完全順列は,正式には攪乱(かくらん)順列と呼ばれます。(出典:新数学辞典)
例えば,次のように並んだものは完全順列の 1 つです。
(番号) | (1) | (2) | (3) | (4) | (5)
|
---|
札 | 3 | 4 | 1 | 5 | 2
|
---|
ある程度までは樹形図を作ったほうが早そうですが,ここでは一般の n 枚の拡張を試みます。
n 枚の札で完全順列が an 通り作れるとすると,
1 枚では無理なので a1 = 0,a2 = 1 です。
また,ここでは,札の数字と順番が同じとき,「同じ番号にある」と表現することにします。
当たり前かもしれませんが,n 枚のうち 2 枚以上の札が同じ番号にあるとき,
n + 1 枚目の札をどの札と取り換えても,少なくとも 1 枚の札が同じ番号にとどまります。
これより,n + 1 枚目の札を追加するときに完全順列が作れる条件は,
n 枚の札のうち,同じ番号にあるものは 1 枚以下であることになります。
[A] n 枚が完全順列をなしているとき
n + 1 枚目の札を追加するとき,どの札と入れ替えても完全順列の 1 つが出来上がります。
(下の例は 7 枚目を追加したところ)

よって,このときは nan 通り作れます。
[B] n 枚のうち,ちょうど 1 枚が同じ番号にあるとき
n + 1 枚目の札を追加して完全順列を完成させるには,同じ番号にある札と交換するしかありません。

どの札が同じ番号にあるかの札の選び方は n 通りあるから,
このときは nan−1 通り
以上より、次のような漸化式が作れます。
a1 = 0,a2 = 1,an + 1 = nan + nan−1 ……@ (n ≧ 2)
@の両辺から (n + 1)an を引くと,
an + 1 − (n + 1)an = −an + nan−1
すなわち,
an + 1 − (n + 1)an = −(an − nan−1) ……A
ここで,bn = an − nan−1 とおくと,Aは
bn + 1 = −bn
となるから,数列 {bn} は公比 −1 の等比数列です。
また,b1 = a2 − a1 = 1 より,
bn = (−1)n
よって,
an − nan−1 = (−1)n
両辺を n! で割ると,
an | − | nan−1
| = | (−1)n | ……B
| n! | (n −1)! | n!
|
すなわち,
cn + 1 − cn = | (−1)n + 1
| (n + 1)!
|
n ≧ 2 のとき,
cn =
| (−1)k + 1
| (k + 1)!
|
となります。右辺を少し観察すると,
となり,これに | 1 | − | 1 | (= 0) を加えても値が変わらないことから,
| 0! | 1!
|
cn =
| (−1)k
| k!
|
残念ながら右辺をこれ以上簡単にすることはできませんが,
an | =
| (−1)k | ……C
| n! | k!
|
となります。
ところで,ex のマクローリン展開は,
ex =   | xk
| k!
|
となることが知られています。この式の両辺に x = −1 を代入すると,
e−1 =   | (−1)k
| k!
|
これは,n を限りなく大きくすると,完全順列になる確率が e−1 に収束することを示しています。
スクリプトによる攪乱順列計算機
個の攪乱順列の場合の数は
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