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English

プレゼント交換で誰も自分の品を引かない並べ方(完全順列)

5 人でプレゼント交換をします。全員が他人の品を引き当てる並び方は、120 通りのうち 44 通り。

自分の品を引く人が 1 人もいない並べ方を完全順列といいます。撹乱順列、あるいは英語で derangement とも呼ぶ[1]

定義と小さい場合

から までの番号を並べ替えて、 番目に が来ないようにします。この並べ方の総数を と書く。

では、1 を 1 番目に置くしかないので 0 通り。 では 21 の 1 通りだけです。

は 231 と 312 の 2 通り。123、132、213、321 は、どこかに固定された数が残ります。

図で青いままの並びが完全順列です。24 通りを一巡すると、9 通りだけが残る。

例:4 人の 9 通りを書き出す

の完全順列をすべて並べます。

2143
2341
2413
3142
3412
3421
4123
4312
4321

どの並びも、 番目が になっていません。手で確かめられる最後の大きさが、この です。

包除原理で求める

数え上げの道具は余事象と包除原理。「誰も自分のものを引かない」の反対から攻めます。

番の人が自分のものを引く並べ方の集合を とします。 を固定して残りを自由に並べるので、 通り。

2 人を固定すれば 、3 人なら と続きます。固定する人の選び方が 通りあるので、包除原理の各項は次の形になる。

符号を交互に入れかえて足すと、少なくとも 1 人が自分のものを引く場合の数が出ます。

例:4 人で式を追う

で計算します。全体は 通り。

1 人固定が 、2 人固定が 、3 人固定が 、4 人固定が

少なくとも 1 人が自分のものを引くのが 15 通り。全体から引いて 通りになります。書き出した 9 通りと合いました。

一般の公式

同じ計算を で書くと、階乗の逆数が交互に並ぶ形になります[1]

なら

括弧の中は、 番目の項から順に足し引きするだけです。項が増えるほど値が落ち着いていく。

2 つの漸化式

公式を毎回展開するより、前の値から次を作るほうが速い場面もあります。漸化式は 2 通り知られています[2]

前者は場合分けから導けます。 番の人が引いた品の番号を とすると、 の選び方が 通り。

そのうえで、 番の人が を引く場合は残り 人の完全順列、引かない場合は残り 人の完全順列に対応します。だから を掛ける。

1 番が引く品を選ぶ

その相手が 1 番の品を引くかどうかで分ける

残りを完全順列として数える

例:漸化式で 6 人まで

から順に作ります。

もう一つの漸化式でも確かめます。。同じ値になりました。

人数完全順列総数
326
4924
544120
6265720
718545040

確率はほぼ一定になる

が増えると、完全順列の確率 はある値に近づきます。

人数を増やしても 0.368 あたりから動きません。この値は で、およそ 36.8 パーセント[1]

canvas: 絵を作れませんでした

人数が 3 人でも 100 人でも、確率は 3 分の 1 と 5 分の 2 のあいだに収まる。直感に反する結果として、よく引かれる例です。

人数が増えれば「誰か 1 人くらいは自分のものを引くだろう」と考えたくなりますが、確率は下がりません

人数が増えると自分のものを引く機会も増えるが、1 人あたりの確率が同じだけ下がるので、釣り合ってしまう。

例:ちょうど何人かが自分のものを引く

「誰も引かない」だけでなく、「ちょうど 人が引く」も数えられます。

自分のものを引く 人を選び、残りの 人が完全順列になればよい。

5 人でちょうど 2 人が自分のものを引くのは、 通り。確率は です。

例:全部の場合を足すと元に戻る

検算になります。 を 0 から 5 まで動かして足すと、 に戻るはず。

確かに 120 になりました。 と決めておくと、この足し算がきれいに閉じる。

例:ちょうど 1 人だけ

5 人でちょうど 1 人が自分のものを引くのは 通り。

完全順列の 44 通りより多い。「誰も引かない」より「1 人だけ引く」のほうが起こりやすいという結果です。

誰も引かない

5 人で 44 通り。確率は約 36.7 パーセント

ちょうど 1 人が引く

5 人で 45 通り。確率は 37.5 パーセントで、わずかに上回る

手紙と封筒の問題

この問題は 18 世紀にニコラス・ベルヌーイとオイラーが扱いました[2]。宛名を書いた封筒に手紙を無作為に入れる形で語られます。

通の手紙をでたらめに封筒へ入れて、1 通も正しく入らない確率はいくらか。答えが人数によらずほぼ一定になる点が、当時から驚きとして受けとめられていた。

同じ問題が、席替え、プレゼント交換、帽子のとり違えなど、いろいろな衣装で出てきます。

4 人でプレゼント交換をします。全員が他人の品を受け取る確率はいくらですか。

__RESULT__

完全順列は 9 通り、全体は 通りなので です。 が大きくなるとこの値は あたりに落ち着きますが、 ではまだ少し上にあります。

よくある誤り

と考える。1 人では自分のものを引くしかないので 0 通りです
を 0 と置く。足し合わせの検算が合わなくなるので、 と決めます
包除原理で符号を同じ向きに足す。1 つ飛ばしで引き算に変わります
漸化式の と書く。1 番の人が引ける品は自分以外の 個です
が増えれば確率が 0 に近づくと考える。0.368 あたりで止まります
ちょうど 人の場合に をそのまま使う。残る 人ぶんの になります
を高校の範囲で証明しようとする。値の当てはまりを確かめるまでで足ります

完全順列は、包除原理と漸化式の両方が使える手ごろな題材です。どちらの道でも同じ値に着くことを、 で一度確かめておく。

参考文献

[1] が定義と公式と極限、[2] が 2 つの漸化式と数表と歴史、[3] がプレゼント交換の形での例、[4][5] が導出に使う包除原理です。

Derangement - Wikipedia
错排问题 - 维基百科
Prinzip von Inklusion und Exklusion - Wikipedia(Wichteln の例)
Inclusion–exclusion principle - Wikipedia
容斥原理 - 维基百科
5 人のプレゼント交換で全員が他人の品を引く並べ方は、120 通りのうち 44 通りです。この数を完全順列といいます。4 人の 9 通りを書き出して手ざわりを掴み、包除原理で一般の公式を組み立て、2 つの漸化式で 7 人まで作りました。ちょうど何人かが自分の品を引く場合の数、それを全部足すと総数に戻る検算、手紙と封筒の問題としての歴史まで扱います。人数を増やしても確率が 0.368 あたりから動かない理由も見る。