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
Permutação de n objetos: formas de ordená-los. Arranjo: ordenar p objetos selecionados de n totais — . Em ambos, a ordem importa.
Rigorous notation, full derivation, hypotheses
Definições e demonstrações
Fatorial
"Definimos o fatorial de como para , e ." — OpenStax Algebra and Trigonometry 2e, §11.7
Crescimento de fatorial:
Crescimento superexponencial de n!. Aproximação de Stirling: n! ≈ √(2πn)·(n/e)ⁿ.
Permutação simples
Permutação com repetição
Para objetos com do tipo 1, do tipo 2, ..., do tipo (com ):
Anagramas de "ARARA" (3 A's, 2 R's): .
"O número de permutações distinguíveis de objetos onde existem objetos idênticos do tipo 1, do tipo 2, ..., e do tipo , é ." — OpenStax Algebra and Trigonometry 2e, §11.7
Arranjo simples
Permutação circular
objetos em círculo: . Razão: a "primeira posição" é arbitrária — girar todos juntos não gera nova configuração. Formalmente: fixe um objeto em uma posição; os outros permutam livremente.
Exemplos resolvidos
Exercise list
46 exercises · 11 with worked solution (25%)
- Ex. 37.1Application
Calcule .
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Por definição, . - Ex. 37.2Application
Calcule .
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Cancelando o fator comum: .Show step-by-step (with the why)
- O que é pedido? Um quociente de fatoriais — sem precisar expandir os dois.
- Reescrever: . O aparece no numerador e denominador.
- Cancelar: .
- Multiplicar: , depois .
Macete: nunca expanda o fatorial maior; cancele o menor primeiro.
- Ex. 37.3ApplicationAnswer key
Quantos anagramas de "MAR" existem?
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"MAR" tem 3 letras distintas: . - Ex. 37.4Application
Quantos anagramas de "CASA" existem?
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"CASA" tem 4 letras com 1 repetição (2 A's): . - Ex. 37.5Application
Quantos anagramas de "MISSISSIPPI" existem?
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11 letras com 4 I's, 4 S's, 2 P's, 1 M: .Show step-by-step (with the why)
- Contar letras: M-I-S-S-I-S-S-I-P-P-I → 1 M, 4 I, 4 S, 2 P (total 11).
- Aplicar fórmula: .
- Calcular numerador: .
- Calcular denominador: .
- Dividir: .
Macete: sempre conte multiplicidade primeiro — erros nascem aí.
- Ex. 37.6ApplicationAnswer key
Calcule .
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Arranjo: . - Ex. 37.7Application
Calcule .
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. - Ex. 37.8ApplicationAnswer key
Quantas filas de 4 pessoas podem ser feitas com 7 candidatos?
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Arranjo de 7 candidatos tomados 4 a 4: . - Ex. 37.9Application
Premiação 1.º, 2.º, 3.º entre 12 atletas. Quantos pódios distintos são possíveis?
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Pódio = arranjo: . - Ex. 37.10Application
Quantos números de 3 dígitos distintos podem ser formados com ?
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Arranjo de 5 algarismos tomados 3 a 3: . - Ex. 37.11ApplicationAnswer key
Verifique a igualdade .
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. Verificado. - Ex. 37.12Application
Resolva .
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. Logo . - Ex. 37.13Application
Resolva para .
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dá , raízes ou . Como , vale .Show step-by-step (with the why)
- Expandir o arranjo: .
- Equação: .
- Bhaskara: .
- Filtrar: raízes 6 e ; descarte negativa.
- Verificar: .
Macete: equações em fatorial sempre viram polinomiais — não tente brute-force.
- Ex. 37.14ApplicationAnswer key
Quantos anagramas de "CIDADE" existem?
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"CIDADE" tem 6 letras com 2 D's repetidos: . - Ex. 37.15Application
Quantos anagramas de "BANANA" existem?
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"BANANA": 6 letras com 3 A's e 2 N's: . - Ex. 37.16ApplicationAnswer key
Quantas senhas de 5 dígitos diferentes podem ser formadas com algarismos ?
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Arranjo de 10 algarismos tomados 5 a 5: . - 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?
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Como cada prateleira recebe 2 livros e a ordem importa, ordenamos os 6 livros distintos em 6 posições: . - Ex. 37.18Application
8 pessoas em mesa redonda. Quantas configurações distintas?
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Permutação circular: . - Ex. 37.19Understanding
Justifique por que a permutação circular de pessoas é e não .
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Em mesa redonda, rotações geram a mesma configuração. Há rotações por configuração linear, então o total é . A opção A descreve corretamente o raciocínio; C e D confundem permutação circular com colares (onde reflexão também conta). - Ex. 37.20Application
Quantos anagramas de "AMOR" começam pela letra A?
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Fixando A na primeira posição, restam 3 letras (M, O, R) para permutar nas 3 posições seguintes: . - Ex. 37.21Application
Quantos anagramas de "MATEMATICA" existem?
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"MATEMATICA" tem 10 letras: 3 A, 2 M, 2 T, 1 E, 1 I, 1 C: . - 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: . - Ex. 37.23Application
Anagramas de "AMOR" com A e O juntos nesta ordem (bloco "AO" indivisível).
