错排问题有许多表述
有 个元素进行排列,要求没有任何一个元素出现在原来的位置上,有多少排列方法?
有 封信和对应的 个信封,把所有信随机装入信封,要求每封信都不能装进自己的信封。问有多少种装法?
有 对夫妻参加一次聚会,现将所有参会人员任意分成一男一女 组,没有任何丈夫匹配到自己的妻子,有多少种匹配?
01 用递推关系推出通项
记错排数为 , 个元素记为 。
不妨先考虑元素 ,它可以放在 共 个位置。不妨设其放在位置 。则:
(1) 元素 放在位置 ,剩下的元素排列的方法数为 。
(2) 元素 不放在位置 ,则现有的 共 个元素需要放在 共 个位置,且其中任意一个元素均有且只有一个位置不允许放入: 不能放入位置 ,其余元素不能放入原位置。
这与 个元素的错排问题完全相同,因此有 种方法。
综上,
接下来推出通项。
两边同时除以 ,令
则
即
又
故
于是
综上,
02 容斥原理
什么是容斥原理?
从 到 ,奇加偶减。
题解
设
第个元素仍然在原来的位置则
根据容斥原理,
因此
由于
所以