7、排列组合问题之全错位排列问题(一个通项公式和两个递推关系)

玛丽莲梦兔
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2021年01月10日 14:05
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2021年1月10日发(作者:严宽)



排列组合问题之
全错位排列问题

(一个通项公式和两个递推关系)


一、问题引入:

问题
1
、
4
名同学各写 一张贺卡,先集中起来,然后每人从中拿出一张别人写的贺卡,
则四张贺卡的不同分配方式共有多少种?
问题
2
、
将编号为
1
,
2
,3
,
4
的四个小球分别放入编号为
1
,
2
,< br>3
,
4
的四个盒
子中,要求每个盒子放一个小球,且小球的编号与盒子 的编号不能相同,则共有多少种不同
的放法?
这两个问题的本质都是每个元素都不在 自己编号的位置上的排列问题,我们把这种限制
条件的排列问题叫做
全错位排列问题
。
问题
3
、
五位同学坐在一排,现让五位同学重新坐,至多有两位同学 坐自己原来的位
置,则不同的坐法有多少种?

解析:
可以分类解决:第一类,所有同学都不坐自己原来的位置;
第二类,恰有一位同学坐自己原来的位置;
第三类,恰有两位同学坐自己原来的位置。
对于第一类,就是全错位排列问题;对于第二、 第三类有部分元素还占有原来的位置,
其余元素可以归结为全错位排列问题,我们称这种排列问题为部分错位排列问题
。
设
n
个元素全错位排列的排列数为T
n
,则对于问题
3
,第一类全错位排列的排列数为
T
5
;
第二类先确定一个排原来位置的同学有
5
种可能,其余四个同学全错位排 列,所以第
2
二类的排列数为
5T
4
;
第三类先确定两个排 原位的同学,有
C
5
10
种可能,其余三个同学
全错位排列,所以 第三类的排列数为
10T
3
,因此问题
3
的答案为:
T5
5T
4
10T
3
109
。

由于生活中很多这样的问题,所以我们有必要探索一下关于全错位排列问题的解决方法。

二、全错位排列数的递推关系式之一:

T
n


n1

T
n1
T
n2



n3


①定义:一般 地,设
n
个编号为
1
、
2
、
3
、… 、< br>i
、…、
j
、…、
n
的不同元素
a
1
、
a
2
、
a
3
、…、
a
i
、… 、
a
j
、…、
a
n
,排成一排,且每个元素均不排在与其编 号相同的位
置,这样的全错位排列数为
T
n
,则
T
21
;
T
3
2
;
T
n


n1

T
n1
T
n2

,
n3

。

②递推关系的确立:
显然当
n1
、
2
时,有
T
1
0
,T
2
1
。

当
n3
时,在
n
个不同元素中任取一个元素
a
i
不排在与其编号相对应的
i 位,必排在
剩下
n1
个位置之一,所以
a
i
有n1
种排法。
对
a
i
每一种排法,如
a< br>i
排在
j
位,对应
j
位的元素
a
j
的排位总有两种情况:
第一种情况:
a
j
恰好排在
i位上。此时,
a
i
排在
j
位,
a
j
排 在
i
位,元素
a
i
,
a
j
排位
已 定。还剩
n2
个元素,每个元素均有一个不能排的位置,它们的排位问题就转化为
n 2

个元素全错位排列数,应有
T
n2
种。
第二种情 况:
a
j
不排在
i
位上。此时,
a
i
仍排 在
j
位,
a
j
不排在
i
位,则
a
j
有
n1
个
位置可排。除
a
i
外,还有
n1
个元素,每个元素均有一个不能排的位置,问题就转化为
n1
n
个元 素全错位排列数,应有
T
n1
种。
由乘法原理和加法原理可得:
T
n


n1

T
n1
T
n2

,

n3

。

利用此递推 关系可以分别算出
T
4
9
,
T
5
44
。
排列组合问题之全错位排列问题(共3页)

1



问题
3
的答案为:
4459102109
。

三、全错位排列数的通项公式之一:
n
1

11

T
n
n!





1< br>




n2


n!

2!3!
0
㈠探索:规定
A
n
1nN
,试计算以下各式的值:

210
321043210
①
A
4
; ②
A
5
; ③
A
6
。
A
4
A
4
A
5
A
5
A
5
A
6
A
6
A
6
A
6< br> 很容易计算三式的值依次为
9
,
44
,
265。
而这与利用上面的递推关系式得到的
T
4
,
T
5,
T
6
刚好吻合。即

T
A
21 0
321043210
4
4
A
4
A
4
;
T
5

A
5
A
5
A
5A
5
;
T
6

A
6
A
6
A
6
A
6
A
6
。

㈡猜想:
根据上面的探索,我们可以猜想
n
个元素全错位排列数为

T
n2n3
n
0
n
A
n
A
n


1

A
n


n2






为了更容易看清其本质,我们对这个式子进行变形,得到:

T
n2n3
1

n
A
0
n
A
n
A
n



n< br>

n!
2!

n!
3!


1

n
n!
n!


n !


1

2!

1
3!



1

n

1

n!


。

㈢证明(数学归纳法):
当
n2
,
3
时,



式显然成立。
假设
nk
,
k1
时,



式成立。
则当
nk1
时,由上面的递推关系式可得:

T
k1
k

T
k
T
k1



k




11
k< br>1


k!k

11
k1
1






2!

3!



1

k!



1

!


2!

3!




1


k1

!







k

k1
< br>!




k



< br>
1

k


1

2!

11

3!k!





1

1




1

k11




2!3!

k1
!







k!


k1

k1




 1

k1
k1
k

2!3!

k 1

!

1

k
1

k!



k!


k1k

2!

1
3!




1
k1
k1

k1

!

< br>k1

1

k
1
k!

< br>1

k
1

k!




k!


k1

k1




1

k1
k1


2!3!< br>
k1

!

k1

1

k
1
k
k1

k!


1< br>

k1

!




k!


k1k1
k1
k1

2!< br>
3!




1


k1

!


k1

1

k
1
k1
k1

k!


1

k1

!






k1

!


1

1k1
1


2!3!



1


k1

!

1

k
1
k!


1

k1
1


k1

!



所以,当
nk1
时,



式也成立。
排列组合问题之全错位排列问题(共3页)

2



由以上过程可知
n
个元素全错位排列的排列数为:

T
n2
A
n3
n
0
!n!
n
n!
n
 A
n

n


1

A
n< br>

n
2!

3!


1< br>
n!


n!


1
2!

1
3!




 1

n

1

n!




n2



四、全错位排列数的递推关系式之二:

Tn
n
nT
n1


1


由
T
2
1
,
T
3
2
,
T
4
9
,
T
5
44
,
T< br>6
265
可得:

T
3
3T
2
1
;
T
4
4T
3
1
;
T< br>5
5T
4
1
;
T
6
6T
5< br>1

于是猜想:
T
n
n
nT
n 1


1


证明:由上面已证明的全错位排列数通项公式可知:
右边
n

n1
!


1

1



1

n1

1

n

2!3!

n1

!




1



n!


1

1




1

n1

1< br>
n
n!

2!3!

n1

!




1

n!



n!

n

1

2!

1
3!




1


1

n!



左边
所以
T
n
n
nT
n1


1

。

排列组合问题之全错位排列问题(共3页)

3

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