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Lição 37 — Permutações e arranjos

Permutação total Pn = n!. Arranjo A(n,p). Quando a ordem importa.

Used in: 1.º ano EM (15 anos) · Equiv. Math A japonês · Equiv. Klasse 10 alemã

Pn=n!,Anp=n!(np)!P_n = n!, \qquad A_n^p = \frac{n!}{(n-p)!}

Permutação de n objetos: n!n! formas de ordená-los. Arranjo: ordenar p objetos selecionados de n totais — n!/(np)!n!/(n-p)!. Em ambos, a ordem importa.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Definições e demonstrações

Fatorial

"Definimos o fatorial de nn como n!=n(n1)(n2)21n! = n(n-1)(n-2) \cdots 2 \cdot 1 para n1n \geq 1, e 0!=10! = 1." — OpenStax Algebra and Trigonometry 2e, §11.7

Crescimento de fatorial:

nn!ordem de grandeza5120centenas103 628 800milhões202,4 × 10¹⁸quintilhões528 × 10⁶⁷mais que átomos no universo170overflow em float64

Crescimento superexponencial de n!. Aproximação de Stirling: n! ≈ √(2πn)·(n/e)ⁿ.

Permutação simples

Permutação com repetição

Para nn objetos com n1n_1 do tipo 1, n2n_2 do tipo 2, ..., nkn_k do tipo kk (com n1+n2++nk=nn_1 + n_2 + \cdots + n_k = n):

Pnn1,n2,,nk=n!n1!n2!nk!P_n^{n_1, n_2, \ldots, n_k} = \frac{n!}{n_1! \cdot n_2! \cdots n_k!}
what this means · Divide-se por n_i! porque trocar elementos iguais do tipo i entre si não gera nova configuração.

Anagramas de "ARARA" (3 A's, 2 R's): 5!/(3!2!)=105!/(3! \cdot 2!) = 10.

"O número de permutações distinguíveis de nn objetos onde existem n1n_1 objetos idênticos do tipo 1, n2n_2 do tipo 2, ..., e nrn_r do tipo rr, é n!n1!n2!nr!\frac{n!}{n_1! n_2! \cdots n_r!}." — OpenStax Algebra and Trigonometry 2e, §11.7

Arranjo simples

Permutação circular

nn objetos em círculo: (n1)!(n-1)!. Razão: a "primeira posição" é arbitrária — girar todos juntos não gera nova configuração. Formalmente: fixe um objeto em uma posição; os outros n1n-1 permutam livremente.

Exemplos resolvidos

Exercise list

46 exercises · 11 with worked solution (25%)

Application 32Understanding 4Modeling 8Challenge 1Proof 1
  1. Ex. 37.1Application

    Calcule 5!5!.

    Show solution
    Por definição, 5!=54321=1205! = 5 \cdot 4 \cdot 3 \cdot 2 \cdot 1 = 120.
  2. Ex. 37.2Application

    Calcule 8!/5!8!/5!.

    Show solution
    Cancelando o fator comum: 8!/5!=876=3368!/5! = 8 \cdot 7 \cdot 6 = 336.
    Show step-by-step (with the why)
    1. O que é pedido? Um quociente de fatoriais — sem precisar expandir os dois.
    2. Reescrever: 8!=8765!8! = 8 \cdot 7 \cdot 6 \cdot 5!. O 5!5! aparece no numerador e denominador.
    3. Cancelar: 8!/5!=8768!/5! = 8 \cdot 7 \cdot 6.
    4. Multiplicar: 87=568 \cdot 7 = 56, depois 566=33656 \cdot 6 = 336.

    Macete: nunca expanda o fatorial maior; cancele o menor primeiro.

  3. Ex. 37.3ApplicationAnswer key

    Quantos anagramas de "MAR" existem?

    Show solution
    "MAR" tem 3 letras distintas: P3=3!=6P_3 = 3! = 6.
  4. Ex. 37.4Application

    Quantos anagramas de "CASA" existem?

    Show solution
    "CASA" tem 4 letras com 1 repetição (2 A's): P42=4!/2!=12P_4^{2} = 4!/2! = 12.
  5. Ex. 37.5Application

    Quantos anagramas de "MISSISSIPPI" existem?

