將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

這個問題最先由18世紀著名的數學家,物理學家丹尼爾-伯努利(Daniel Bernoull)在一次錯放信件後提出,隨後他與同時代另一位數學家尤拉(L。 Euler)在通訊中交流了這個問題,尤拉給出了這類問題的首個完美的解決方法

也有一說該問題是伯努利和尤拉共同提出的,畢竟他們曾經一起在彼得堡科學院工作過

無論哪種說法是真實的,由於牽扯到了18世紀的兩位著名數學家,這類問題被稱為伯努利錯放信箋問題,或尤拉錯位排列

尤拉錯排問題的標準描述如下

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

顯然本文標題是尤拉錯排問題中 n = 6 的一個特殊情況,為了說明方便,我們將標題中題目做如下轉化

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

對於初中的讀者,受知識所限,只能透過列舉的辦法研究,列舉時要按照一定規律,不重複也不遺漏,如先考慮第一位不能是A,則第一位可能是B,C,D,E,F中的一個,所以討論應該首先分五大類,當第一位是B時,再考慮第二位,依次類推

如果經過一些嘗試就不難發現,六個字母的錯位排列數比較大,列舉起來很困難,這時就要考慮其他思路,比如先研究五個字母,四個字母或者更少字母的全排列數,看是否有規律

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

這樣我就歸納出從1到5的錯排數分別是0,1,2,9,44,我們需要研究這列數的規律,來得到6個元素的錯排數是多少

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

這樣我們就可以得出結論,編號1-6的信放入編號1-6的信封中,共有265种放置方法,使得信與信封的編號對應全部錯誤,當然,根據上面的規律也可以進一步依次推算任意元素數的全錯排數

對於高中的讀者,可以進一步研究這個問題,首先我們把剛剛總結的內容當作一道數列題目

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

觀察遞推公式的形式,完全可以用特徵方程的方法處理,但得到的通項公式需要用二項式定理展開,才可以得到和將要介紹的其他方法得到的式子相同,所以在這裡我們介紹一種普通的構造新數列的方法來處理

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

這樣就得出了n個元素錯位排列的排列數,結論如下圖

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

細心的讀者會發現整個推導過程還存在一個嚴重的漏洞,即上述遞推公式只是我們從數列的前5項歸納得來的,邏輯上說,並不能說明第六項以及後面的項都遵從這個遞推公式,而為了說明這一點,就需要加以證明,這部分證明文字部分較多,我們簡略介紹,可以跳過直接看後面排列組合的方法

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

透過上述證明,說明了我們歸納的遞推公式對任意 n≥3都成立,這樣整個的過程都是完整的,這裡有一點需要讀者思考,上圖遞推公式的證明與數學歸納法類似,但並不是數學歸納法,區別在哪裡

我們研究的尤拉錯排問題畢竟是一道組合數學問題,是否能透過高中學過的排列組合的知識給出解答呢,回答是肯定的,我們直接給出6個元素的錯排數的算式

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

上面算式的思路顯然是在全排列數中排除有正確排列的情況,有正確排列的情況包括有一個元素排列正確;兩個元素排列正確;……,但顯然,我們無法用簡單的式子表示1個元素排列正確,其他5個都錯誤的情況,因為如果有這樣的式子,我們直接就可以計算6個元素排列錯誤的情況了,所以我們退而求其次,計算一個元素排列正確,而不管其他元素排列是否正確;兩個元素排列正確,而不管其他元素排列是否正確;依次類推,用全排列數減去這些情況

觀察下面兩個式子

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

顯然加減交替的第一個式子是正確的,全減法的第二個式子是錯誤的,初學這類涉及容斥原理的學生可能難以理解這一點,簡要的解釋如下

將編號1-6的信裝入編號1-6的信封,號碼對應全錯誤的裝法有幾種

如果學過容斥原理公式,上面的式子就非常容易理解了,篇幅所限,這裡暫時先不介紹容斥原理,今天所介紹的數列求通項公式的方法和排列組合的思想都很有價值,且有一定難度,值得反覆思考理解