並べ方の総数と階乗〜nPr はどこから出てくるのか
5 人を一列に並べる並べ方は 通りです。掛ける数が 1 つずつ減っていく。
この形の掛け算に階乗という名前が付いています。一部だけを並べるときの も、同じ掛け算を途中で止めたものにすぎない。
並べる操作を段に分ける
並べる作業は、先頭から順に人を決めていく作業だと見ます。段ごとに何通りあるかを数える。
5 人なら、先頭に立てるのは 5 人。先頭が決まると、2 番目に立てるのは残った 4 人です。
3 番目は 3 人、4 番目は 2 人、最後は 1 人しか残りません。段ごとの本数がそろっているので、掛け算でつながる。
図の空いた席に書いてある数が、その席に座れる人数です。埋まるたびに候補が 1 人ずつ減っていく。
階乗の定義
から までの整数をすべて掛けた値を、 の階乗といいます。記号は と書く[1]。
、、。 人を一列に並べる並べ方が、ちょうど 通りです[2]。
前の値から作る形でも書けます。
。この関係は、あとで を決めるときにも効いてきます。
0 の階乗を 1 とする理由
は 1 と決められています[3]。何も掛けていないのに 1 になるのは、はじめは奇妙に見える。
理由は 2 つあります。1 つは、並べるものが 0 個のときの並べ方が「何もしない」の 1 通りだから。
もう 1 つは、 を で成り立たせるため。 なので、 でなければ に合いません。
としてしまうと、階乗の関係式が壊れます。 となり、1 人の並べ方が 0 通りという結論になる。
組合せの公式でも分母に が現れるので、1 でないと式が定義できなくなる。
階乗はすぐに大きくなる
が少し増えるだけで、値は桁違いに増えます。

で 7 桁、 は 19 桁になります。トランプ 1 組の並べ方 は 68 桁。
大きな階乗をそのまま計算する場面は、高校ではほとんどありません。先に約分してから掛けます。
一部だけを並べる
人から 人を選んで並べる並べ方を と書きます。段ごとに 1 ずつ減る掛け算を、 段で止めた形です。
掛ける個数は 個。最後の因子が になるところを、よく間違えます。
階乗で書き直すと分数の形になります[4]。
分母の が、並べずに残した人たちの並べ方にあたる。それを割って消しています。
例:8 人から 3 人を選んで並べる
掛ける個数は 3 個。 から 1 つずつ下げる。
階乗の式でも確かめます。。同じ値です。
分数の形で計算するときは、 を最後まで展開してはいけません。 と約分して だけ残す。
例:全員を並べる場合と 0 人選ぶ場合
のとき、 になります。ここで が効いている。
のときは 。「1 人も並べない」という並べ方が 1 通りある、という約束です。
なら 。どれも定義から素直に出ます。
| 式 | 展開した形 | 値 |
|---|---|---|
| 5 から 2 個 | 5 かける 4 | 20 |
| 6 から 3 個 | 6 かける 5 かける 4 | 120 |
| 7 から 4 個 | 7 かける 6 かける 5 かける 4 | 840 |
| 10 から 3 個 | 10 かける 9 かける 8 | 720 |
例:数字カードで 3 桁の整数
1、2、3、4、5 のカードから 3 枚を選んで 3 桁の整数を作ります。同じカードは使えない。
百の位が 5 通り、十の位が 4 通り、一の位が 3 通りです。 個。
0 が混ざると事情が変わります。0、1、2、3、4 なら、百の位に 0 を置けないので 個。
制限のある位から先に決める。ここは階乗の式に頼らず、段ごとに数えるほうが確実です。
例:特定の人を含む並べ方
5 人から 3 人を選んで並べます。A が必ず入る並べ方はいくつか。
A の座る席を先に決めて 3 通り。残り 2 席には、A 以外の 4 人から 2 人を並べて 通り。
通りです。全体 60 通りから A を含まない 通りを引いても 36 になる。
2 通りの道筋が合ったので、まず正しい。制限のある要素を先に置く手は、ここでも効きます。
例:隣り合う 2 人がいる並べ方
6 人を並べ、A と B は必ず隣り合うとします。
A と B を 1 つの塊とみなすと、塊 1 つと残り 4 人で 5 つのものを並べる。 通り。
塊の中で A と B が入れ替わるので 2 倍。 通りです。
塊を作ると、並べる個数が 1 つ減る。減った個数で階乗を計算し、最後に塊の中の並べ替えを掛けます。
段ごとに 1 ずつ減らし、最後の 1 まで掛ける。値は
個ぶんだけ掛けて止める。値は で、 を で割った形
計算の工夫
階乗の分数は、展開せずに約分します。 なら 。
分母のほうが大きい場合は、式の立て方を疑います。 で となる場面はありません。
大きな数を扱うときは、掛ける前に約分できる因子を探す。 なら、まず に直してから計算します。
階乗の分数は展開しない
分子と分母の共通部分を先に消す
残った数個の積だけを計算する
例:3 桁の暗証番号と比べる
同じ数字を何度でも使ってよい場合は、階乗も も出てきません。各桁が独立に 10 通りで 通り。
使えない場合は 通りです。280 だけ減っている。
同じものを使えるかどうかで、掛ける数が減るか減らないかが変わる。ここが を使う場面の目印になります。
7 人の中から 4 人を選んで一列に並べます。並べ方は何通りですか。
- 210 通り
- 840 通り
- 5040 通り
よくある誤り
階乗も も、段ごとに何通りあるかを掛けているだけです。公式を思い出せないときは、席を並べて 1 段ずつ数えれば同じ値に着きます。
参考文献
[1] が階乗の定義と性質、[2] と [3] が各国語での定義と の扱い、[4] が順列の公式、[5] が基本の数え方の整理です。












7P4=7×6×5×4=840 通りです。210 は並べる順序を考えない選び方の数、5040 は 7 人全員を並べた 7! になります。