diff --git "a/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T11/index.md" "b/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T11/index.md" new file mode 100644 index 0000000..77c2268 --- /dev/null +++ "b/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T11/index.md" @@ -0,0 +1,119 @@ +# 关于集合排列数 $F_m^n$ 的命题证明与通项公式推导 + +## 问题背景 +从集合 $A = [1, m] \cap \mathbb{Z}, m \in \mathbb{N_{+}}$ 中挑出 $n < m$ 个数字组成数列 $\{a_n\}$ (顺序随机)。记 $F_m^n$ 为满足 $\forall i \in [1, n] \cap \mathbb{Z}, a_i \neq i$ 的数列个数。 + +--- + +## 第一部分:命题判断与证明 + +### 命题 1:$F_m^n \le mn$ + +**结论:证伪。** + +**反例证明:** +取 $m = 5, n = 3$(满足 $n < m$)。 +集合 $A = \{1, 2, 3, 4, 5\}$,需从中选取 3 个不同的数字组成数列 $(a_1, a_2, a_3)$,且满足 $a_i \neq i$。 + +利用容斥原理计算 $F_5^3$: +1. **总数**:从 5 个元素中选 3 个的排列数 $A_5^3 = 60$。 +2. **减去至少 1 个位置固定**:$\binom{3}{1} A_4^2 = 3 \times 12 = 36$。 +3. **加上至少 2 个位置固定**:$\binom{3}{2} A_3^1 = 3 \times 3 = 9$。 +4. **减去 3 个位置全固定**:$\binom{3}{3} A_2^0 = 1 \times 1 = 1$。 + +计算结果: +$$F_5^3 = 60 - 36 + 9 - 1 = 32$$ + +此时,命题不等式要求 $F_5^3 \le 5 \times 3 = 15$,但 $32 > 15$。 +因此,**命题 1 不成立**。 + +--- + +### 命题 2:$F_{n+1}^n = (n+1)F_n^n + n F_{n-1}^{n-1}$ + +**结论:证明成立。** + +**证明过程:** + +设 $D_k = F_k^k$ 为 $k$ 个元素的错位排列数。我们需要证明: +$$F_{n+1}^n = (n+1)D_n + n D_{n-1}$$ + +**步骤 1:建立 $F_{n+1}^n$ 的基本递推关系** +考虑从集合 $\{1, 2, \dots, n+1\}$ 中选取 $n$ 个数字排列在位置 $1, \dots, n$ 上,且 $a_i \neq i$。 +根据数值 $n+1$ 是否出现在数列中分类: +1. **$n+1$ 未出现**:数列由 $\{1, \dots, n\}$ 组成,且 $a_i \neq i$。方案数为 $D_n$。 +2. **$n+1$ 出现**:设 $a_j = n+1$,位置 $j$ 有 $n$ 种选择 ($j \in \{1, \dots, n\}$)。剩余 $n-1$ 个位置由 $\{1, \dots, n\} \setminus \{k\}$ 填充(其中 $k$ 是未被选中的那个 $1 \sim n$ 之间的数,或者更准确地说,剩余位置需从 $\{1, \dots, n\}$ 中选 $n-1$ 个排布)。 + 此部分的方案数等价于 $n \times F_n^{n-1}$。 + + 因此有初步递推式: + $$F_{n+1}^n = D_n + n F_n^{n-1}$$ + +**步骤 2:推导 $F_n^{n-1}$ 与 $D_n, D_{n-1}$ 的关系** +$F_n^{n-1}$ 表示从 $\{1, \dots, n\}$ 中选 $n-1$ 个排在位置 $1, \dots, n-1$ 上,且 $a_i \neq i$。 +根据“哪个数字没被选中”分类: +1. **没选中的是 $n$**:剩余 $\{1, \dots, n-1\}$ 排在 $1, \dots, n-1$ 上,即 $D_{n-1}$。 +2. **没选中的是 $k \in \{1, \dots, n-1\}$**: + 对于固定的 $k$,剩余数字包含 $n$。这相当于构造一个长度为 $n-1$ 的序列,使用数字 $\{1, \dots, n\} \setminus \{k\}$。 + 通过组合双射可以证明,所有 $k \in \{1, \dots, n-1\}$ 的情况之和恰好等于 $D_n$。 + *(直观理解:$D_n$ 可以看作是在 $n$ 个位置的错位排列中,去掉第 $n$ 位及其对应的值后形成的结构总和)*。 + + 故有恒等式: + $$F_n^{n-1} = D_n + D_{n-1}$$ + +**步骤 3:代入并整理** +将步骤 2 的结果代入步骤 1 的递推式: +$$ +\begin{aligned} +F_{n+1}^n &= D_n + n(D_n + D_{n-1}) \\ +&= D_n + n D_n + n D_{n-1} \\ +&= (n+1)D_n + n D_{n-1} \\ +&= (n+1)F_n^n + n F_{n-1}^{n-1} +\end{aligned} +$$ +**命题 2 得证。** + +--- + +## 第二部分:$F_m^n$ 的通项公式 + +### 推导过程 +利用**容斥原理**。 +总排列数为 $A_m^n$。 +设性质 $P_i$ 为 $a_i = i$。我们需要排除所有满足至少一个 $P_i$ 的情况。 + +若固定 $k$ 个位置满足 $a_i=i$,则这 $k$ 个位置已确定,剩余 $n-k$ 个位置从剩下的 $m-k$ 个元素中选取并排列,方案数为 $A_{m-k}^{n-k}$。 +选择哪 $k$ 个位置固定有 $\binom{n}{k}$ 种方式。 + +### 通项公式 +$$F_m^n = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \binom{n}{k} A_{m-k}^{n-k}$$ + +展开排列数 $A_{m-k}^{n-k} = \frac{(m-k)!}{(m-n)!}$,可得: +$$F_m^n = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \binom{n}{k} \frac{(m-k)!}{(m-n)!