Matemáticas 9.º

Técnicas de conteo

45 min · DBA 11

Lo que vas a aprender
  • Contar los resultados de un experimento con un diagrama de árbol y con el principio multiplicativo.
  • Distinguir un experimento con reemplazo de uno sin reemplazo y contar sus resultados.
  • Calcular permutaciones y combinaciones, y decidir cuál corresponde a una situación según importe o no el orden.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

¿Cuántas claves distintas tiene el candado de tu locker? ¿De cuántas formas se pueden repartir el primero, el segundo y el tercer puesto de una carrera? ¿Cuántos comités de tres personas se pueden armar en tu salón? Hacer la lista completa de las posibilidades es lento y es fácil que se escape alguna, o que alguna se cuente dos veces.

Las técnicas de conteo son maneras de contar sin hacer la lista. Además, son la base de la probabilidad: para saber qué tan probable es algo, primero hay que saber cuántos resultados son posibles.

Antes de empezar necesitas manejar bien la multiplicación y las potencias de números naturales.

Explicación

Experimentos y resultados

Un experimento aleatorio es una acción cuyo resultado no se puede predecir aunque se repita en las mismas condiciones: lanzar una moneda, sacar una balota de una bolsa, sortear un puesto. Contar sus resultados posibles es la primera tarea.

El diagrama de árbol

Cuando el experimento ocurre por etapas, se puede dibujar un árbol. De un punto de partida salen tantas ramas como opciones tiene la primera etapa; de la punta de cada rama salen las opciones de la segunda etapa, y así sucesivamente. Cada camino completo, de la raíz a una hoja, es un resultado. El árbol tiene la ventaja de que muestra todos los resultados; su desventaja es que crece muy rápido.

El principio multiplicativo

Si una etapa se puede hacer de $m$ maneras y, para cada una de ellas, la siguiente se puede hacer de $n$ maneras, las dos etapas juntas se pueden hacer de $m \cdot n$ maneras. Con más etapas se sigue multiplicando. Es lo mismo que contar las hojas del árbol sin dibujarlo.

Cuidado: las opciones se multiplican cuando se eligen una de cada grupo. Se suman solo cuando se elige una sola cosa entre varios grupos (una sopa o un plato fuerte, no los dos).

Con reemplazo y sin reemplazo

Piensa en sacar balotas de una bolsa, una tras otra.

  • Con reemplazo: cada balota se anota y se devuelve a la bolsa. En cada etapa están otra vez todas las opciones, así que pueden salir repetidas. Con $n$ opciones y $r$ etapas hay $n^r$ resultados.
  • Sin reemplazo: la balota que sale no vuelve. En cada etapa hay una opción menos: $n$, luego $n-1$, luego $n-2$…, y una opción que ya salió no vuelve a salir.

Una clave en la que los dígitos se pueden repetir es un caso «con reemplazo»; repartir premios distintos entre personas, donde nadie recibe dos, es «sin reemplazo».

Permutaciones: importa el orden

Para ordenar $n$ objetos distintos hay $n$ opciones para el primer lugar, $n-1$ para el segundo, y así hasta $1$. Ese producto se llama factorial de $n$: $n! = n \cdot (n-1) \cdots 2 \cdot 1$. Por convenio, $0! = 1$.

Si solo se llenan $r$ lugares con $n$ objetos, sin repetir y en un orden que importa, se tiene una permutación. Su número es

$$P(n, r) = n \cdot (n-1) \cdots (n-r+1) = \frac{n!}{(n-r)!}.$$

Combinaciones: no importa el orden

A veces solo importa quiénes quedan escogidos, no en qué orden: un comité sin cargos, los sabores de una copa de helado, las preguntas que contestas de un examen. Eso es una combinación. Cada grupo de $r$ objetos aparece $r!$ veces entre las permutaciones (una por cada orden), así que se divide:

$$C(n, r) = \frac{P(n, r)}{r!} = \frac{n!}{r!\,(n-r)!}.$$

¿Qué técnica uso?

