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2 種類の数字だけでできる整数……そのまま掛けると多すぎる

1 から 9 の数字を使って 4 桁の整数を作ります。ちょうど 2 種類の数字が現れるものは 504 個。

種類の選び方 に を掛けて 576、としたくなります。この 576 には、1 種類しか使っていないものが混ざっている。

2 段に分けて数える

「ちょうど 2 種類」という条件は、2 段構えで処理します。

まず、どの 2 種類を使うかを選ぶ。次に、その 2 種類だけで 4 桁を作る。

2 段目で「2 種類とも実際に現れる」ことを保証しないと、片方しか使っていない並びが混ざります。

引いてから掛ける

2 種類を に決めたとします。各桁がどちらかなので 通り。

このうち と は 1 種類しか使っていません。除いて 14 通り。

504 個です。掛ける前に引く、という順番になります。

0 が入ると場合が分かれる

0 も使えるとすると、先頭に 0 を置けない制限が加わります。0 を含む組と含まない組で分けます。

0 を含まない 2 種類なら、さきほどと同じで 1 組あたり 14 個。組は で 504 個。

0 と の組では、先頭が に決まります。残る 3 桁が 0 か で 通り。そのうち は 1 種類なので除いて 7 個。

は 1 から 9 の 9 通りなので 個。

0 も含めて考えると 567 個になります。

2 種類の組1 組あたり組の数個数
0 を含まない1436504
0 を含む7963

検算する

4 桁の整数は全部で 9000 個。使われる数字が 1 種類なのは から までの 9 個です。

3 種類以上のものと合わせて 9000 になるはず。ちょうど 3 種類とちょうど 4 種類を数えれば確かめられます。

小さい桁数で試すほうが速い。3 桁なら、0 なしが 個、0 ありが 個で合計 243 個。

3 桁の整数 900 個のうち、1 種類が 9 個、2 種類が 243 個。残る 648 個が 3 種類とも違う場合で、 と一致しました。

使う種類を選ぶ

その種類だけで並べる総数を出す

使われない種類がある場合を引く

例:ちょうど 3 種類

条件が 3 種類になると、引く項が増えます。1 種類だけの場合と、2 種類だけの場合の両方が混ざるからです。

1 から 9 から 3 種類を選び、5 桁を作ります。3 種類すべてが現れるものを数える。

3 種類だけで作る 5 桁は 通り。ここから 2 種類以下のものを引きます。

2 種類の選び方が 通りで、それぞれ 通り。1 種類しかないものを引きすぎているので、 を足し戻す。

150 通り。種類の選び方 を掛けて 個です。

種類が増えるほど、引き算の項が増えます。ちょうど 種類を出すには、 種類以下を包除原理で引く必要がある。

2 種類なら 1 回引くだけ。3 種類なら引いて足し戻す。4 種類ならさらに引く項が増える。

全射の個数として読む

「 桁を 種類の数字ですべて使って作る」は、 個の位を 種類へ割り当てて、どの種類も使われる形です[4]。

4 桁で 2 種類なら 14 通り、5 桁で 3 種類なら 150 通り。どちらも空の種類を許さない配り方の数と同じ。

配る問題として見ると、桁が玉で、数字の種類が箱にあたります。

例:少なくとも 2 種類

「少なくとも 2 種類」なら、全体から 1 種類だけのものを引くだけです。

4 桁の整数 9000 個から、1 種類だけの 9 個を引いて 8991 個。

「ちょうど」と「少なくとも」で手順がまったく違う。問題文のこの 2 語を先に確かめます。

ちょうど k 種類

種類を選んでから、使われない種類がある場合を引く

少なくとも k 種類

全体から、 種類以下のものを引く

例:桁数を変える

5 桁で、1 から 9 の数字を使い、ちょうど 2 種類とします。

あたり 通り。組の数は 36 なので 個。

桁が 1 つ増えるだけで、504 から 1080 へ倍以上に増えます。桁数は肩に乗るので効き方が大きい。

例:0 を含む 5 桁

0 も使う場合。0 を含まない組が 個。

0 と の組では、先頭が で残る 4 桁が自由。 個で、 個。

合計 1215 個です。0 を含む組では引く数が 2 ではなく 1 になる点に注意します。先頭が に固定されているので、全部 0 になる並びは最初から現れません。

1 から 9 の数字を使って 3 桁の整数を作ります。ちょうど 2 種類の数字が現れるものは何個ですか。

  • 288 個
  • 216 個
  • 648 個
__RESULT__

2 種類の選び方が 通り、1 組あたり 通りで 個です。288 は引き算をせずに とした値になります。

よくある誤り

種類を選んだあとに引き算をしない。1 種類しか使わない並びが混ざります
0 を含む組を分けずに数える。先頭の制限で 1 組あたりの個数が変わります
0 を含む組で 2 を引く。先頭が固定されているので引くのは 1 だけです
「ちょうど」と「少なくとも」を同じに扱う。手順がまったく違います
3 種類以上で足し戻しを忘れる。包除原理の項が増えます
種類の選び方を順列で数える。どの 2 種類かだけなので組合せです
検算をしない。桁数を減らして全体と突き合わせると誤りが出ます

種類を選び、その種類だけで作り、使われない種類がある場合を引く。この 3 段を崩さなければ、桁数や種類数が変わっても同じ手順で通せます。

参考文献

[1] が引いて足し戻す数え方、[2] が組合せの公式、[3] が段ごとに掛ける数え方、[4] が空の種類を許さない配り方、[5] が各国語での整理です。

Inclusion–exclusion principle - Wikipedia
Combination - Wikipedia
Rule of product - Wikipedia
Twelvefold way - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
1 から 9 の数字で 4 桁の整数を作り、ちょうど 2 種類が現れるものは 504 個。種類の選び方 36 に 2 の 4 乗を掛けた 576 には、1 種類しか使っていない並びが混ざっています。掛ける前に引く、という順番が要点。0 を含む組では先頭が固定されるので引く数が変わります。ちょうど 3 種類にすると足し戻しが増えること、少なくとも 2 種類との手順の違い、桁数を減らして検算する手も並べました。