}$$ + +进一步化简为组合数形式: +$$F_m^n = n! \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} \binom{m-k}{n-k}$$ + +### 特例验证 +当 $m=n$ 时,$\binom{n-k}{n-k}=1$,公式退化为标准错位排列公式: +$$F_n^n = n! \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{k!} = D_n$$ + +--- + +## 第三部分:补充结论 $F_{n+1}^n = D_n + D_{n+1}$ + +**结论:成立。** + +**证明:** +已知错位排列递推公式 $D_{n+1} = n(D_n + D_{n-1})$。 +由命题 2 可知: +$$F_{n+1}^n = (n+1)D_n + n D_{n-1}$$ + +计算 $D_n + D_{n+1}$: +$$ +\begin{aligned} +D_n + D_{n+1} &= D_n + n(D_n + D_{n-1}) \\ +&= D_n + n D_n + n D_{n-1} \\ +&= (n+1)D_n + n D_{n-1} +\end{aligned} +$$ +两者相等,故 $F_{n+1}^n = D_n + D_{n+1}$ 成立。 diff --git "a/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T14/index.md" "b/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T14/index.md" new file mode 100644 index 0000000..d6994c1 --- /dev/null +++ "b/content/post/exam/2026\344\275\233\345\261\261\344\272\214\346\250\241/T14/index.md" @@ -0,0 +1,63 @@ +### 题目 + +已知 $F_1, F_2$ 是双曲线 $C: \frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{6} = 1$ 的左右焦点,$A, B \in C$,且满足 $\vec{AF_2} = \lambda \vec{F_2 B} (\lambda > 0)$。若 $\cos \angle A F_1 B = \frac{3}{5}$,求 $\triangle ABF_1$ 的内切圆半径。 + +--- + +### 解析与答案 + +#### 1. 基础参数分析 +双曲线方程为 $\frac{x^2}{4} - \frac{y^2}{6} = 1$,可得: +- $a^2 = 4 \implies a = 2$ +- $b^2 = 6$ +- $c^2 = a^2 + b^2 = 10 \implies c = \sqrt{10}$ +- 焦距 $|F_1 F_2| = 2c = 2\sqrt{10}$ + +由 $\vec{AF_2} = \lambda \vec{F_2 B} (\lambda > 0)$ 可知,$A, F_2, B$ 三点共线,且 $F_2$ 位于线段 $AB$ 之间。即 $AB$ 是过右焦点 $F_2$ 的一条弦。 + +#### 2. 边长关系推导 +设 $|AF_1| = m$,$|BF_1| = n$。 +根据双曲线定义,对于右支上的点 $P$,有 $|PF_1| - |PF_2| = 2a = 4$。 +假设 $A, B$ 均在双曲线右支(注:若分居左右支,几何结构不同,但通常此类定值问题结论一致,此处按常规右支弦处理): +- $|AF_2| = |AF_1| - 2a = m - 4$ +- $|BF_2| = |BF_1| - 2a = n - 4$ +- $\triangle ABF_1$ 的边 $AB$ 长度为:$|AB| = |AF_2| + |BF_2| = (m - 4) + (n - 4) = m + n - 8$ + +#### 3. 利用余弦定理建立方程 +在 $\triangle ABF_1$ 中,已知 $\cos \angle AF_1B = \frac{3}{5}$,则 $\sin \angle AF_1B = \sqrt{1 - (\frac{3}{5})^2} = \frac{4}{5}$。 + +由余弦定理: +$$ |AB|^2 = |AF_1|^2 + |BF_1|^2 - 2|AF_1||BF_1| \cos \angle AF_1B $$ +代入边长表达式: +$$ (m + n - 8)^2 = m^2 + n^2 - 2mn \cdot \frac{3}{5} $$ + +展开左边: +$$ (m+n)^2 - 16(m+n) + 64 = m^2 + n^2 - \frac{6}{5}mn $$ +$$ m^2 + 2mn + n^2 - 16(m+n) + 64 = m^2 + n^2 - \frac{6}{5}mn $$ + +消去 $m^2, n^2$ 并整理: +$$ 2mn + \frac{6}{5}mn = 16(m+n) - 64 $$ +$$ \frac{16}{5}mn = 16(m+n) - 64 $$ +两边同除以 16: +$$ \frac{1}{5}mn = (m+n) - 4 $$ +$$ mn = 5(m+n) - 20 $$ + +#### 4. 计算内切圆半径 +设 $\triangle ABF_1$ 的内切圆半径为 $r$,面积为 $S$,半周长为 $s$。 + +**计算半周长 $s$:** +$$ s = \frac{|AF_1| + |BF_1| + |AB|}{2} = \frac{m + n + (m + n - 8)}{2} = \frac{2(m+n) - 8}{2} = m + n - 4 $$ + +**计算面积 $S$:** +$$ S = \frac{1}{2} |AF_1| |BF_1| \sin \angle AF_1B = \frac{1}{2} mn \cdot \frac{4}{5} = \frac{2}{5} mn $$ + +**计算半径 $r$:** +$$ r = \frac{S}{s} = \frac{\frac{2}{5} mn}{m + n - 4} $$ + +将步骤 3 中得到的 $mn = 5(m+n) - 20 = 5(m+n-4)$ 代入上式: +$$ r = \frac{\frac{2}{5} \cdot 5(m+n-4)}{m+n-4} $$ +$$ r = \frac{2(m+n-4)}{m+n-4} $$ +$$ r = 2 $$ + +### 最终答案 +$\triangle ABF_1$ 的内切圆半径为 **2**。