Antes de calcular, hazte dos preguntas sobre la situación:

  1. ¿Se puede repetir? Si sí y el orden importa (como en una clave), es con reemplazo: principio multiplicativo, $n^r$. El caso con repetición y sin orden no se ve en 9.º.
  2. Si no se repite, ¿importa el orden? Si cambiar el orden da un resultado distinto (cargos, puestos, horarios), son permutaciones. Si da el mismo resultado (grupos, comités), son combinaciones.

Justificar la técnica es parte de la respuesta: un número sin explicación no dice si se contó bien.

Camiseta Pantaloneta Roja Azul Negra → roja y negra Gris → roja y gris Blanca → roja y blanca Negra → azul y negra Gris → azul y gris Blanca → azul y blanca

Árbol de los uniformes: cada camiseta se combina con cada pantaloneta. Cada camino de la raíz a una hoja es un uniforme distinto.

Ejemplo resuelto

Del árbol al principio multiplicativo

El uniforme de deporte se arma con una camiseta (roja o azul) y una pantaloneta (negra, gris o blanca). ¿Cuántos uniformes distintos hay? ¿Y si además se eligen medias blancas o negras?

Ver la solución paso a paso
  1. En el árbol, de la raíz salen 2 ramas (las camisetas) y de cada una salen 3 (las pantalonetas). Las hojas son los uniformes.

  2. Para cada una de las 2 camisetas hay 3 pantalonetas, así que multiplicamos:

    $$2 \cdot 3$$

  3. Hay 6 uniformes, las mismas 6 hojas del árbol.

    $$6$$

  4. Con las medias aparece una tercera etapa de 2 opciones. Cada uno de los 6 uniformes se combina con cada color de medias:

    $$2 \cdot 3 \cdot 2$$

  5. Hay 12 uniformes. El árbol tendría 12 hojas: ya no vale la pena dibujarlo.

    $$12$$

Respuesta: $12$

Ejemplo resuelto

Con reemplazo y sin reemplazo

Un candado tiene 3 ruedas y cada rueda trae los diez dígitos del 0 al 9. ¿Cuántas claves hay si los dígitos se pueden repetir? ¿Y si no se pueden repetir?

Ver la solución paso a paso
  1. Con repetición. Cada rueda puede marcar cualquiera de los 10 dígitos, aunque otra rueda ya lo tenga: es como sacar una balota y devolverla. Son 3 etapas de 10 opciones:

    $$10 \cdot 10 \cdot 10$$

  2. Es decir, $n^r$ con $n = 10$ y $r = 3$:

    $$10^{3}$$

  3. Hay mil claves, desde 000 hasta 999.

    $$1000$$

  4. Sin repetición. La primera rueda tiene 10 opciones; la segunda, solo 9, porque no puede repetir la primera; la tercera, 8:

    $$10 \cdot 9 \cdot 8$$

  5. Hay 720 claves sin dígitos repetidos. Es un conteo sin reemplazo, y da menos que el de con reemplazo.

    $$720$$

Respuesta: $720$

Ejemplo resuelto

Permutación o combinación

En un curso hay 8 candidatos. ¿De cuántas formas se pueden elegir presidente, vicepresidente y secretario? ¿Y de cuántas formas se puede elegir un comité de 3 personas sin cargos?

Ver la solución paso a paso
  1. Con cargos. No se repite (nadie ocupa dos cargos) y el orden importa: si Ana es presidenta y Luis secretario no es lo mismo que al revés. Es una permutación, $P(8, 3)$: 8 opciones para presidente, 7 para vicepresidente y 6 para secretario.

