The Foundations of Counting

  • If a task involves a sequence of choices where there are $p$ selections for the first choice, $q$ selections for the second choice, and $r$ selections for the third, the entire task can be done in $p \cdot q \cdot r \dots$ different ways.
  • This Multiplication Rule of Counting explains why a restaurant offering 2 appetizers, 4 entrĂ©es, and 2 desserts results in 16 total possible meal orders.

Permutations vs. Combinations

When you need to choose items from a group without repetition, you have to decide if the order of your selection is important.

  • A permutation is an ordered arrangement of $r$ objects chosen from $n$ distinct objects where repetition is not allowed.
  • Permutations are calculated using the formula $_nP_r = \frac{n!}{(n-r)!}$.
  • Finding out the number of ways distinct horses can cross the finish line in first, second, and third place requires a permutation because the finishing order is important.
  • A combination is a collection of $r$ objects chosen from $n$ distinct objects without repetition, where the order does not matter.
  • Combinations are calculated using the formula $_nC_r = \frac{n!}{r!(n-r)!}$.
  • Selecting a two-person team from a group of four friends to play golf is a combination because the order in which the two friends are selected does not matter.

Permutations with Nondistinct Items

  • If you are arranging $n$ objects where some items are identical (like $n_1$ of one kind and $n_2$ of a second kind), you cannot use the standard permutation formula.
  • Instead, the number of permutations is found using the formula $\frac{n!}{n_1! \cdot n_2! [cite_start]\dots n_k!}$.
  • This formula is necessary for problems like finding the number of distinguishable DNA sequences you can form using a specific mix of letters representing nucleotide bases.

Putting It Together: Choosing Your Method

Determining the correct probability rule or counting technique is often the hardest part of solving a problem.

Probability Rules

  • To find the probability of a single event with equally likely outcomes, use the classical approach formula: $P(E) = \frac{N(E)}{N(S)}$.
  • If the events involve the word "AND", use the General Multiplication Rule, determining first whether the events are independent.
  • If the events involve the word "OR", use the General Addition Rule, determining first whether the events are disjoint or mutually exclusive.

Counting Techniques Flowchart

  • First, ask yourself if you are making a sequence of choices.
  • If you are making a sequence of choices that are independent of previous stages, rely on the Multiplication Rule of Counting.
  • If you are not making a sequence of choices, ask yourself if the order of arrangements matters.
  • If order matters, and you are selecting $r$ objects from $n$ distinct objects, apply the permutation formula.
  • If order does not matter, apply the combination formula.