Задача о беспорядках
Интуитивная постановка задачи
Матчи судят $n$ судей, каждый из которых из одного из городов, все из разных.
Сколькими способами можно распределить судей по матчам, чтобы ни один судья не судил в своем городе?
Когда спектакль закончился и зрители получили шляпы назад, оказалось, что каждый из $n$ получил чужую шляпу.
Сколько существует вариантов такого события?
Формальная постановка задачи
Задача. Найти число беспорядков на множестве $\{1,...,n\}$:
$D(n) = |\{\pi | \pi\in\sigma_n, \pi(i)\neq i, i=\overline{1,n}\}|$.
Решим эту задачу с помощью принципа включения-исключения.
Будем говорить, что $\pi\in\sigma_n$ обладает свойством $i$, если $\pi(i)=i$. Тогда $S=\{1,...,n\}$ — множество всех свойств, которыми может обладать перестановка.
Пусть $T\subseteq S$, $f_=(T)$ — число перестановок, каждая из которых обладает всеми свойствами из $T$ и не обладает свойствами из $S\setminus T$: [math]\displaystyle{ f_=(T) = |\{\pi | \pi\in\sigma_n, \pi(i)=i, i\in T; \pi(j)\neq j, j\in S\setminus T\}|. }[/math]
$f_\geq(T)$ — число перестановок, каждая из которых обладает всеми свойствами из $T$ и, возможно, какими-то еще: [math]\displaystyle{ f_\geq(T) = |\{\pi | \pi\in\sigma_n, \pi(i)=i, i\in T\}|. }[/math] Следовательно, верна формула: $f_\geq (T) = \sum_{T\subseteq Y\subseteq S} f_=(Y)$.
Нетрудно видеть, что $f_\geq(T) = |S\setminus T|!$ — число перестановок на множестве $S\setminus T$.
Очевидно, $D(n) = f_=(\varnothing)$. Следующее утверждение решает задачу.
Так как [math]\displaystyle{ f_\geq(T) = |S\setminus T|! }[/math], то по формуле включения-исключения
[math]\displaystyle{ D(n) = f_=(\varnothing)= \sum_{Y\subseteq S} (-1)^{|Y|} f_\geq(Y) = \sum_{Y\subseteq S} (-1)^{|Y|} |S\setminus Y|!= }[/math] [math]\displaystyle{ = \sum_{i=0}^{n} \sum_{\substack{Y\subseteq S,\\ |Y|=i}} (-1)^{i} (n-i)! = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i(n-i)!\binom{n}{i} = }[/math] [math]\displaystyle{ = \sum_{i=0}^{n} (-1)^i \frac{(n-i)! n!}{i! (n-i)!} = n! \sum_{i=0}^{n} \frac{(-1)^i}{i!}. }[/math]
Конспект: Дискретная математика