    $$8 \cdot 7 \cdot 6$$

  2. Hay 336 formas de repartir los tres cargos.

    $$336$$

  3. Es lo que da la fórmula de las permutaciones: $P\left(8;\ 3\right) = 336$

  4. Sin cargos. Ahora solo importa quiénes quedan. Cada grupo de 3 personas aparece en la lista anterior tantas veces como formas hay de ordenarlo, $3! = 3 \cdot 2 \cdot 1 = 6$. Dividimos:

    $$\frac{8 \cdot 7 \cdot 6}{3 \cdot 2 \cdot 1}$$

  5. Simplificamos:

    $$\frac{336}{6}$$

  6. Hay 56 comités distintos.

    $$56$$

  7. Es la combinación de 8 tomados de 3 en 3: $C\left(8;\ 3\right) = 56$

Respuesta: $56$

Práctica

La cafetería arma el almuerzo con una de 4 sopas, uno de 3 platos fuertes y uno de 2 jugos. ¿Cuántos almuerzos distintos se pueden armar?

Un candado de maleta tiene 4 ruedas y cada una trae los diez dígitos. Si los dígitos se pueden repetir, ¿cuántas claves distintas hay?

El mismo candado de 4 ruedas con los diez dígitos, pero ahora la clave no puede repetir dígitos. ¿Cuántas claves hay?

¿De cuántas formas distintas se pueden ordenar 5 libros diferentes en un estante?

En una carrera corren 7 atletas. ¿De cuántas formas se pueden repartir las medallas de oro, plata y bronce?

Hay que escoger 2 representantes, sin cargos, entre los 12 estudiantes de un grupo. ¿Cuántas parejas distintas se pueden escoger?

En las pruebas de atletismo del colegio hay 6 pruebas y 4 franjas horarias. Cada participante presenta una prueba distinta en cada franja. ¿De cuántas formas puede organizar su jornada?

¿Verdadero o falso? Escoger 2 de 6 estudiantes para una comisión da tantas posibilidades como escoger entre esos 6 un presidente y un tesorero.

Lanzas una moneda 3 veces y después un dado de 6 caras. ¿Cuántos resultados distintos tiene el experimento?

¿En cuál de estas situaciones el experimento es con reemplazo?

Una heladería tiene 8 sabores. Quieres una copa con 3 sabores distintos y no te importa en qué orden te los sirvan. ¿Qué técnica conviene usar para contar las copas posibles?

Reto

Claves con vocales.

Con las cinco vocales se forman claves de dos letras. Elige el número de cada hueco.

Reto

Abre el candado contando.

Cada pista da un dígito de la clave.

Reto

Busca las palabras del conteo.

Encuentra en la sopa las palabras de esta lección.

Cierre

En resumen

  • El diagrama de árbol muestra todos los resultados de un experimento por etapas; el principio multiplicativo los cuenta sin dibujarlo.

  • Con reemplazo cada etapa tiene otra vez todas las opciones (n^r resultados); sin reemplazo cada etapa tiene una opción menos.

  • Una permutación es una selección sin repetición en la que importa el orden; P(n, r) = n!/(n − r)!.

  • Una combinación es una selección sin repetición en la que no importa el orden; C(n, r) = n!/(r!(n − r)!).

  • Para elegir la técnica se pregunta primero si se puede repetir y después si importa el orden.

Vocabulario

Diagrama de árbol

Dibujo que muestra, rama por rama, todos los resultados posibles de un experimento que ocurre por etapas.

Principio multiplicativo

Si una etapa se puede hacer de m maneras y la siguiente de n maneras, las dos juntas se pueden hacer de m · n maneras.

Factorial

El producto de los naturales desde n hasta 1. Se escribe n! y cuenta las formas de ordenar n objetos distintos.

Permutación

Una selección ordenada de r objetos tomados de n, sin repetir. Su número es P(n, r) = n!/(n − r)!.

Combinación

Una selección de r objetos tomados de n, sin repetir y sin que importe el orden. Su número es C(n, r) = n!/(r!(n − r)!).

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Contar, justificando la técnica, cuántas placas de carro se forman con 3 letras y 3 dígitos si se pueden repetir, y cuántas si no se pueden repetir ni letras ni dígitos (con 26 letras).