错位排列 有N封信和N个信封,每封信都不装在自己信封里的排列种数记作Dn,则 D1=0,D2=1,D3=2,D4=9,D5=44...为什么,是怎么算出来的?

问题描述:

错位排列 有N封信和N个信封,每封信都不装在自己信封里的排列种数记作Dn,则 D1=0,D2=1,D3=2,D4=9,D5=44...
为什么,是怎么算出来的?

错位排列问题被著名数学家欧拉(Leonhard Euler,1707-1783)称为“组合数论的一个妙题”的“装错信封问题”的两个特例。“装错信封问题”是由当时最有名的数学家约翰·伯努利(Johann Bernoulli,1667-1748)的儿子丹尼尔·伯努利(DanidBernoulli,1700-1782)提出来的。


其通常提法是:n个有序元素,全部改变其位置的排列数是多少?所以称之为“错位”问题。
公式为:
n个相异的元素排成一排a1,a2,...,an,且ai(i=1,2,...,n)不在第i位的排列数为n!(1-1/1!+1/2!-1/3!+...+(-1)^n*1/n!)
证明:
设1,2,...,n的全排列t1,t2,...,tn的集合为I,而使ti=i的全排列的集合记为Ai(1 则Dn=|I|-|A1∪A2∪...∪An|.
所以Dn=n!-|A1∪A2∪...∪An|.
注意到|Ai|=(n-1)!,|Ai∩Aj|=(n-2)!,...,|A1∩A2∩...∩An|=0!=1.
由容斥原理:
Dn=n!-|A1∪A2∪...∪An|=n!-C(n,1)(n-1)!+C(n,2)(n-2)!-C(n,3)(n-3)!+...+(-1)^nC(n,n)*0!
=n!(1-1/1!+1/2!-1/3!+...+(-1)^n*1/n!)

下面先给出一道错位排列题目,使你有直观感觉。
五个编号为1、2、3、4、5的小球放进5个编号为1、2、3、4、5的小盒里面,全错位排列(即1不放1,2不放2,3不放3,4不放4,5不放5,也就是说5个全部放错)一共有多少种放法?
【解析】:直接求5个小球的全错位排列不容易,我们先从简单的开始。
小球数/小盒数 全错位排列
1 0
2 1(即2、1)
3 2(即3、1、2和2、3、1)
4 9
5 44
6 265
当小球数/小盒数为1~3时,比较简单,而当为4~6时,略显复杂,考友只需要记下这几个数字即可(其实0,1,2,9,44,265是一个有规律的数字推理题,请各位想想是什么?)由上述分析可得,5个小球的全错位排列为44种。

比如有n封信,从第一个算起,第一封信可以放在2---n封信中,可能排列有n-1;如果它放在第x封信中,那么第x封信就有可能的排列n-2种;如果它放在第y封信中,那么第y封信就有可能的排列n-3种...
类推下去,所有信都放好,最后排列有(n-1)(n-2)(n-3)****[n-(n-1)],就是(n-1)!,即它的阶乘。

D1=0
D2=1
Dn=A(n,n)-C(1,n)*Dn-1-C(2,n)*Dn-2-.-C(n-2,n)D2 -1 ,n>1
这个就是计算公式,可以验算
推断思路写的话比较多比较繁,如果需要可以一起讨论