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数学
题目

14.某班 n 个战士各有1支归个人保管使用的枪,这些枪的外形完全一样,在一次夜间紧急集合中,每人随机地取了1支枪,求至少有1人拿到自己的枪的概率。

14.某班 n 个战士各有1支归个人保管使用的枪,这些枪的外形完全一样,在一次夜间紧急集合中,每人随机地取了1支枪,求至少有1人拿到自己的枪的概率。

题目解答

答案

这是一个配对问题,以记为事件“第i个战士拿到自己的枪”,i=1,2,...n,因为

解析

考查要点:本题属于排列组合中的错位排列(错位重排)问题,考查容斥原理的应用。核心在于计算至少有一个元素回到原位的概率。

解题思路:

  1. 事件定义:设$A_i$为“第$i$个战士拿到自己的枪”,求$P(A_1 \cup A_2 \cup \cdots \cup A_n)$。
  2. 容斥原理:利用容斥原理展开并集概率,逐项计算单个、两个、...、$n$个事件同时发生的概率。
  3. 阶乘简化:通过排列组合公式简化各阶交集概率,最终得到级数表达式。
  4. 极限近似:当$n$较大时,级数趋近于$1 - \frac{1}{e}$。

关键点:

  • 容斥原理的展开形式是解题的核心工具。
  • 错位排列的概率公式可直接推导出结果。

步骤1:定义事件与容斥展开
设$A_i$为“第$i$个战士拿到自己的枪”,则所求概率为:
$P = P\left(\bigcup_{i=1}^n A_i\right)$
根据容斥原理:
$P = \sum_{k=1}^n (-1)^{k+1} \sum_{1 \le i_1 < i_2 < \cdots < i_k \le n} P(A_{i_1} \cap A_{i_2} \cap \cdots \cap A_{i_k}})$

步骤2:计算各阶交集概率

  • 单个事件:$P(A_i) = \frac{1}{n}$,总和为$\sum_{i=1}^n \frac{1}{n} = 1$。
  • 两个事件:$P(A_i \cap A_j) = \frac{(n-2)!}{n!} = \frac{1}{n(n-1)}$,组合数为$\binom{n}{2}$,总和为$\frac{1}{2}$。
  • 一般情况:$k$个事件的交集概率为$\frac{(n-k)!}{n!} = \frac{1}{n(n-1)\cdots(n-k+1)}$,组合数为$\binom{n}{k}$,总和为$\frac{1}{k!}$。

步骤3:代入容斥公式
将各阶结果代入公式,得:
$P = \sum_{k=1}^n (-1)^{k+1} \frac{1}{k!}$

步骤4:极限形式
当$n$较大时,级数趋近于:
$P \approx 1 - \frac{1}{e}$
其中$e = \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{k!}$,因此$1 - \frac{1}{e} \approx 0.6321$。

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