최근 수정 시각 : 2025-04-09 23:49:58

조합

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이산수학
Discrete Mathematics
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이론
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1. 개요2. 상세
2.1. 조합의 성질
3. 중복 조합4. 기타
4.1. 교육과정4.2. 표기 기호
5. 관련 문서

1. 개요

· combination

서로 다른 [math(n)]개의 원소에서 [math(r)](단, [math(0<r \leq n)])개를 중복 없이, 순서를 고려하지 않고 선택하는 것.

어떤 순서로 원소를 선택했는지는 중요하지 않기에 순열과는 다른 개념이다.[1]

이 문서에서는 대한민국 수학 교육과정에서 차용한 조합의 표기인 [math({}_{n}{\rm C}_{r})](조합), [math({}_{n}{\rm H}_{r})](중복 조합)을 사용하였다.

2. 상세

집합의 크기(원소의 개수)가 [math(n)]인 집합 [math(S)]에 대해[2] [math(S)]가 갖는 [math(r)]-부분집합[3]의 개수는 이항계수와 같으며, 각 부분집합을 [math(n)]개에서 [math(r)]개를 택하는 조합이라고 한다.

이제 조합의 수를 어떻게 구하는 지 알아보기 위해 간단한 예를 들어보자. 네 문자 [math(a)], [math(b)], [math(c)], [math(d)] 중에서 세 문자를 택하는 경우의 수는 우선 순열을 통해 배열할 수 있는 가짓 수 [math({}_{4}{\rm P}_{3})]을 먼저 구한다. 그러나 순열은 순서를 고려해줬기 때문에 뽑은 문자를 배열하는 경우의 수 [math(3!)]을 나눠주어야 한다. 따라서 구하는 경우의 수는 다음과 같다.
[math(\begin{aligned} \frac{{}_{4}{\rm P}_{3}}{3!}=4 \end{aligned})]
이것을 일반화하면, 서로 다른 [math(n)]개의 원소에서 [math(r)](단, [math(0<r \leq n)])개를 중복 없이, 순서를 고려하지 않고 선택하는 경우의 수는 다음과 같다.
[math(\begin{aligned} \frac{{}_{n}{\rm P}_{r}}{r!} \equiv {}_{n}{\rm C}_{r} \end{aligned})]

한편, 순열의 정의
[math(\begin{aligned} {}_{n}{\rm P}_{r}=\frac{n!}{(n-r)!} \end{aligned})]
임을 상기하면,
[math(\begin{aligned} \begin{aligned} {}_{n}{\rm C}_{r}&=\frac{n!}{(n-r)! \times r!} \\&=\frac1{r!} \prod_{i=0}^{r-1} (n-i) \end{aligned}\end{aligned})]
순열과 마찬가지로 감마 함수를 사용하면
[math(\begin{aligned} {}_{n}{\rm C}_{r}=\frac{\Gamma(n+1)}{\Gamma(n-r+1) \Gamma(r+1)} \end{aligned})]
로 정의할 수 있다. 이 때문에 [math(r=0)]이어도 정의된다.

2.1. 조합의 성질

  1. [math({}_{n}{\rm C}_{r}={}_{n}{\rm C}_{n-r})]
    • [math(n)]개중 [math(r)]개를 뽑는 것은 [math(n)]개중 [math((n-r))]개의 뽑지 않을 것을 고르는 것과 가짓수가 같다.
  2. [math({}_{n}{\rm C}_{r}={}_{n-1}{\rm C}_{r}+{}_{n-1}{\rm C}_{r-1})]
    • [math(n)]개중 한 개를 고정, [math(\rm A)]라고 한다. 이제 [math(n)]개중 [math(r)]개를 뽑는 가짓수는 [math(\rm A)]를 뽑는 경우와 뽑지 않는 2가지로 나눠지고, 각각의 가짓수는 [math({}_{n-1}{\rm C}_{r-1})], [math({}_{n-1}{\rm C}_r)]이다. 역시 직접 전개하여 증명할 수도 있다. 이를 고등학교 교육과정에서는 '포함-배제의 원리'라고 한다.

3. 중복 조합

조합과 마찬가지로 [math(n)]개의 원소에서 [math(r)]개를 순서에 상관없이 뽑는데, 중복을 허락할 때의 가짓수이다.

