概念:全错位排列,n个物质,重新排列顺序,使其均不在原位。
历史: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,大意如下:
个人写了n封不同的信及相应的n个不同的信封,他把这n封信都装错了信封,问都装错信封的装法有多少种?
公式及证明: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<=i<=n),
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∩...∩Am|=0!=1.
由容斥原理:
|A1∪A2∪...∪An|=n(n-1)!-C(n,2)(n-2)!+C(n,3)(n-3)!-...+(-1)^(n-1)C(n,n)*0!
=n!(1/1!-1/2!+...+(-1)^(n-1)*1/n!),
所以
Dn=n!(1-1/1!+1/2!-1/3!+...+(-1)^n*1/n!)