贝努利-欧拉错放信笺问题(乱序排列问题)的几种解法

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  【摘 要】 有关乱序排列的最经典问题就是欧拉错放信笺问题,很多文章与参考书都给出了答案,但很少系统的介绍其解法,在此个人进行了一些研究,并总结了一些与其他知识相联系的心得。
  【关键词】 Bernoulli-Euler 错放信笺问题 贝努利-欧拉 乱序排列
  
  Bernoulli-Euler错放信笺问题:某人给n个人各写了一封信,准备了n个写有收信人地址的信封,问有多少种投放信笺的可能,使每封信笺与信封上写的收信人不相符?
  解法一:首先将问题转化为图论中的问题,以结点xi表示信笺,结点yi表示信封(i=1,2,3,4,5,6....n),xl与yk有边,表示信笺与信封不相符。于是问题变为求的二分图G=Kn,n中有多少个完美匹配。
  现设G中完美匹配的个数为φ(n),x1与y2相配时,完美匹配的个数等于从图G中删除结点x1与y2后所得的图G(x1,y2)中完美匹配的个数,这个数记为ψ(k-1)。在G(x1,y2)中,若x2与y1相配,则ψ(k-1)=φ(k-2);若x2不与y1相配,则ψ(k-1)=φ(k-1)。于是G中x1与y2相配时,可得φ(k-1)+φ(k-2)个完美匹配;同理,x1与yj(3≤j≤k)相配时,亦有φ(k-1)+φ(k-2)个完美匹配,故φ(k)=(k-1)[φ(k-1)+φ(k-2)];所以 我们有 φ(n)=(n-1)[φ(n-1)+φ(n-2)],φ(2)=1,φ(1)=0。
  下面由上面的数列an=(n-1)(an-1+an-2),a2=1,a1=0。验证符合。用递推如下:an=(n-1)(an-1+an-2);an-nan-1=-[an-1-(n-1)an-2]。设bn=an-nan-1,(n∈N,n≥2)又a2=1,a1=0,所以有:类推…bn=an-nan-1∴bn+nbn-1+n(n-1)bn-2+…+bn-m+…+b2=an-n!a1=n!-cn1(n-1)!+…(-1)kcnk(n-k)!+…+(-1)ncnn0!
  解法二:用容斥关系求解:设U为所有装法构成的集合,则显然有card(U)=n!则我们对信与信封编号为1,2,3……n,并记Ai为第i封信恰好装入第i个信封的所有装法的集合,则CuAi为第i封信不装入第i个信封的所有装法的集合,记为 card(CuA)而求全部都装错的装法集合即为:card(CUA1∩CUA2∩.....∩CUAn),由容斥关系我们可以得到:card(CUA1∩CUA2∩….∩CUAn)=n!-cn1(n-1)!+…(-1)kcnk(n-k)!+…+(-1)ncnn0!
  在这里我们又得到了一种递归数列的求法,通过模型转换用排列与图论结合,可以很快得出结论。
  参考文献
  1 高中数学课本
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