А.В.Шаповалов => Книги и брошюры=> Школьные математические кружки

Комбинаторика: заседание продолжается

Авторы: И.В.Раскина, А.В.Шаповалов
Издательство МЦНМО

ISBN: 978-5-4439-1746-7
Год издания: 2023
Тираж: 2000 экз.
Количество страниц: 256
Размер: 143x200x14

Двадцать четвёртая книжка серии «Школьные математические кружки» посвящена задачам классической комбинаторики. В них обычно требуется найти число элементов множества, причём порядок их перечисления не очевиден. Основное внимание уделяется общим принципам организации подсчёта и построению адекватных математических моделей с помощью соответствия. Эта брошюра продолжает и дополняет книжку «Комбинаторика»; здесь обсуждаются старые (сочетания) и новые базовые модели (шары и перегородки, диаграммы), а также изучаются способы их применения к решению более сложных задач.
Книжка содержит десять занятий математического кружка и обширный набор дополнительных задач. Все занятия доступны ученикам 7 - 9 классов, а некоторые – и 5 - 6 классов. Для удобства использования заключительная часть книжки, как всегда, сделана в виде раздаточных материалов. Возможность самостоятельного обучения обеспечена дублированием ответов в отдельном разделе. Книжка адресована школьным учителям математики и руководителям математических кружков.
Надеемся, что она будет интересна школьникам и их родителям, студентам педагогических вузов, а также всем любителям математики.






Купить бумажную версию (220 руб) или электронную версию (155 руб) в магазине Математическая книга

.

Содержание

Предисловие
1. Ну, это уже перебор...
2. Соответствие
3. Как считать баранов, или Деление в комбинаторике
4. Сочетания-2
5. Треугольник Паскаля
Решение задач "Сколькими способами" в два действия
6. Организация выбора. Метод скелетов
7. Шары и перегородки
8. Числа "по росту" и диаграммы Юнга
9. Важно, что больше. Не так важно, на сколько
10. Частичное соответствие
  Дополнительные задачи
  Ответы
  Решения дополнительных задач
  Авторы задач
  Литература и веб-ресурсы
  Раздаточный материал



Опечатки и поправки

Предисловие

Как следует из названия, эта книжка служит продолжением нашей книжки "Комбинаторика". Это не значит, что пока первая полностью не изучена, ни одно занятие второй нельзя проводить. Например, с опытными пятиклассниками, много решавшими олимпиадные задачи в начальной школе, можно проводить два первых занятия: про перебор и про соответствие, а сочетания из первой книжки из-за работы с дробями отложить до 6 класса. Но все занятия этой книжки предназначены для кружка не первого года обучения.

Идейный стержень книжки "Комбинаторика"– кодировка. Её можно рассматривать как установление взаимно-однозначного соответствия между множествами, считаемыми в разных задачах. На этот раз нас в первую очередь интересует соответствие между двумя множествами, считаемыми в одной и той же задаче. Иногда уже в условии требуется сравнить указанные множества. В других случаях требуется подсчитать элементы неудобного множества, а для этого хорошо подобрать легко считаемое множество с тем же количеством элементов. Как видно по оглавлению, соответствию полностью посвящены два занятия: второе, рассчитанное на учеников 5-7 классов, и девятое, для более опытных 7-9-классников.

Задачи, решающиеся с помощью деления (см. занятие 3), тоже связаны с соответствием, на этот раз многозначным. На поиске соответствия между нужным и удобным множествами (которое может оказаться как однозначным, так и многозначным) строится и занятие 6. Ярким примером соответствия служит метод шаров и перегородок, предложенный на седьмом занятии.

Если соответствие можно считать обобщением кодировки, то перебор (см. занятие 1) – обобщением перечисления элементов множества с помощью таблиц и регулярных деревьев. Дети занимаются перебором с первых шагов в олимпиадной математике, постепенно набираясь опыта. Для того, чтобы этот опыт осознать, нужна мотивация. Ребёнок должен успеть достаточно много раз увязнуть в хаотичном переборе вместо разумно организованного и почувствовать, как трудно доказать полноту перебора. Только после этого он оценит разговор о видах перебора. Так что занятие не вошло в первую книжку не из-за сложности, а из-за неактуальности постановки вопроса для начинающих.

Девятое занятие в некотором смысле – антипод первого. На нём рассматриваются задачи, в которых перебор неоправданно трудоёмок или вовсе невозможен. Но постановка этих задач и не требует точного ответа, достаточно получить оценки.

По уровню сложности книжку можно условно разделить на две части. Первые пять занятий составлены для массового кружка 6-7 класса. Занятие про сочетания предполагает, что ребята с ними уже знакомы, но и их, и другие темы пора повторить. А занятие про треугольник Паскаля, напротив, написано для первого знакомства с ним, причём в более раннем возрасте, чем это принято. На нём детям предлагается заметить и объяснить интересные числовые закономерности, не используя ни алгебраическую технику, ни строгие рассуждения по индукции.