    Show solution
    11 letras com 4 I's, 4 S's, 2 P's, 1 M: 11!/(4!4!2!)=39916800/1152=3465011!/(4! \cdot 4! \cdot 2!) = 39\,916\,800/1\,152 = 34\,650.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Contar letras: M-I-S-S-I-S-S-I-P-P-I → 1 M, 4 I, 4 S, 2 P (total 11).
    2. Aplicar fórmula: P111,4,4,2=11!/(1!4!4!2!)P_{11}^{1,4,4,2} = 11!/(1! \cdot 4! \cdot 4! \cdot 2!).
    3. Calcular numerador: 11!=3991680011! = 39\,916\,800.
    4. Calcular denominador: 124242=11521 \cdot 24 \cdot 24 \cdot 2 = 1\,152.
    5. Dividir: 39916800/1152=3465039\,916\,800/1\,152 = 34\,650.

    Macete: sempre conte multiplicidade primeiro — erros nascem aí.

  6. Ex. 37.6ApplicationAnswer key

    Calcule A53A_5^3.

    Show solution
    Arranjo: A53=5!/(53)!=543=60A_5^3 = 5!/(5-3)! = 5 \cdot 4 \cdot 3 = 60.
  7. Ex. 37.7Application

    Calcule A82A_8^2.

    Show solution
    A82=87=56A_8^2 = 8 \cdot 7 = 56.
  8. Ex. 37.8ApplicationAnswer key

    Quantas filas de 4 pessoas podem ser feitas com 7 candidatos?

    Show solution
    Arranjo de 7 candidatos tomados 4 a 4: A74=7654=840A_7^4 = 7 \cdot 6 \cdot 5 \cdot 4 = 840.
  9. Ex. 37.9Application

    Premiação 1.º, 2.º, 3.º entre 12 atletas. Quantos pódios distintos são possíveis?

    Show solution
    Pódio = arranjo: A123=121110=1320A_{12}^3 = 12 \cdot 11 \cdot 10 = 1\,320.
  10. Ex. 37.10Application

    Quantos números de 3 dígitos distintos podem ser formados com {1,2,3,4,5}\{1, 2, 3, 4, 5\}?

    Show solution
    Arranjo de 5 algarismos tomados 3 a 3: A53=543=60A_5^3 = 5 \cdot 4 \cdot 3 = 60.
  11. Ex. 37.11ApplicationAnswer key

    Verifique a igualdade 7!/(73)!=7657!/(7-3)! = 7 \cdot 6 \cdot 5.

    Show solution
    7!/(73)!=7!/4!=7654!/4!=765=2107!/(7-3)! = 7!/4! = 7 \cdot 6 \cdot 5 \cdot 4!/4! = 7 \cdot 6 \cdot 5 = 210. Verificado.
  12. Ex. 37.12Application

    Resolva n!=720n! = 720.

    Show solution
    6!=7206! = 720. Logo n=6n = 6.
  13. Ex. 37.13Application

    Resolva An2=30A_n^2 = 30 para nNn \in \mathbb{N}.

    Show solution
    An2=n(n1)=30A_n^2 = n(n-1) = 30n2n30=0n^2 - n - 30 = 0, raízes n=6n = 6 ou n=5n = -5. Como nNn \in \mathbb{N}, vale n=6n = 6.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Expandir o arranjo: An2=n!/(n2)!=n(n1)A_n^2 = n!/(n-2)! = n(n-1).
    2. Equação: n(n1)=30n2n30=0n(n-1) = 30 \Rightarrow n^2 - n - 30 = 0.
    3. Bhaskara: n=(1±1+120)/2=(1±11)/2n = (1 \pm \sqrt{1 + 120})/2 = (1 \pm 11)/2.
    4. Filtrar: raízes 6 e 5-5; descarte negativa.
    5. Verificar: A62=65=30A_6^2 = 6 \cdot 5 = 30.

    Macete: equações em fatorial sempre viram polinomiais — não tente brute-force.

  14. Ex. 37.14ApplicationAnswer key

    Quantos anagramas de "CIDADE" existem?

    Show solution
    "CIDADE" tem 6 letras com 2 D's repetidos: 6!/2!=720/2=3606!/2! = 720/2 = 360.
  15. Ex. 37.15Application

    Quantos anagramas de "BANANA" existem?

    Show solution
    "BANANA": 6 letras com 3 A's e 2 N's: 6!/(3!2!)=720/12=606!/(3! \cdot 2!) = 720/12 = 60.
  16. Ex. 37.16ApplicationAnswer key

    Quantas senhas de 5 dígitos diferentes podem ser formadas com algarismos {0,1,,9}\{0, 1, \ldots, 9\}?

