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English

同じものを含む順列(最短経路の問題はここにつながる)

同じ文字が混ざった並べ替えでは、全部を区別して数えると多すぎる答えが出ます。A、A、B、B の 4 文字なら ではなく 6 通り。

多すぎるぶんをどう割るかが、この単元のすべてです。そして同じ考え方が、そのまま格子の最短経路の数え上げになる。

まず区別してから割る

個のものを並べる並べ方は 通りでした。この数え方は、同じに見えるものにも別の名前が付いているときの答えです。

同じものが 個あると、その 個を入れ替えた 通りが、見た目では 1 つの並びに重なります。だから で割る。

種類ごとに同じことが起きるので、種類の数だけ割り算が並びます。

分母の は各文字の個数で、足すと になる。これが同じものを含む順列の公式です[1]

例:A、A、B、B を並べる

から始めます。2 つの A に仮の番号を付けて とし、B も同じように分けたとする。

は、番号を消すとどちらも AABB です。A の入れ替えで 2 通り、B の入れ替えで 2 通りが重なる。

6 通りになります。書き出すと AABB、ABAB、ABBA、BAAB、BABA、BBAA。

例:MISSISSIPPI

英語の綴りで有名な例です。11 文字で、M が 1 個、I が 4 個、S が 4 個、P が 2 個。

34650 通りの並べ替えができます[1] からの割り算なので、1000 分の 1 以下まで減る。

例:TOMATO

6 文字で、T が 2 個、O が 2 個、M と A が 1 個ずつ。

1 個しかない文字については なので、書いても書かなくても値は変わりません。

もう一つの導き方:場所を選ぶ

割り算を使わずに、置き場所を選ぶ形でも同じ答えが出ます。

4 つの席のうち A が座る席を 2 つ選ぶと 通り。残った 2 席には B が入るしかないので、そこで並びが決まる。

割り算の答えと一致します。3 種類あるときも同じで、選んでは残りから選ぶ、を繰り返す。

全体の席から 1 種類目の席を選ぶ

残った席から 2 種類目の席を選ぶ

最後の種類は残りに入るしかない

この見方は、あとで出てくる最短経路とそのままつながります。どの場所を「上へ進む」に使うかを選ぶ話になるため。

例:赤玉 3 個と白玉 2 個

同じ色の玉は区別しないとして、5 個を一列に並べます。

場所を選ぶ見方なら、5 か所から赤の 3 か所を選んで 通り。2 種類しかないときは、組み合わせの数そのものになる。

例:先頭に 0 を置けない場合

0、1、1、2、2 の 5 枚のカードを並べて 5 桁の整数を作ります。

制限を無視すると 通り。このうち先頭が 0 のものを引きます。

先頭が 0 なら、残りの 1、1、2、2 を並べる 通り。

通りになります。制限付きは、全体から外れるものを引くほうが速い。

最短経路の数え方

碁盤の目の道を、左下から右上まで最短で行きます。遠回りをしないので、進む向きは右か上のどちらかだけ。

右へ 3 区画、上へ 2 区画の格子なら、進む回数は必ず 5 回です。その 5 回のうち、どこで上へ曲がるかを選べば道が決まる。

つまり「右右右上上」という 5 文字の並べ替えと、道が 1 対 1 に対応します。

10 通りです。同じものを含む順列と最短経路は、同じ問題の言いかえになっている[2]

図の文字列がそのまま道の指示になっています。「右右右上上」の並べ替えを 10 通り作れば、道も 10 本そろう。

一般に右へ 区画、上へ 区画なら、最短経路は 通りです[2]

