基本計數原理(乘法原理)
假設你正在挑衣服,衣櫃裡有 3 件上衣和 4 條褲子,總共能搭出幾套穿搭?你不必把每一套都列出來就能知道答案:對每一件上衣,你都可以配上任一條褲子,所以共有 3 乘 4 = 12 套。這個從「一步步做選擇」跳到「把選項數相乘」的小小飛躍,是所有計數方法中最重要的觀念。
這個原理說:如果一個過程由一連串步驟組成,第一步有 n1 種做法、第二步有 n2 種、第三步有 n3 種……,而且每一步的方法數不依賴於前面所做的選擇,那麼整個過程的做法數就是 n1 乘 n2 乘 n3 乘……。最好的圖像是一棵分支樹:第一個選擇分成 n1 條枝,每條枝再分成 n2 條,最底層的葉子數就是總結果數,也就是各層枝數的乘積。例如一個四位數密碼,每一位都是 0 到 9,就有 10 乘 10 乘 10 乘 10 = 10^4 = 10000 種可能。
「每一步的計數不依賴前面選擇」這個隱藏條件,正是大家常出錯的地方。重點是「方法數」必須穩定,即使具體選項會改變也無妨。例如挑一個不重複字母的三字母代碼:第一個字母有 26 種選擇,第二個有 25 種(用過的不能再用),第三個有 24 種——不論你實際挑了哪些字母,26、25、24 這些計數都固定不變,所以可以相乘得到 26 乘 25 乘 24。這正是排列與組合背後的引擎。
一家餐廳有 3 道前菜、5 道主菜、2 道甜點。一份全餐各選一道,所以有 3 乘 5 乘 2 = 30 種組合。如果甜點可以不選,就把「不要甜點」當作第三種甜點選項:3 乘 5 乘 3 = 45 種。
把每一步互不影響的選項數相乘,就得到總數。
只有當步驟是接連進行(「而且」/做這個再做那個)時才相乘。如果是彼此不重疊的不同情況(「或」/這種情況或那種情況),則要相加——那是加法原理,不是這個原理。