الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الإحصاء والاحتمالات

العد: المبدأ الأساسي، القوائم، الترتيبات و التبديلات

🔊 المعلّمة تقرأ لك
لوحة ترقيم سيّارة، رمز سرّي لهاتف، ترتيب متسابقين على منصّة التتويج: في كلّ مرّة السؤال واحد — كم إمكانية؟ و في كلّ مرّة يقودك العدّ واحدة واحدة إلى الضياع بعد العشرين. فما هي الأدوات التي تعدّ دون أن تعدّ؟

في حالة تساوي الاحتمال رأينا أنّ الاحتمال نسبة عددين. هذا الدرس هو الآلة التي تحسب هذين العددين. و هو يقوم كلّه على مبدأ واحد، بسيط إلى حدّ الغرابة.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • توظيف المبدأ الأساسي للعدّ في وضعية متعدّدة المراحل
  • التمييز بين قائمة و ترتيبة و تبديلة بثلاثة أسئلة
  • حساب عدد القوائم و الترتيبات و التبديلات بالدساتير
  • ترجمة وضعية ملموسة إلى أحد النماذج الثلاثة
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • مفهوم المجموعة المنتهية و عدد عناصرها
  • الجداء و الأسّ في مجموعة الأعداد الطبيعية

1. المبدأ الأساسي للعدّ

إذا تمّت وضعية على مرحلتين، للأولى منهما m إمكانية، و لكلّ إمكانية منها n إمكانية للمرحلة الثانية، فعدد الإمكانيات الكلّي هو جداؤهما. و يمتدّ المبدأ إلى أيّ عدد من المراحل.

المبدأ الأساسي

لأنّ كلّ إمكانية من المرحلة الأولى تفتح كامل إمكانيات الثانية، فتتكرّر الثانية بعدد إمكانيات الأولى. نضرب، لا نجمع — و هذا هو الخطأ الأوّل للمبتدئ.

N=n1 × n2 × ... × np
Nعدد الإمكانيات الكلّيnkعدد الإمكانيات في المرحلة ذات الرتبة kpعدد المراحل
نضرب لأنّ كلّ اختيار أوّل يفتح كامل الاختيارات الثانية؛ و منع التكرار ينقص إمكانية واحدة في المرحلة الثانية.
⭐ ارسم الشجرة كلّما ارتبكت. لن ترسمها في الامتحان لأنّها طويلة، لكن رسمها مرّة على حالة صغيرة (ثلاثة عناصر) يثبّت في ذهنك لماذا نضرب، و متى تنقص الإمكانيات من مرحلة إلى التي تليها.

2. القوائم

لتكن E مجموعة منتهية ذات n عنصرا، و p عددا طبيعيا غير معدوم. القائمة ذات p عنصرا من E هي متتالية مرتّبة من p عنصرا من عناصر E، مع إمكان التكرار.

عدد القوائم

لكلّ موضع من المواضع p الإمكانيات n نفسها، لأنّ التكرار مسموح. فبالمبدأ الأساسي نضرب n في نفسها p مرّة.

N = np
nعدد عناصر المجموعة Epطول القائمة، أي عدد المواضع

3. الترتيبات

إذا اشترطنا أن تكون عناصر القائمة متمايزة مثنى مثنى سمّيناها ترتيبة. عندئذ لا يمكن أن يتجاوز طولها عدد عناصر المجموعة، أي أنّ p محصور بين 1 و n.

عدد الترتيبات

للموضع الأوّل n إمكانية، و للثاني ⁦n−1⁩ لأنّ عنصرا استُهلك، و هكذا. الموضع الأخير رتبته p فقد سبقه ⁦p−1⁩ عنصرا، و بقي له ⁦n−(p−1)⁩ أي ⁦n−p+1⁩. الجداء يحوي p عاملا بالضبط، و هذا هو أضبط تحقّق من الدستور.

Anp=n(n−1)(n−2) × ... × (n−p+1)
Anpعدد الترتيبات ذات p عنصرا من بين n عنصرا
الترتيبات بالعامليّات

نضرب الجداء في العوامل الناقصة و نقسم عليها: الأعلى n! و الأسفل ما تحت العامل الأخير. صيغة أنفع للبرهان، و الأولى أنفع للحساب.

Anp = n!n−p!

4. التبديلات

التبديلة حالة خاصّة: ترتيبة تستعمل كلّ عناصر المجموعة، أي p تساوي n. عددها إذن جداء الأعداد من n إلى 1، و يرمز له بـ n! و يُقرأ «عاملي n».