    Show solution
    Arranjo de 10 algarismos tomados 5 a 5: A105=109876=30240A_{10}^5 = 10 \cdot 9 \cdot 8 \cdot 7 \cdot 6 = 30\,240.
  17. Ex. 37.17Application

    De quantas formas 6 livros distintos podem ser dispostos em 3 prateleiras (2 em cada), considerando a ordem dentro de cada prateleira?

    Show solution
    Como cada prateleira recebe 2 livros e a ordem importa, ordenamos os 6 livros distintos em 6 posições: 6!=7206! = 720.
  18. Ex. 37.18Application

    8 pessoas em mesa redonda. Quantas configurações distintas?

    Show solution
    Permutação circular: (81)!=7!=5040(8-1)! = 7! = 5\,040.
  19. Ex. 37.19Understanding

    Justifique por que a permutação circular de nn pessoas é (n1)!(n-1)! e não n!n!.

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    Em mesa redonda, rotações geram a mesma configuração. Há nn rotações por configuração linear, então o total é n!/n=(n1)!n!/n = (n-1)!. A opção A descreve corretamente o raciocínio; C e D confundem permutação circular com colares (onde reflexão também conta).
  20. Ex. 37.20Application

    Quantos anagramas de "AMOR" começam pela letra A?

    Show solution
    Fixando A na primeira posição, restam 3 letras (M, O, R) para permutar nas 3 posições seguintes: 3!=63! = 6.
  21. Ex. 37.21Application

    Quantos anagramas de "MATEMATICA" existem?

    Show solution
    "MATEMATICA" tem 10 letras: 3 A, 2 M, 2 T, 1 E, 1 I, 1 C: 10!/(3!2!2!)=3628800/24=15120010!/(3! \cdot 2! \cdot 2!) = 3\,628\,800/24 = 151\,200.
  22. Ex. 37.22Application

    Quantos anagramas de "PROVA" começam por consoante?

    Show solution
    "PROVA" tem 5 letras distintas. Consoantes: P, R, V (3). Fixe consoante na 1ª posição (3 escolhas) e permute as 4 restantes: 34!=723 \cdot 4! = 72.
  23. Ex. 37.23Application

    Anagramas de "AMOR" com A e O juntos nesta ordem (bloco "AO" indivisível).

    Show solution
    Trate "AO" como um bloco fixo nessa ordem. Sobram 3 itens (bloco + M + R): 3!=63! = 6.
  24. Ex. 37.24ApplicationAnswer key

    10 alunos vão sentar em 10 cadeiras enfileiradas. 2 amigos querem ficar juntos. Quantas configurações?

    Show solution
    Bloco de 2 amigos = 1 elemento. Sobram 9 elementos: 9!9!. Trocas internas no bloco: 2!2!. Total: 29!=2362880=7257602 \cdot 9! = 2 \cdot 362\,880 = 725\,760.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Identificar restrição: 2 amigos juntos → trate como bloco único.
    2. Permutar blocos: bloco + 8 outros = 9 itens em fila linear: 9!=3628809! = 362\,880.
    3. Permutar dentro do bloco: 2 amigos podem trocar de lugar: 2!=22! = 2.
    4. Multiplicar: 9!2=7257609! \cdot 2 = 725\,760.

    Macete: "tem que ficar junto" → bloco único. Não esqueça do 2!2! interno.

  25. Ex. 37.25Application

    8 pessoas em mesa redonda; 2 querem ficar juntas. Quantas configurações?

    Show solution
    Bloco de 2 amigos = 1 elemento. Em mesa redonda com 7 itens (bloco + 6 outros): (71)!=720(7-1)! = 720. Permutação interna do bloco: 2!2!. Total: 2720=14402 \cdot 720 = 1\,440.
  26. Ex. 37.26Application

    Anagramas de "LIVRO" que começam por vogal.

    Show solution
    "LIVRO" tem 5 letras distintas. Vogais: I, O (2). Fixe vogal na 1ª posição (2 escolhas) e permute 4 restantes: 24!=482 \cdot 4! = 48.
  27. Ex. 37.27ApplicationAnswer key

    Quantos números de 4 dígitos distintos podem ser formados com algarismos {1,,9}\{1, \ldots, 9\}?

    Show solution
    Arranjo de 9 algarismos tomados 4 a 4: A94=9876=3024A_9^4 = 9 \cdot 8 \cdot 7 \cdot 6 = 3\,024.
  28. Ex. 37.28Application

    Quantos números pares de 4 dígitos distintos podem ser formados com algarismos {1,2,3,4,5}\{1, 2, 3, 4, 5\}?

