全错位排列

这里介绍全错位排列的两种解法,分别是利用递推公式和容斥原理

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递推公式

假设排列是1,2,3···n个数,$D_n$表示n个数的全错位排列的方法数。$D_1$ = 0、$D_2$ = 1

那么对于第1个位置,假设由k去占。现在就有两种情况:

  1. 1和k互换了位置,k占1的位置,1占k的位置:那么此时相当于1和k位置确定,只需要讨论$D_{n-2}$的排列数。
  2. 1没有占k的位置,而是占了其它的位置:那么此时相当于只确定了k的位置,需要讨论$D_{n-1}$的排列数。

但是有(n-1)个数需要讨论,所以可以得到下面的递推式:

$D_n = (n-1)(D_{n-1} + D_{n-2})$

然后展开递推式就可以得到错位排序的通项公式了。

容斥原理

记$N(a_1,a_2,···,a_n)$为n个数都没排错的方法数,那么对于以下情况,可以得到一些结论:
$a_1$排对,记$N(a_1) = (n-1)!$。因为a1已经排对了,那么还剩下(n-1)个位置让其它数排,所以有(n-1)!的排法。
$a_1$、$a_2$排对,记$N(a_1,a_2) = (n-2)!$
$a_1$、$a_2$、$a_3$排对,记$N(a_1,a_2,a_3) = (n-3)!$
·
·
·
$a_1$、$a_2$、$a_3$,$\dots$,$a_n$排对,记$N(a_1,a_2,a_3) = (n-n)! = 0! = 1$

推广一下,对于任意t个数,可得下面的等式:

$$
\sum N(t) = \sum N(a_{i_1},a_{i_2},\dots,a_{i_t})! = \binom{n}{t}(n-t)
$$

所以:

$$
D_n = n! - \sum N(1) + \sum N(2) + \dots + (-1)^n\sum N(n)
$$

$$
D_n = n!(1 - \frac{1}{1!} + \frac{1}{2!} + \dots + (-1)^n\frac{1}{n!})
$$

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