عدد التبديلات

ترتيب n شخصا في صفّ: للأوّل n مكانا، للثاني ⁦n−1⁩، حتّى الأخير الذي له مكان واحد. و نصطلح على أنّ ⁦0! = 1⁩، ليبقى دستور الترتيبات صحيحا لمّا تكون p تساوي n.

n!=n(n−1)(n−2) × ... × 2 × 1
⛔ ثلاثة أسئلة قبل كلّ عدّ، بهذا الترتيب: هل الترتيب يهمّ؟ هل التكرار مسموح؟ هل نأخذ كلّ العناصر؟ الترتيب يهمّ و التكرار مسموح ⟸ قائمة. الترتيب يهمّ و لا تكرار ⟸ ترتيبة. الترتيب يهمّ و نأخذ الكلّ ⟸ تبديلة. و إن كان الترتيب لا يهمّ فأنت أمام توفيقة، و هي درس الحصّة الموالية. من لم يجب عن الأسئلة الثلاثة اختار الدستور بالحدس، و الحدس يخطئ هنا كثيرا.
مثال 1: بتكرار و بدون تكرار

نعتبر الأرقام 1، 2، 3، 4، 5 في السؤال الأوّل، و الأرقام 1، 2، 3، 4، 5، 6 في السؤال الثاني.

🎯المطلوب: احسب عدد الأعداد ذات ثلاثة أرقام التي يمكن تشكيلها في الحالتين: أوّلا من الأرقام الخمسة دون شرط، ثمّ من الأرقام الستّة بأرقام متمايزة مثنى مثنى.

🔹الخطوة 1: النموذج الأوّل

في السؤال الأوّل لا شيء يمنع تكرار رقم، فكلّ عدد قائمة ذات ثلاثة عناصر.

n = 5 ; p = 3
🔹الخطوة 2: التطبيق

لكلّ موضع من المواضع الثلاثة خمس إمكانيات.

N=5³=5 × 5 × 5=125
🔹الخطوة 3: النموذج الثاني

في السؤال الثاني الأرقام متمايزة، فالأمر يتعلّق بترتيبة، و العناصر ستّة هذه المرّة.

n = 6 ; p = 3
🔹الخطوة 4: الجداء

نكتب الجداء بثلاثة عوامل تنازلية ابتداء من 6.

A6³ = 6 × 5 × 4
✅النّتيجة

فنحسب، و نجمع الجوابين.

N1 = 125 ; N2 = A6³ = 120
⭐ لاحظ أنّ العددين مختلفان لسببين لا لسبب واحد: تغيّر عدد الأرقام المتاحة، و تغيّر شرط التكرار. افصل السببين دائما قبل أن تقارن نتيجتين.
مثال 2: عدّ بشرط على موضع واحد

نستعمل الأرقام 2، 3، 5، 6، 7، 9، و نشكّل منها أعدادا ذات ثلاثة أرقام متمايزة مثنى مثنى.

🎯المطلوب: احسب عدد هذه الأعداد، ثمّ عدد الأعداد الزوجية منها، و عدد مضاعفات 5، و عدد الأعداد الأصغر من 500.

🔹الخطوة 1: العدّ الكلّي

الأرقام متمايزة، فكلّ عدد ترتيبة ذات ثلاثة عناصر من ستّة.

A6³=6 × 5 × 4=120
🔹الخطوة 2: تثبيت الآحاد

العدد زوجي إذا كان رقم آحاده 2 أو 6، و هما الرقمان الزوجيان الوحيدان في المجموعة.

u ∈ {2 ; 6}
🔹الخطوة 3: الباقي

بعد تثبيت الآحاد يبقى ترتيب رقمين متمايزين من الخمسة الباقية.

A5²=5 × 4=20
🔹الخطوة 4: الأعداد الزوجية

فنضرب بالمبدأ الأساسي.

2 × 20 = 40
🔹الخطوة 5: مضاعفات الخمسة

مضاعفات 5 هي التي رقم آحادها 5، و هي إمكانية واحدة، و الباقي كما سبق.

1 × A5² = 20
🔹الخطوة 6: الأصغر من 500

و الأصغر من 500 هي التي رقم مئاتها 2 أو 3، أي إمكانيتان للمئات.

2 × A5² = 40
✅النّتيجة

فنجمع الأجوبة الأربعة.

120 ; 40 ; 20 ; 40
⭐ الشرط يعالَج أوّلا. ثبّت الموضع المشروط، ثمّ عدّ ما بقي بحرّية. من بدأ بالعدّ الكلّي ثمّ حاول الطرح وجد نفسه أمام حالات متداخلة. و لاحظ أنّ 40 تظهر مرّتين هنا لسببين مختلفين تماما.
مثال 3: عدد أجزاء مجموعة

نعتبر مجموعة E ذات n عنصرا، حيث n عدد طبيعي.