    Show solution
    Último dígito (par): 2 ou 4 (2 opções). Os outros 3 dígitos são arranjos dos 4 restantes: A43=432=24A_4^3 = 4 \cdot 3 \cdot 2 = 24. Total: 224=482 \cdot 24 = 48.
  29. Ex. 37.29Application

    Resolva n!/(n3)!=60n!/(n-3)! = 60 para nNn \in \mathbb{N}.

    Show solution
    n!/(n3)!=n(n1)(n2)=60n!/(n-3)! = n(n-1)(n-2) = 60. Testando n=5n = 5: 543=605 \cdot 4 \cdot 3 = 60. Conferido.
  30. Ex. 37.30Application

    Resolva (n+1)!/n!=5(n+1)!/n! = 5.

    Show solution
    (n+1)!/n!=n+1=5n=4(n+1)!/n! = n + 1 = 5 \Rightarrow n = 4.
  31. Ex. 37.31Application

    Em uma corrida com 10 atletas, quantos pódios distintos (1.º, 2.º, 3.º) podem ocorrer?

    Show solution
    Pódio = arranjo de 10 atletas tomados 3 a 3: A103=1098=720A_{10}^3 = 10 \cdot 9 \cdot 8 = 720.
  32. Ex. 37.32Application

    Quantos anagramas de "FATORIAL" existem (todas as letras distintas)?

    Show solution
    "FATORIAL" tem 8 letras todas distintas: 8!=403208! = 40\,320.
  33. Ex. 37.33Application

    Cinco cartas escolhidas e ordenadas em fila de 7 cartas distintas — quantas configurações?

    Show solution
    Arranjo: A75=7!/(75)!=7!/2!=5040/2=2520A_7^5 = 7!/(7-5)! = 7!/2! = 5\,040/2 = 2\,520.
  34. Ex. 37.34Understanding

    Verifique a recorrência Anp=nAn1p1A_n^p = n \cdot A_{n-1}^{p-1} para n=6,p=3n = 6, p = 3.

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    Para n=6,p=3n=6, p=3: lado esquerdo A63=654=120A_6^3 = 6 \cdot 5 \cdot 4 = 120. Lado direito 6A52=654=1206 \cdot A_5^2 = 6 \cdot 5 \cdot 4 = 120. Confere. A recorrência vale em geral: escolhendo o 1.º elemento de nn opções e arranjando os restantes p1p-1 de n1n-1 elementos.
  35. Ex. 37.35Modeling

    Time de futebol: 11 jogadores ocupam 11 posições distintas em campo. Quantas escalações com posicionamento existem?

    Show solution
    11 jogadores em 11 posições distintas é uma permutação simples: P11=11!=39916800P_{11} = 11! = 39\,916\,800.
  36. Ex. 37.36Modeling

    Senhas com 8 caracteres alfabéticos minúsculos sem repetição. Quantas senhas distintas existem?

    Show solution
    Sem repetição: arranjo de 26 letras tomadas 8 a 8: A268=26252423222120196,3×1010A_{26}^8 = 26 \cdot 25 \cdot 24 \cdot 23 \cdot 22 \cdot 21 \cdot 20 \cdot 19 \approx 6{,}3 \times 10^{10}.
  37. Ex. 37.37ModelingAnswer key

    Em logística, qual é o número de ordens possíveis para entregar 10 pacotes distintos a 10 destinos?

    Show solution
    Cada rota é uma permutação: 10!=362880010! = 3\,628\,800 rotas possíveis. Em logística real, heurísticas encontram a melhor rota sem enumerar todas.
  38. Ex. 37.38Modeling

    Em jogo de cartas, quantas configurações distintas de um baralho de 52 cartas existem após um embaralhamento?

    Show solution
    Embaralhamento = permutação completa: 52!8,07×106752! \approx 8{,}07 \times 10^{67} — mais que as estimativas do número de átomos no universo observável. É praticamente impossível que um embaralhamento aleatório repita uma configuração já vista.
  39. Ex. 37.39Modeling

    Em DNA, sequência de 8 bases (A, T, C, G) onde cada base aparece exatamente 2 vezes. Quantas sequências distintas existem?

