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错排问题详解

白简的博客~ 2023-03-28 原文

错排问题(Derangement)

概念释义

又叫错位排列、重排,即使一个排列所有的元素都不在原来的位置上。

错排问题是组合数学发展史上的一个重要问题,错排数也是一项重要的数。令 \({ a_k } ( 1 \leq k \leq n )\)\(n,n\epsilon N\) 的一个错排,如果每个元素都不在其对应下标的位置上,即 \(a_k \neq k\) ,那么这种排列称为错位排列,或错排、重排(Derangement)。

             ————————摘自《百度百科》

简要分析

我们来看一个最为经典的错排问题,信封问题:共有 \(n\) 张信和 \(n\) 个信封,假设所有信都装错了信封,共有多少种情况?

我们先定义 \(f(n)\) 为当有 \(n\) 个信封和 \(n\) 张信时,有 \(f(n)\) 种错排方案。

\(n = 1\) 时,信只能放在它对应的信封中,不可能出现错排情况。

\(f(1) = 0\)

\(n = 2\) 时,只存在一种情况,即两张信交换位置。

\(f(2)=1\)

\(n = 3\) 时,存在着 \(3、1、2\)\(2、3、1\) 两种情况,我们可以将其看为 1 与 2 错排,3 与 1、2 交换位置得来的。

\(f(3)=2\)

\(n = 4\) 时,错排有:

4 3 2 1 4 1 2 3 4 3 1 2

第一列是 \(4\) 分别与 \(123\) 互换位置,其余两个元素错排。

3 4 1 2 3 4 2 1 2 4 1 3

第二列是 \(4\) 分别与 \(312\)\(123\) 的一个错排)的每一个数互换。

2 1 4 3 3 1 4 2 2 3 4 1

第三列则是由另一个错排 \(231\)\(4\) 换位而得到。

\(9\) 种情况。

根据上面的注释得知, \(f(n)\) 的值与 \(f(n-1)\)\(f(n-2)\) 的值有一定的关联。

那我们能否得出递推式呢?答案是肯定的。

公式推导

首先,

\(1\) 号元素必定要排在第 \(2\sim n\) 个位置的其中之一,所以有 \(n-1\) 种放法。

然后,

假设 \(1\) 号元素放在了第 \(k\) 个位置,那么下一步就要排 \(k\) 号元素。

再然后,

\(k\) 号元素的排列有两种方式:

一是放在第 \(1\) 个位置,剩下的 \(n-2\) 个元素进行错排,共有 \(f(n-2)\) 种可能;

二是不放在第 \(1\) 个位置,这时我们将第 \(1\) 个位置看作第 \(k\) 个位置,于是就形成了包括 \(k\) 号元素在内的 \(n-1\) 个元素的错排,共有 \(f(n-1)\) 种可能。

所以,\(k\) 号元素共有 \(f(n-1)+f(n-2)\) 种可能。

又因为第一号元素有 \(n-1\) 种放法,根据乘法原理。

我们得知,

递推式为:

\(f(n) =(n-1) \times (f(n-1)+f(n-2) )\)

以上就是错排问题的全部内容了(当然只是基础部分的全部内容

练习题

P1595 信封问题

这是一道模板题,只要你知道递推式便可以做对。此题也可以使用深度优先搜索来 AC 掉这道题。

不过需要注意的是,错排方案的增长非常快。
\(n = 13\)\(int\) 会爆掉,\(n = 22\)\(f(n)\) 的值就已经达到了约 \(7\times 10^{18}\) , 在 \(n = 23\)\(long\) \(long\) 会爆掉。

也就是说,在处理错排问题时一定要开 \(long\) \(long\)

当题目给出 \(n > 20\) 的范围时,我们就应该使用高精度算法了(Python、Java等略过)。

Code

#include<iostream>
#include<cstdio>

using namespace std;

long long f(long long x)//一定要开long long
{
	if( x == 1 )
		return 0;
	else if( x == 2 )
		return 1;
	else
		return (x-1)*(f(x-1)+f(x-2));
}

int main()
{
	int n;
	cin>>n;
	cout<<f(n);
	return 0;
}

P3182 [HAOI2016]放棋子

这道题也是一道裸错排题,不过数据到了 \(200\) ,必定需要高精度。

P4071 [SDOI2016]排列计数

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