Занятия 6-10 следующего уровня сложности и написаны для ребят, серьёзно занимающихся олимпиадной математикой, и их учителей.

Разделяет эти две части статья, в которой обсуждается однозначность постановки вопроса "Сколькими способами ?" Учителя давно привыкли к этой фразе и не всегда осознают трудности в понимании её детьми. Часть этих трудностей объективны и связаны с нечётким условием, допускающим разные трактовки. Опытный человек понимает, что обычно имеется в виду в таких случаях, и решает привычную задачу. А ребёнок не обязан догадываться, что имел в виду, но не написал автор. Чтобы избежать ненужных терминологических трудностей в начале пути, мы в книжке "Комбинаторика" впервые сформулировали вопрос о количестве способов только на пятом занятии.

Вторая часть книжки отличается от первой не только сложностью задач, предлагаемых ученикам, но и степенью новизны подходов к ним, на которую хотелось бы обратить внимание учителей. Мы предлагаем взглянуть на задачи с традиционными формулировками с необычной стороны, в ряде случаев это приводит к новым приёмам решения. А на занятиях 8 и 9 и постановки задач нетипичны для школьного кружка.

В задачах для начинающих подсчёт вариантов разбивается на несколько аналогичных друг другу этапов, дерево перебора помогает как придумать решение, так и наглядно его изобразить. В более сложных задачах этапы не аналогичны, разбиение на них требует творческого подхода, и нарисовать дерево удаётся только уже постфактум, когда ключевая идея придумана. Занятие 6 посвящено именно таким задачам. Универсального алгоритма их решения не существует; предлагаемый нами метод скелетов учит лишь задавать себе правильные вопросы.

Задачи, решаемые методом шаров и перегородок, мы разделили на два занятия, седьмое и восьмое. Дело в том, что сводящиеся к нему задачи могут описываться и другими родственными моделями, заслуживающими на наш взгляд отдельного рассмотрения. Особое внимание уделено на занятии 7 строкам неотрицательных чисел с фиксированной суммой, а на занятии 8 – диаграммам Юнга. Навык переформулировки задач на языке наиболее уместной модели, а также понимание связей между моделями углубляет понимание соответствия – идейного стержня комбинаторики.

Диаграммы Юнга используются в различных разделах высшей математики. Школьники легко могут понять их определение и доказать простейшие свойства. Но пока диаграммы не возникают как естественная модель в содержательных задачах, возня с ними кажется бессмысленной. В занятии 8 и соответствующей ему части задачника мы предлагаем авторские задачи с типичными для математических соревнований формулировками, ключом к решению которых служат диаграммы Юнга.

Два последних занятия с разных сторон развивают всё ту же основную идею: комбинаторика – это не сборник задач с вопросом "Сколькими способами", а раздел математики, изучающий в первую очередь соответствие между объектами. Тема девятого занятия – комбинаторные неравенства. Они возникают в задачах, где вместо точного подсчёта всех объектов достаточно доказать, что их достаточно много (или, напротив, не слишком много). Мы не встречали подборок таких задач, поскольку начинающие с ними сталкиваются редко: зачем прикидывать, если несложно точно подсчитать? Однако в научной и практической работе и на олимпиадах высокого уровня не менее важно умение оценивать с помощью неравенств и понимать, какой оценки достаточно.

Последнее, десятое занятие продолжает второе. В нём тоже установление соответствия применяется в первую очередь для доказательства равномощности двух множеств, а не для подсчёта количества элементов каждого. Часть задач этого занятия связана с числами Каталана. Мы не ставим цели изучить их как можно более подробно и многогранно, а лишь используем как богатый источник интересных соответствий.

Завершает книжку список из более чем сотни дополнительных задач. Среди них есть известные, но большинство – новые, авторские. Дополнительные задачи разделены на две части. В первой части задачи попроще и сгруппированы по занятиям. Задачи второй части потруднее, как правило требующие при решении несколько идей; их порядок тоже связан с занятиями, но в меньшей степени. При ссылках они помечаются звёздочкой. Как всегда в этой серии, ко всем задачам приведены решения и ответы. Ответы есть в решениях и повторены в отдельном разделе. Часто ответ даётся в двух видах, например, С(4,24)-1=10625. Числовые ответы приведены только для проверки «других» решений, от учеников не надо требовать вычисления ответов, превосходящих 200.

Авторы благодарны И.С.Рубанову, чья авторская методика обучения комбинаторике, основанная на идее кодировки, а также опыт совместного преподавания повлияли на формирование наших взглядов.