    Show solution
    Permutação com repetição: 8 bases com cada base aparecendo 2 vezes: 8!/(2!)4=40320/16=25208!/(2!)^4 = 40\,320/16 = 2\,520.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Total de letras: 8 (A, T, C, G — 2 de cada).
    2. Fórmula: P82,2,2,2=8!/(2!2!2!2!)P_8^{2,2,2,2} = 8!/(2! \cdot 2! \cdot 2! \cdot 2!).
    3. Numerador: 8!=403208! = 40\,320.
    4. Denominador: (2!)4=24=16(2!)^4 = 2^4 = 16.
    5. Resultado: 40320/16=252040\,320/16 = 2\,520.

    Curiosidade: em bioinformática, enumerar sequências assim aparece no desenho de primers de PCR.

  40. Ex. 37.40Modeling

    Em genética populacional, quantas ordens possíveis existem para ordenar 4 alelos distintos em uma cadeia?

    Show solution
    Permutação simples de 4 alelos distintos: 4!=244! = 24.
  41. Ex. 37.41Modeling

    Em aprendizado de máquina, a permutation feature importance embaralha uma feature sobre NN amostras e mede queda na predição. Quantas permutações possíveis existem de NN amostras?

    Show solution
    Para uma feature shuffle sobre NN amostras, há N!N! permutações possíveis. Em prática usa-se um número fixo (e.g., 100 shuffles) e mede-se queda média na predição.
  42. Ex. 37.42Modeling

    Em computação gráfica, quantas ordens de renderização existem para 100 polígonos?

    Show solution
    Em CG, cada ordem de renderização de 100 polígonos é uma permutação: 100!100! ordenações possíveis. Em prática, usa-se back-to-front sort (só uma ordem correta pra cada ângulo de câmera).
  43. Ex. 37.43Understanding

    Demonstre que Anp=nAn1p1A_n^p = n \cdot A_{n-1}^{p-1}.

    Show solution
    Para construir um arranjo AnpA_n^p, escolha o primeiro elemento de nn opções; sobram n1n-1 elementos para arranjar em p1p-1 posições, dando An1p1A_{n-1}^{p-1}. Logo Anp=nAn1p1A_n^p = n \cdot A_{n-1}^{p-1}.
    Show step-by-step (with the why)
    1. Algebricamente: Anp=n!/(np)!A_n^p = n!/(n-p)!.
    2. Reescrever: n!=n(n1)!n! = n \cdot (n-1)!.
    3. Substituir: Anp=n(n1)!/((n1)(p1))!=nAn1p1A_n^p = n \cdot (n-1)!/((n-1)-(p-1))! = n \cdot A_{n-1}^{p-1}.
    4. Interpretação combinatória: escolher 1.ª posição entre nn, depois arranjar restante.

    Macete: recorrências combinatórias quase sempre têm leitura "fixe o primeiro elemento e conte o resto".

  44. Ex. 37.44UnderstandingAnswer key

    Mostre que Pn=AnnP_n = A_n^n.

    Show solution
    Ann=n!/(nn)!=n!/0!=n!/1=n!=PnA_n^n = n!/(n-n)! = n!/0! = n!/1 = n! = P_n. O arranjo de todos os $n$ elementos coincide com a permutação completa.
  45. Ex. 37.45Challenge

    Quantos anagramas de "AMOR" começam por consoante e terminam em vogal?

    Select the correct option
    Select an option first
    Show solution
    "AMOR": vogais A, O; consoantes M, R. Posição 1 = consoante (2 opções: M ou R). Posição 4 = vogal (2 opções: A ou O). Posições 2 e 3 recebem as 2 letras restantes em 2!=22! = 2 ordens. Total: 2×2×2=82 \times 2 \times 2 = 8. O distrator B (4) esquece permutar posições 2 e 3; D (24 = 4!) ignora as restrições.
  46. Ex. 37.46ProofAnswer key

    Demonstre que Anp=n!/(np)!A_n^p = n!/(n-p)! usando o Princípio Fundamental da Contagem.

    Show solution
    Arranjo de pp objetos selecionados de nn: pelo PFC, 1.ª posição tem nn opções, 2.ª tem n1n-1, ..., pp-ésima tem np+1n-p+1. Produto: n(n1)(np+1)n(n-1) \cdots (n-p+1). Multiplicando e dividindo por (np)!(n-p)!: n(n1)(np+1)(np)!/(np)!=n!/(np)!n(n-1)\cdots(n-p+1) \cdot (n-p)!/(n-p)! = n!/(n-p)!.

Fontes

Apenas livros que alimentaram diretamente o texto e os exercícios.

Updated on 2026-05-05 · Author(s): Clube da Matemática

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