이 문제를 다룰 때는 흔히 공과 칸막이[4]로 문제를 간단히 하여 생각한다. 이제 [math(a)], [math(b)], [math(c)] 세 종류의 문자를 중복을 허락하여 7개 택하는 경우의 수를 구해보자.

우선 공 7개를 일렬로 배치한다. 이제 세 문자를 구분하기 위해서 공과 공 사이에 칸막이를 삽입할 것인데, 이때 필요로 하는 칸막이는 2개만 있으면 된다. 즉,
([math(a)]를 선택한 자리) | ([math(b)]를 선택한 자리) | ([math(c)]를 선택한 자리)
인데, 여기서 |가 칸막이를 나타낸다. 이제 다음과 같이 배열되었다고 생각해보자.

파일:namu_중복조합_설명1.png

위 경우 [math(a)], [math(c)]는 각각 두 번, [math(b)]는 세 번 뽑혔음을 나타낸다. 다음은 해석에 유의해야하는 배열의 예이다.
배열 [math(\boldsymbol{a})]가 뽑힌 개수 [math(\boldsymbol{b})]가 뽑힌 개수 [math(\boldsymbol{c})]가 뽑힌 개수
| ○ ○ | ○ ○ ○ ○ ○ 0 2 5
○ ○ ○ ○ | | ○ ○ ○ 4 0 3
○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ | | 7 0 0

따라서 우리가 생각하는 경우의 수는 이 칸막이 수까지 합친 9개의 자리에 공과 칸막이를 나열할 것인데, 칸막이를 먼저 나열하면 공은 자동으로 배치되므로 칸막이가 들어갈 자리를 고르는 것과 같다. 단, 칸막이는 동일한 것으로 생각하므로 이 때는 순열이 아닌 조합으로 구함에 유의한다.

이상에서 그 경우의 수는 [math({}_{9}{\rm C}_{2})]가 되는 것이다. 이것을 일반화하면, [math({}_{n+r-1}{\rm C}_{n-1} )]인데, 조합의 성질에 따라서 이것은 [math({}_{n+r-1}{\rm C}_{r})]과 같다. 다음을 정의한다.
[math(\begin{aligned} {}_{n+r-1}{\rm C}_{r} \equiv {}_{n}{\rm H}_{r} \end{aligned})]

참고적으로 [math(n<r)]의 경우를 허용하기 때문에 [math(n)]이 무엇인지, [math(r)]이 무엇인지 정확하게 판단할 필요가 있다. 위의 예시에 적용하면 [math(n)]은 문자의 종류([math(a)], [math(b)], [math(c)]) 3가지, [math(r)]은 뽑는 횟수 7회가 된다.

프로야구 3연전에서 A팀과 B팀이 맞붙고, 승과 패의 결과만 있다고 가정하는 경우, A팀의 시리즈 종류는 4종류이다.(3연전 스윕승, 2승 1패 위닝시리즈, 1승 2패 루징시리즈,3연전 스윕패) 이는 중복조합으로 구할 수 있다.
여기서 [math(n)]은 각 경기당 결과 수 2가지(승, 패), [math(r)]은 시리즈당 경기 수 3개다. 따라서 [math(\begin{aligned} {}_{2}{\rm H}_{3} = {}_{2+3-1}{\rm C}_{3} = {}_{4}{\rm C}_{3} = 4 \end{aligned})], 4가지 시리즈를 구할 수 있다.

