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両端と交互 - 位置に条件がある並べ方は先に席を決める

男子 3 人と女子 3 人が一列に並びます。両端が男子になる並び方は 144 通り、男女が交互になる並び方は 72 通り。

どちらも、位置に条件が付いた問題です。条件のある席から先に埋める。この順番を守るだけで、場合分けがほとんど消えます。

位置の条件は先に処理する

並べる問題では、自由な席から埋めたくなります。しかし条件のある席を後回しにすると、残りの候補が場合によって変わってしまう。

先に条件のある席を決めれば、残りは自由な並べ替えになります。掛け算だけで済む形に持ち込める。

条件が付いている席を選び出す

その席に入れるものを先に決める

残りの席を自由に並べる

例:両端が男子

男子 3 人と女子 3 人の 6 人を並べ、両端をどちらも男子にします。

まず両端に入る男子 2 人を決めて並べます。3 人から 2 人を選んで左右に置くので 通り。

残る 4 人を中の 4 席に並べて 通り。

144 通りです。両端の男女比だけが条件なので、中身は自由に並べられます。

例:両端が女子

同じ 6 人で、両端をどちらも女子にします。人数が同じなので、答えも同じ 144 通り。

両端が「男子と女子で 1 人ずつ」なら、左右どちらに男子が来るかで 2 通り。男子の選び方が 3 通り、女子も 3 通りで 通り。

中の 4 人を並べて 通り。 通りです。

全体 通りのうち、両端が男男の 144、女女の 144、男女ちがいの 432 を足すと 720 に戻ります。

例:特定の人を端に置く

6 人のうち、A が必ず左端に来る並び方を数えます。

A の位置は決まっているので、残り 5 人を並べるだけ。 通り。

A が両端のどちらかなら、 通り。全体の 3 分の 1 にあたります。

A が端に来ない並び方は 通り。中の 4 席のどれかに A を置くと考えても で一致する。

交互に並べる

男女が交互になる条件は、両端よりきつくなります。1 人決まると、以降の位置がすべて決まってしまう。

男子 3 人と女子 3 人なら、男から始めるか女から始めるかの 2 通り。始まりが決まれば、男の席 3 つと女の席 3 つが確定します。

男子の並べ方が 通り、女子も 通り。

72 通りです。人数がそろっているときだけ、始まりが 2 通りになる。

人数がずれると型が 1 つになる

男子 4 人と女子 3 人では、交互に並べる型が 1 つしかありません。

7 席のうち 1、3、5、7 番目が男子、2、4、6 番目が女子。男から始めるしかない。

通りです。

男子 5 人と女子 3 人だと、交互に並べること自体ができません。多いほうが 1 人多いときだけ成立する。

男子女子交互の型通り数
33272
431144
5300

例:女子だけが交互に来なくてよい場合

「女子どうしが隣り合わない」は、交互より弱い条件です。男子が多ければ、女子の間に男子が 2 人入ってもよい。

男子 4 人と女子 3 人で数えます。男子を先に並べて 通り、そのすき間 5 か所から 3 か所を選んで女子を並べて 通り。

通り。交互の 144 通りより 10 倍多くなります。

交互は「隣り合わない」の中でも、いちばんきつい並び方にあたる。

交互に並べる

型が 1 つか 2 つに固定される。席の割り当てが最初から決まっている

隣り合わないだけ

型は決まらない。すき間のどこへ入れるかを選ぶぶん、通り数が増える

例:偶数番目が女子

6 席のうち、2、4、6 番目を女子にします。これは交互の片方の型そのもの。

女子 3 人を 3 席に並べて 通り、男子 3 人を残り 3 席に並べて 通り。 通りです。

交互の 72 通りのちょうど半分。男から始める型と女から始める型のうち、片方だけを数えたことになります。

例:席に番号がある場合

1 から 6 の番号が付いた席に 6 人が座ります。1 番と 6 番に A と B が座る座り方はいくつか。

A と B の座り方が 2 通り、残り 4 人が残り 4 席に座って 通り。 通りです。

一列に並べる問題と、番号付きの席に座る問題は同じもの。席に番号があると考えれば、位置の条件が読みやすくなります。

「両端」という言葉は、左右を区別するのがふつうです。左端が A で右端が B の並びと、その逆は別の並び。

区別しない設定なら問題文に書かれる。書かれていなければ別々に数える。

例:3 種類が交互

赤、青、白の玉が 2 個ずつあり、同じ色が隣り合わないように並べます。交互という言葉は使えませんが、考え方は同じ。

6 席の並びの型を先に数えます。同じ色が隣り合わない並びは、書き出すと 30 通り。

全体 通りのうち、赤が隣り合うのが 通り。青も白も同じく 30 通り。

2 色が隣り合うのが 通りで、その組が 3 通り。3 色とも隣り合うのが 通り。

30 通りです。条件がきついときは、包除原理で引き算する形になります。

例:端に条件と隣接条件が重なる

6 人を並べ、両端が男子で、しかも女子 3 人が隣り合わないようにします。

まず両端に男子を置いて 通り。中の 4 席には、残る男子 1 人と女子 3 人が入ります。

4 席のうち 3 席が女子になるので、どう置いても女子どうしが隣り合う。4 席から 3 席を隣り合わないように選ぼうとすると、 か所からは 3 席を選べません。

答えは 0 通りです。条件が重なると成立しない場合もあるので、席の数を先に確かめます。

男子 2 人と女子 4 人が一列に並びます。男女が交互になる並び方は何通りですか。

  • 0 通り
  • 48 通り
  • 96 通り
__RESULT__

交互に並べるには、多いほうが少ないほうより 1 人多いか、同数である必要があります。女子が 2 人多いので、どこかで女子どうしが隣り合ってしまう。答えは 0 通りです。

よくある誤り

自由な席から先に埋める。条件のある席を先に決めます
両端で左右を区別しない。ふつうは別の並びとして数えます
交互の型を数え忘れる。人数が同じなら 2 通り、1 人差なら 1 通りです
人数差が 2 以上でも交互ができると考える。成立しないので 0 通りになります
交互と「隣り合わない」を同じに扱う。後者のほうがずっと通り数が多くなります
偶数番目を指定した問題に型の 2 倍を掛ける。型が 1 つに決まっています
条件が重なるときに席数を確かめない。入りきらない場合は 0 通りです

条件のある席を先に埋め、残りを自由に並べる。この 2 段で書けなければ、条件がきつすぎて 0 通りになっていないかを疑います。

参考文献

[1] が順列の公式、[2] が段ごとに掛ける数え方、[3] が引き算で数える形、[4] と [5] が各国語での整理です。

Permutation - Wikipedia
Rule of product - Wikipedia
Inclusion–exclusion principle - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
男子 3 人と女子 3 人で、両端が男子なら 144 通り、男女が交互なら 72 通りです。差が出るのは、交互だと 1 人決まった時点で全員の席が確定するから。条件のある席を先に埋めてから残りを自由に並べる、という順番を守ると場合分けが消えます。人数がずれると交互の型が 1 つになり、2 人以上ずれると 0 通りになる。偶数番目の指定、番号付きの席、同じ色が隣り合わない並べ方まで並べました。