例:4 かける 3 の格子

右へ 4、上へ 3 進む格子で数えます。全部で 7 回進むうち、上へ進む 3 回を選ぶ。

35 通りになります。 と書いても同じ値。

交点に数を書き込む

公式を使わずに数える方法もあります。各交点まで何通りで来られるかを、左下から順に書き込んでいく。

ある交点へは、左の点か下の点からしか来られません。だからその交点の数は、左と下の数の和になる。

左下から順に埋めると、右上に 35 が出ます。公式の値と一致した。

書き込み法は、道が欠けている問題で強い。使えない交点を 0 にしてから、同じ手順を続ければよいだけです。

例:ある交点を必ず通る

右へ 4、上へ 3 の格子で、途中の点 P を必ず通る道を数えます。P は左下から右へ 2、上へ 1 の位置とする。

前半と後半に分けます。前半は右 2 と上 1 で 通り。

後半は P から右へ 2、上へ 2 なので 通り。

前半のどの道を選んでも後半は 6 通りなので、掛けて 通り。

例:ある交点を通れない

同じ格子で、点 P が工事中で通れないとします。

全体の 35 通りから、P を通る 18 通りを引きます。 通り。

「通らない」を直接数えると場合分けが増える。全体から引く形に持ち込むほうが短くなります。

交点ではなく道が 1 本だけ通れない場合も、同じ引き算で処理できます。その道を通る経路だけを数えて引く。

その道の両端を A、B とすると、始点から A までと、B から終点までを掛けた数が、通る経路の数になる。

例:道が 1 本使えない

右へ 4、上へ 3 の格子で、真ん中あたりの横 1 区画が通行止めだとします。その区画の左端を A、右端を B とする。

始点から A までが右 2 上 1 で 3 通り、B から終点までが右 1 上 2 で 3 通り。

その道を通る経路は 通りです。全体から引いて 通り。

二項係数との関係

書き込み法で出てくる数の並びは、パスカルの三角形を斜めに置いたものです。

左と下を足すという規則が、 にあたる。同じ規則が、格子の上では経路の数え上げとして現れる。

同じものを含む順列

区別して数えてから、重なったぶんで割る。文字列の並べ替えとして見る

最短経路

進む向きの列を作る。どこで上へ曲がるかを選ぶ組み合わせとして見る

例:階段の上り方との違い

1 段または 2 段ずつ上って 5 段を上る方法は 8 通りですが、これは最短経路の公式では出ません。

進む回数が決まっていないため。1 段を 5 回、2 段を 1 回と 1 段を 3 回、と場合分けが要ります。

2 段を使う回数並べるもの通り数
0 回1 が 5 個1
1 回2 が 1 個と 1 が 3 個4
2 回2 が 2 個と 1 が 1 個3

合計 8 通りです。各行は同じものを含む順列で、 と計算する。

歩数がそろっていない問題では、まず回数で場合分けする。そのうえで各場合に公式を当てます。

例:立体の格子

縦、横、高さの 3 方向に進む場合も同じです。右へ 2、奥へ 2、上へ 1 なら、5 回の進み方の並べ替えになる。

30 通り。方向が 3 種類に増えても、分母が 1 つ増えるだけで考え方は変わらない。

例:同じ数字を含む整数

1、1、1、2、2 の 5 枚を並べてできる 5 桁の整数を数えます。

10 個です。先頭に 0 がないので、引き算は要りません。

これを小さい順に書き出すと 11122、11212、11221、12112、12121、12211、21112、21121、21211、22111 の 10 個。数えた値と合っている。

「せんせい」の 4 文字を並べ替えてできる文字列は何通りですか。

  • 24 通り
  • 12 通り
  • 6 通り
__RESULT__

「せ」が 2 個、「ん」と「い」が 1 個ずつなので、 通りです。同じ文字が 2 個あるぶんだけ、 の半分になります。

よくある誤り

同じものを区別して のままにする。重なったぶんを割る必要があります
分母に個数ではなく種類の数を書いてしまう。割るのは各種類の個数の階乗です
1 個しかない文字を分母から落として不安になる。 なので値は変わりません
最短経路で遠回りを含めてしまう。右と上だけに限ると、進む回数が決まります
通れない点を場合分けで数えようとする。全体から引くほうが短くなります
歩数が決まっていない問題に公式を当てる。まず回数で場合分けします
書き込み法で始点を 0 にしてしまう。始点は 1 通りなので 1 と書きます

どれも、何を並べ替えているのかを言葉にすれば防げます。並べる対象と、その個数を先に書き出す。

参考文献

[1] は多重集合の順列の公式と MISSISSIPPI の例、[2] は格子路の数え方、[3] から [5] は各国語での公式のまとめです。

Permutation - Wikipedia
Lattice path - Wikipedia
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
排列 - 维基百科
A、A、B、B の並べ替えが 6 通りにしかならないのは、同じものを入れ替えたぶんが重なるためです。まず全部を区別して数え、重なった回数で割る。この割り算の意味を MISSISSIPPI や TOMATO で確かめ、席を選ぶ形に読み替えると、そのまま碁盤の目の最短経路になります。交点に数を書き込む方法、必ず通る点、通れない点や通れない道の処理、立体の格子、階段の上り方との違いまで並べました。先頭に 0 を置けない整数の問題も、引き算で片づく。