마찬가지로, 무승부나 우천취소를 포함하거나 2연전 및 4연전 시리즈의 시리즈 종류도 구할 수 있다.
  • 2연전의 경우
[math(r=2)]
  • 승, 패만 거둘 경우
[math(n=2)]
[math(\begin{aligned} {}_{2}{\rm H}_{2} = {}_{2+2-1}{\rm C}_{2} = {}_{3}{\rm C}_{2} = 3 \end{aligned})], 3가지 시리즈
  • 승, 패 및 무승부와 우취 중 어느 하나를 포함할 경우
[math(n=3)]
[math(\begin{aligned} {}_{3}{\rm H}_{2} = {}_{3+2-1}{\rm C}_{2} = {}_{4}{\rm C}_{2} = 6 \end{aligned})], 6가지 시리즈
  • 승, 패, 무, 우취 모두 가정할 경우
[math(n=4)]
[math(\begin{aligned} {}_{4}{\rm H}_{2} = {}_{4+2-1}{\rm C}_{2} = {}_{5}{\rm C}_{2} = 10 \end{aligned})], 10가지 시리즈
  • 3연전의 경우
[math(r=3)]
  • 승, 패만 거둘 경우
[math(n=2)]
[math(\begin{aligned} {}_{2}{\rm H}_{3} = {}_{2+3-1}{\rm C}_{3} = {}_{4}{\rm C}_{3} = 4 \end{aligned})], 4가지 시리즈
  • 승, 패 및 무승부와 우취 중 어느 하나를 포함할 경우
[math(n=3)]
[math(\begin{aligned} {}_{3}{\rm H}_{3} = {}_{3+3-1}{\rm C}_{3} = {}_{5}{\rm C}_{3} = 10 \end{aligned})], 10가지 시리즈
  • 승, 패, 무, 우취 모두 가정할 경우
[math(n=4)]
[math(\begin{aligned} {}_{4}{\rm H}_{3} = {}_{4+3-1}{\rm C}_{3} = {}_{6}{\rm C}_{3} = 20 \end{aligned})], 20가지 시리즈

* 4연전의 경우
[math(r=4)]
  • 승, 패만 거둘 경우
[math(n=2)]
[math(\begin{aligned} {}_{2}{\rm H}_{4} = {}_{2+4-1}{\rm C}_{4} = {}_{5}{\rm C}_{4} = 5 \end{aligned})], 5가지 시리즈
  • 승, 패 및 무승부와 우취 중 어느 하나를 포함할 경우
[math(n=3)]
[math(\begin{aligned} {}_{3}{\rm H}_{4} = {}_{3+4-1}{\rm C}_{4} = {}_{6}{\rm C}_{4} = 15 \end{aligned})], 15가지 시리즈
  • 승, 패, 무, 우취 모두 가정할 경우
[math(n=4)]
[math(\begin{aligned} {}_{4}{\rm H}_{4} = {}_{4+4-1}{\rm C}_{4} = {}_{7}{\rm C}_{4} = 35 \end{aligned})], 35가지 시리즈


하강 계승(순열)으로 정의되는 조합과 비슷하게, 상승 계승을 이용하면 조합을 이용한 정의보다 더 깔끔한 정의가 가능하다.
[math(\begin{aligned} {}_{n}{\rm H}_{r}= \dfrac{n^{\overline r}}{r!} \end{aligned})]

언뜻 보기에 조합의 특수한 경우로밖에 안 보이지만 사실 아주 중요한 성질이 있다. 부분곱으로 나타낸 중복 조합식의 [math(n)]에 [math(-n)]을 대입하면 다음과 같이 식이 변형되면서 조합에 관한 식으로 바뀐다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} {}_{-n}{\rm H}_r &= \frac 1{r!} \prod_{i=0}^{r-1}(-n+i) \\&= \frac{(-1)^r}{r!} \prod_{i=0}^{r-1}(n-i) \\&= (-1)^r {}_n{\rm C}_r \end{aligned})]
이를 달리 표현하면 중복 조합은 조합에서 [math(n)]이 음수인 경우로 볼 수 있고[5] [math(n)]의 범위를 모든 정수로 확장[6]해주는 성질이 있음을 알 수 있다.

한편, 중복조합의 가짓수를 계산하는 공식에서 뜬금없이 공과 막대기를 들이대는 관행 때문에 산만하다고 불평하는 학습자들도 있다. 다행히(?) 이는 증가수열의 원리를 이용하면 우회할 수 있다. 방법인즉슨, 이번 항이 다음 항보다 크지 않게끔 [math(r)]개의 자연수 항으로 이뤄진 증가수열을 설정하고, 이 수열의 각 항에다가 [math(0, 1, 2, 3, 4, ⋯, (r-1))]를 더하는 것이다. 이러면 이 수열은 [math(r)]개항으로 이뤄진 순증가수열로 바뀐다. 숫자를 더하기 이전의 수열이 중복가능히 선택된 수열이라면, 이 순증가수열은 중복불능히 선택된 수열이다. 이 두 증가수열의 가짓수는 몇가지인가? 전자의 가짓수는 [math(1)]부터 [math(n)]까지의 자연수 [math(n)]개 중 [math(r)]개의 원소를 중복가능히 선택한 개수와 같고, 후자의 가짓수는 [math(1)]부터 [math(n+(r-1))]까지의 자연수 [math(n+(r-1))]개 중에서 [math(r)]개의 원소를 중복불능히 선택한 개수와 같으며, 전자와 후자의 두 수열은 명백히 일대일 대응 관계에 의해 정의되었으므로 둘의 가짓수는 같을 수밖에 없다. 비록 조합을 다룰 때 동원되는 이산수학적 관점과는 상당히 동떨어진 지나치게 수식의존적인 설명방법이지만, 사람에 따라서는 이 방법이 훨씬 자명하게 느껴질 수도 있다. 다만 일선 중등교육 현장에서는 교육과정상 수열에 대해 가르치는 타이밍의 문제도 있고 집합론적 사고방식이 단련되지 않은 학생들이 많으며 해당 단원의 의도와도 잘 들어맞지 않는 등의 이유로 중복조합을 가르칠 때 딱히 권장되는 방식은 아니다.