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Trate "AO" como um bloco fixo nessa ordem. Sobram 3 itens (bloco + M + R): . - Ex. 37.24ApplicationAnswer key
10 alunos vão sentar em 10 cadeiras enfileiradas. 2 amigos querem ficar juntos. Quantas configurações?
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Bloco de 2 amigos = 1 elemento. Sobram 9 elementos: . Trocas internas no bloco: . Total: .Show step-by-step (with the why)
- Identificar restrição: 2 amigos juntos → trate como bloco único.
- Permutar blocos: bloco + 8 outros = 9 itens em fila linear: .
- Permutar dentro do bloco: 2 amigos podem trocar de lugar: .
- Multiplicar: .
Macete: "tem que ficar junto" → bloco único. Não esqueça do interno.
- Ex. 37.25Application
8 pessoas em mesa redonda; 2 querem ficar juntas. Quantas configurações?
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Bloco de 2 amigos = 1 elemento. Em mesa redonda com 7 itens (bloco + 6 outros): . Permutação interna do bloco: . Total: . - Ex. 37.26Application
Anagramas de "LIVRO" que começam por vogal.
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"LIVRO" tem 5 letras distintas. Vogais: I, O (2). Fixe vogal na 1ª posição (2 escolhas) e permute 4 restantes: . - Ex. 37.27ApplicationAnswer key
Quantos números de 4 dígitos distintos podem ser formados com algarismos ?
Show solution
Arranjo de 9 algarismos tomados 4 a 4: . - Ex. 37.28Application
Quantos números pares de 4 dígitos distintos podem ser formados com algarismos ?
Show solution
Último dígito (par): 2 ou 4 (2 opções). Os outros 3 dígitos são arranjos dos 4 restantes: . Total: . - Ex. 37.29Application
Resolva para .
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. Testando : . Conferido. - Ex. 37.30Application
Resolva .
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. - 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: . - Ex. 37.32Application
Quantos anagramas de "FATORIAL" existem (todas as letras distintas)?
Show solution
"FATORIAL" tem 8 letras todas distintas: . - Ex. 37.33Application
Cinco cartas escolhidas e ordenadas em fila de 7 cartas distintas — quantas configurações?
Show solution
Arranjo: . - Ex. 37.34Understanding
Verifique a recorrência para .
Show solution
Para : lado esquerdo . Lado direito . Confere. A recorrência vale em geral: escolhendo o 1.º elemento de opções e arranjando os restantes de elementos. - 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: . - 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: . - 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: rotas possíveis. Em logística real, heurísticas encontram a melhor rota sem enumerar todas. - 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: — mais que as estimativas do número de átomos no universo observável. É praticamente impossível que um embaralhamento aleatório repita uma configuração já vista. - 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: .Show step-by-step (with the why)
- Total de letras: 8 (A, T, C, G — 2 de cada).
- Fórmula: .
- Numerador: .
- Denominador: .
- Resultado: .
Curiosidade: em bioinformática, enumerar sequências assim aparece no desenho de primers de PCR.
- 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: . - Ex. 37.41Modeling
Em aprendizado de máquina, a permutation feature importance embaralha uma feature sobre amostras e mede queda na predição. Quantas permutações possíveis existem de amostras?
Show solution
Para uma feature shuffle sobre amostras, há permutações possíveis. Em prática usa-se um número fixo (e.g., 100 shuffles) e mede-se queda média na predição. - 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: ordenações possíveis. Em prática, usa-se back-to-front sort (só uma ordem correta pra cada ângulo de câmera). - Ex. 37.43Understanding
Demonstre que .
Show solution
Para construir um arranjo , escolha o primeiro elemento de opções; sobram elementos para arranjar em posições, dando . Logo .Show step-by-step (with the why)
- Algebricamente: .
- Reescrever: .
- Substituir: .
- Interpretação combinatória: escolher 1.ª posição entre , depois arranjar restante.
Macete: recorrências combinatórias quase sempre têm leitura "fixe o primeiro elemento e conte o resto".
- Ex. 37.44UnderstandingAnswer key
Mostre que .
Show solution
. O arranjo de todos os $n$ elementos coincide com a permutação completa. - Ex. 37.45Challenge
Quantos anagramas de "AMOR" começam por consoante e terminam em vogal?
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 ordens. Total: . O distrator B (4) esquece permutar posições 2 e 3; D (24 = 4!) ignora as restrições. - Ex. 37.46ProofAnswer key
Demonstre que usando o Princípio Fundamental da Contagem.
Show solution
Arranjo de objetos selecionados de : pelo PFC, 1.ª posição tem opções, 2.ª tem , ..., -ésima tem . Produto: . Multiplicando e dividindo por : .
Fontes
Apenas livros que alimentaram diretamente o texto e os exercícios.
- OpenStax Algebra and Trigonometry 2e — Jay Abramson et al. · 2022, 2ª ed · EN · CC-BY 4.0 · §11.7 Counting Principles. Fonte primária.
- Wikilivros — Matemática elementar / Combinatória — colaborativo · PT-BR · CC-BY-SA · permutações, arranjos, anagramas. Fonte nativa em português.
- Stitz–Zeager Precalculus — Carl Stitz, Jeff Zeager · 2013, v3 · EN · CC-BY-NC-SA · §9.5 Counting.
- Book of Proof — Richard Hammack · 2018, 3rd ed · EN · CC-BY-ND · cap. 3.