错位排列,也称Derangement,是组合数学中的一个概念,用于计算在有限个元素中,某些元素不在其原有位置上的排列数量。错位排列的递推公式如下:
基本递推公式
$D(n) = (n-1) \times (D(n-2) + D(n-1))$
初始条件
$D(1) = 0$
$D(2) = 1$
全错位排列公式
$D(n) = n! \times \left(1 - \frac{1}{1!} + \frac{1}{2!} - \frac{1}{3!} + \cdots + (-1)^n \frac{1}{n!}\right)$
另一种表达形式
$D(n) = n! - \sum_{i=1}^{n} \frac{n!}{i!}$
这些公式可以用来计算给定数量的元素的错位排列数。例如,错位排列数 $D(5)$ 可以通过上述公式计算得到:
使用基本递推公式:
$D(3) = 2 \times (D(1) + D(2)) = 2 \times (0 + 1) = 2$
$D(4) = 3 \times (D(2) + D(3)) = 3 \times (1 + 2) = 9$
$D(5) = 4 \times (D(3) + D(4)) = 4 \times (2 + 9) = 44$
使用全错位排列公式:
$D(5) = 5! \times \left(1 - \frac{1}{1!} + \frac{1}{2!} - \frac{1}{3!} + \frac{1}{4!} - \frac{1}{5!}\right)$
$D(5) = 120 \times \left(1 - 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{6} + \frac{1}{24} - \frac{1}{120}\right)$
$D(5) = 120 \times \left(\frac{1}{2} - \frac{1}{6} + \frac{1}{24} - \frac{1}{120}\right)$
$D(5) = 120 \times \left(\frac{60 - 20 + 5 - 1}{120}\right)$
$D(5) = 120 \times \frac{44}{120} = 44$
这两种方法都可以得到相同的结果,即五个元素的错位排列数为44。