🎯المطلوب: احسب عدد القوائم ذات n عنصرا المشكّلة من العنصرين «نعم» و «لا»، ثمّ استنتج عدد أجزاء المجموعة E.

🔹الخطوة 1: عدد القوائم

نعدّ أوّلا القوائم ذات n عنصرا من العنصرين «نعم» و «لا»: لكلّ موضع إمكانيتان.

N1 = 2n
🔹الخطوة 2: الفكرة

لنربط هذا بالأجزاء: ليكن A جزءا من مجموعة ذات n عنصرا.

A ⊂ E ; n(E) = n
🔹الخطوة 3: الترجمة

كلّ عنصر من E له وضعان لا ثالث لهما بالنسبة إلى A: ينتمي أو لا ينتمي.

(∀ x ∈ E) : x ∈ A ; x ∉ A
🔹الخطوة 4: التقابل

فتحديد الجزء A يكافئ تماما إعطاء قائمة ذات n عنصرا من إجابتين.

A ⊂ E ⟷ (a1 , a2 , ... , an) ∈ {0 ; 1}n
✅النّتيجة

و بالتالي عدد الأجزاء هو عدد هذه القوائم نفسه.

N2=N1=2n
⭐ هذا التمرين يعلّم التقابل، و هو أقوى أدوات العدّ. لا نعدّ الأجزاء مباشرة، بل نجد شيئا آخر نعرف عدّه و نبيّن أنّ لكلّ جزء واحدا منه و لكلّ واحد منه جزءا. ستلتقي بالعدد 2n مرّة أخرى في درس ثنائي الحدّ، و ليس ذلك مصادفة.
مثال 4: النماذج الثلاثة في وضعية واحدة

نستعمل الأرقام 1، 2، 3، 4، 5، 6.

🎯المطلوب: احسب عدد الأعداد التي يمكن تشكيلها منها إذا كانت مكوّنة من ثلاثة أرقام، ثمّ من ثلاثة أرقام مختلفة، ثمّ من ستّة أرقام مختلفة.

🔹الخطوة 1: قائمة

في السؤال الأوّل لا شرط على التمايز: كلّ عدد قائمة ذات ثلاثة عناصر من ستّة.

N1=6³=216
🔹الخطوة 2: ترتيبة

في السؤال الثاني الأرقام متمايزة و عددها ثلاثة من ستّة: ترتيبة.

N2=A6³=6 × 5 × 4=120
🔹الخطوة 3: تبديلة

في السؤال الثالث نستعمل الأرقام الستّة كلّها متمايزة: تبديلة.

N3=6!=6 × 5 × 4 × 3 × 2 × 1
🔹الخطوة 4: الحساب

نحسب الجداء تدريجيّا: ثلاثون، ثمّ مائة و عشرون، ثمّ ثلاثمائة و ستّون، ثمّ سبعمائة و عشرون.

6 × 5 = 30 ; 30 × 4 = 120 ; 120 × 3 = 360 ; 360 × 2 = 720
✅النّتيجة

فالنماذج الثلاثة أعطت ثلاثة أعداد متباعدة من المعطى نفسه.

216 ; 120 ; 720
⭐ معطى واحد، ثلاثة أسئلة، ثلاثة نماذج. هذا بالضبط ما يقيسه الامتحان: لا حفظ الدساتير، بل اختيار الصحيح منها. اقرأ كلمات المعطى بدقّة — «مختلفة» و «كلّها» ليستا زينة لغوية، كلّ واحدة تغيّر الدستور.
⛔ في الباكالوريا، لا يقول لك المعطى «رتّب» و لا «وفّق»: يقول «سحب على التوالي و بإرجاع» (قائمة)، أو «على التوالي و دون إرجاع» (ترتيبة)، أو «في آن واحد» (توفيقة، و هي الدرس الموالي). احفظ هذه العبارات الثلاث بمعانيها، فهي مفاتيح كلّ تمارين الاحتمالات.
الخلاصة: العدّ كلّه مبدأ واحد — نضرب إمكانيات المراحل. و منه تنبثق ثلاث حالات: القوائم لمّا يُسمح بالتكرار، و الترتيبات لمّا يُمنع، و التبديلات لمّا نأخذ كلّ العناصر. و الأسئلة الثلاثة — الترتيب، التكرار، الشمول — تختار الدستور نيابة عنك.

الصفحة 1/9

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net