4. 기타

4.1. 교육과정

  • 중국에서는 이과 학생들만 순열과 조합을 배운다.

4.2. 표기 기호

  • 조합의 경우 국제적으로 세 기호가 통용된다.
    • [math({}_n{\rm C}_r)]
    • [math({\rm C}(n,r))]
    • [math(\!\dbinom nr)]

    우리나라의 경우 중등 교육과정에서는 첫 번째 표기법이 자주 보이나, 학부부터는 세 번째 표기법이 주를 이루게 된다. 참고로 수학 스택익스체인지에 올라온 질문글 답변에 따르면 세 번째 표기법이 여러 개의 조합식을 써냈을 때 가독성이 가장 좋다고 한다. 다만 [math(1 \times 2)] 행렬과 혼동할 여지가 있어, 행렬과 같이 쓸 때면 행렬 쪽은 보통 대괄호를 쓴다.
  • [math({}_{n} \mathrm{C}_{r})]에서 [math(\rm C)]는 조합의 영어 명칭 combination에서 따왔다.
  • [math({}_{n}{\rm C}_{r})]을 [math(TeX)]상에서 입력하려면 {}_{n}{\rm C}_{r}을 입력하면 된다.
  • Wolfram Alpha의 경우 nCr, C(n, r) 모두 인식한다.
  • 중복 조합의 경우 국제적으로 세 기호가 통용된다. 다만, 조합 기호를 이용해서 나타낼 수 있기 때문에 국가에 따라서는 따로 기호를 만들어 쓰지 않는 경우가 많고 별도의 기호가 있다 하더라도 국가마다 제각각이다.
    • [math({}_n{\rm H}_r)][7]
    • [math({\rm M}(n,r))]
    • [math(\!\left(\!\!\dbinom nr\!\!\right))]
  • [math({}_n{\rm H}_r)]의 [math(\rm H)]는 동차 단항식(homogeneous monomial) 또는 동차곱(homogeneous product)의 homogeneous에서 딴 것이다.
  • [math({}_n{\rm H}_r)]을 [math(TeX)]상에서 입력하려면 {}_{n}{\rm H}_{r}을 입력하면 된다.
  • [math({\rm M}(n,r))]의 [math(\rm M)]은 중복조합(multi-choose)의 multi-choose 또는 중복집합 계수(multiset coefficient)의 multiset에서 딴 것이다.
  • Wolfram Alpha에서 중복 조합은 multichoose(n, r)를 이용한다.

5. 관련 문서



[1] 순열은 [math(n)]개의 원소를 갖는 집합에서 [math(r)]개의 원소를 선택하는 것 혹은 그 결과이지만, 선택의 순서가 중요하다. 같은 원소들을 선택했더라도 선택의 순서가 다르다면 다른 순열이지만, 조합은 어떤 순서로 선택을 하던 같은 원소들만 선택했다면 같은 조합이다.[2] 이때 [math(|S|=n)]라고 적는다.[3] [math(r)]개의 원소를 갖는 부분집합이라는 의미이다.[4] 영미권에서는 별과 막대기(stars and bars)라는 용어를 쓴다.[5] 엄밀히 따지면 [math({}_{-n}{\rm C}_r = (-1)^r {}_n{\rm H}_r)][6] 사실 조합을 부분곱으로 나타낸 식을 보면 알겠지만 애초에 그 식에서는 [math(n)]이 복소수여도 상관이 없다. 테일러 급수의 예 문서 참조[7] 주로 한국이나 일본에서 통용되는 기호이다.

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