高校生物551780 views
中学理科1630686 views
数学講師2886596 views
世界の国564562 views
高校化学2924523 views
高校物理160216 views
教育149515 views
雑学1473627 views
高校日本史190578 views
中学英語811754 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

同じ色の玉でつくる輪〜円順列とじゅず順列はどう違う

赤 3 個と白 3 個の玉を円形に並べる並べ方は 4 通り。輪をひっくり返してもよいなら 3 通りです。

異なる玉なら で済みました。同じ玉が混ざると、その割り算が使えなくなる。理由と、代わりの数え方を見ます。

異なるものの円順列とじゅず順列

個がすべて異なるとき、円順列は 通りでした[1]。回転して重なる 通りを 1 つと数えるためです。

じゅず順列では、さらに裏返して重なるものも同じと数えます。ネックレスを裏返す操作にあたる。

裏返しで重なる並びが 2 つずつ組になるので、 をさらに 2 で割ります。

異なる 6 個なら、円順列が 通り、じゅず順列が 60 通り。異なる 4 個なら 6 通りと 3 通りです。

例:異なる 5 個のじゅず順列

円順列は 通り。裏返しで 2 つずつ重なるので、 通りです。

裏返して自分自身に戻る並びがあると、この割り算は崩れます。異なるものだけの場合、 ならそういう並びは現れません。

のように小さすぎる場合だけ例外になる。実際の問題では なので、2 で割って問題ありません。

同じものが混ざると割れない

赤 3 個と白 3 個を円に並べる場合を考えます。直線に並べるなら 通り。

回転が 6 通りあるので としたくなりますが、これは で整数になりません。割り算が成り立っていない証拠です。

原因は、回転しても自分に戻る並びがあること。赤白赤白赤白は、2 つ分回すと元の見た目に戻ります。

赤赤赤白白白は 6 回転してはじめて元に戻るので、6 通りの直線の並びが 1 つの円の並びに重なります。

赤白赤白赤白は 2 回転で戻るので、重なるのは 2 通りだけ。重なる回数がそろっていないため、一律には割れません。

割り算が使えるのは、どの並びも同じ回数だけ重なるときだけです。整数にならなければ、その時点で誤り。

異なるものだけを並べる場合は、回転しても決して元に戻らないので、いつでも で割れる。

書き出して数える

高校の問題では、同じものを含む円順列は数が小さく作られています。1 か所を固定して書き出すのが確実です。

赤 3 個と白 3 個なら、赤の 1 個を一番上に固定します。残り 5 席への赤 2 個の置き方を数える。

残り 5 席から 2 席を選ぶのは 通り。ただしこの数え方では、同じ円の並びを何度も数えています。

固定した赤を「どの赤にするか」で重複が出るため。素直に書き出したほうが早い。

例:赤 3 個と白 3 個を書き出す

赤の並び方を、隣り合う個数で分類します。

赤が 3 個続く形、赤が 2 個続いて 1 個離れる形、赤が 3 個とも離れる形。この 3 つに分かれます。

赤 2 個が続く形では、残る 1 個の赤の位置が 2 通りあります。白 2 個をはさむか、白 1 個をはさむか。

赤の配置図で表すと通り数
3 個続く赤赤赤白白白1
2 個続く赤赤白赤白白2
すべて離れる赤白赤白赤白1

合わせて 4 通りです[2]。じゅず順列では、2 個続く形の 2 通りが裏返しで重なるので 3 通りになります。

裏返しで自分に戻る並び

じゅず順列で 2 で割れないのも、同じ理由です。裏返して自分に戻る並びがあると、重なる回数が 1 になる。

赤赤赤白白白は、鏡に映しても同じ形。だから円順列とじゅず順列で数が変わりません。

赤 3 個と白 3 個の 4 通りのうち、裏返しで別の形になるのは 2 個続く形の 2 通りだけ。それが 1 つに重なって 3 通りになります。

異なるものだけ

回転でも裏返しでも自分に戻らない。 を 2 で割ればよい

同じものが混ざる

自分に戻る並びが現れる。割り算では出ないので、書き出して数える

例:赤 2 個と白 2 個

4 個を円に並べます。直線なら 通り。

円では、赤が隣り合う形と、赤が向かい合う形の 2 通りだけです。書き出すとすぐ分かる。

じゅず順列でも 2 通り。どちらの形も裏返して自分に戻るので、減りません。

例:赤 4 個と白 2 個

6 個を円に並べます。白 2 個の位置関係だけで形が決まる。

白が隣り合う形、白の間に赤が 1 個ある形、白が向かい合う形。3 通りです。

じゅず順列でも 3 通り。どれも鏡に映して自分に戻ります。

一般の数え方

回転で重なるものを数える一般の方法として、バーンサイドの補題があります[3]

各回転について「動かしても変わらない並び」の個数を数え、その平均をとる、という形の定理です。

高校の範囲では使いません。ただ、割り算が使えない理由がこの定理から見えます。回転ごとに固定される並びの数が違うことが、割り算を崩している。

異なるものだけなら割り算で出す

同じものが混ざるなら整数になるか確かめる

整数にならなければ書き出す

例:異なる玉と同じ玉が混ざる

A、B、C の 3 人と、同じ形の玉 3 個を円に並べます。

人は区別し、玉は区別しない。1 人を固定すると、残り 5 席のうち 2 席に残りの 2 人を並べ、残った 3 席へ玉を置きます。

残り 5 席から 2 席を選んで 2 人を並べるので 通り。区別できる人が 1 人でもいれば、その人を固定すれば回転の重複が消えます。

区別できるものが 1 つでもあれば、それを固定して直線の問題に直せる。同じものだけのときに困る、と覚えておきます。

異なる 6 個の玉でネックレスを作ります。裏返して同じになるものは同じとみなすと、何通りできますか。

  • 720 通り
  • 60 通り
  • 120 通り
__RESULT__

円順列が 通り、裏返しで 2 つずつ重なるので 60 通りです。120 は円順列のままの値、720 は一列に並べた になります。

よくある誤り

同じものを含む円順列を、直線の総数を で割って出す。整数になるとは限りません。
じゅず順列でいつでも 2 で割る。裏返して自分に戻る並びがあると割れません。
円順列とじゅず順列を同じ数にする。裏返しで別になる並びがあれば減ります。
書き出すときに回転した同じ並びを数える。1 か所を固定してから並べます。
区別できるものがあるのに書き出しに頼る。1 つ固定すれば直線の問題になります。
の場合を一般の式で処理する。小さすぎる場合は書き出して確かめます。
整数にならない答えをそのまま出す。個数は必ず整数です。

同じものが混ざったら、まず割り算が使えるかを疑う。整数にならなければ、固定して書き出す。それが確実な道です。

参考文献

圆排列 - 维基百科
Necklace (combinatorics) - Wikipedia)
Burnside's lemma - Wikipedia
赤 3 個と白 3 個を円に並べると 4 通り、裏返してよいなら 3 通りです。異なる玉なら階乗を割るだけで済みますが、同じ玉が混ざるとその割り算が崩れます。原因は、回転しても自分に戻る並びがあること。赤白赤白赤白は 2 回転で戻り、赤赤赤白白白は 6 回転かかります。重なる回数がそろわないので一律に割れません。整数にならなければ書き出す、という判断のしかたと、実際の書き出し方を示しました。