{2}

2.每种分配方法下的具体分配方式:

对于每个盒子中的球数,我们需要从2m个球里选出2a个球,然后再从剩下的球里选出2b个球,剩下的2c个球自动分配到第三个盒子里。因此,具体的分配方式数为组合数的乘积:

\binom{2m}{2a} \times \binom{2m-2a}{2b} \times \binom{2m-2a-2b}{2c}

由于c=m-a-b,我们可以化简为:

\binom{2m}{2a} \times \binom{2m-2a}{2b}

综上,将这些组合数累加起来,我们得到:

P_{2m}=\sum_{a=0}^{m}\sum_{b=0}^{m-a}\binom{2m}{2a}\binom{2m-2a}{2b}

结论

  • n 为奇数时,P_n=0
  • n为偶数时,设n=2m,则放球方案数为:P_{2m}= \sum_{a=0}^{m}\sum_{b=0}^{m-a}\binom{2m}{2a} \binom{2m-2a}{2b}
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