高校国語790013 views
ヒストリア294981 views
数学講師2913151 views
小学社会311570 views
りんご220229 views
世界の国567435 views
MathPython501700 views
小学理科721729 views
LaTeX965557 views
中学理科1633649 views
Help
Tools

English

あみだくじは何回引けば元に戻る - 操作としての順列

同じあみだくじを続けて引くと、いつか元の並びに戻ります。5 人のあみだくじなら、6 回で戻るものもあれば 4 回で戻るものもある。

並び方を「結果」ではなく「動かす操作」として見ると、こういう問いに答えられます。順列のもう一つの顔です。

並びではなく移り方を見る

これまで順列は、 個を並べた結果でした。 を に並べ替える、という具合です。

同じことを、番号を動かす操作として読むこともできます。1 番の人が 3 番の位置へ、2 番の人が 1 番の位置へ、という移り方の指定です。

あみだくじは、この操作そのもの。上から入って下へ出るまでに、どこへ移るかが決まっています。

たどると輪ができる

1 番がどこへ行くかを追い、その行き先がまたどこへ行くかを追う。これを繰り返すと、いつか 1 番へ戻ります。

戻るまでの道のりが 1 つの輪になります。残った番号でも同じことをすると、また別の輪ができる。

こうして、どんな操作も輪の集まりに分かれます[1]。

例:輪に分ける

6 人の操作で、1 が 3 へ、2 が 1 へ、3 が 5 へ、4 が 2 へ、5 が 4 へ、6 が 6 へ移るとします。

1 から追うと で、長さ 5 の輪になります。

残るのは 6 だけ。6 は自分の位置に留まるので、長さ 1 の輪です。

この操作は、長さ 5 の輪と長さ 1 の輪に分かれました。

何回で元に戻るか

長さ の輪は、 回繰り返すと元に戻ります。1 周するのに 回かかるからです。

輪が複数あるときは、全部が同時に戻る回数を探します。それぞれの長さの最小公倍数です[1]。

さきほどの例なら、長さが 5 と 1 なので最小公倍数は 5。5 回引けば元の並びに戻ります。

1 からたどって輪を作る

残った番号でも輪を作る

輪の長さの最小公倍数を求める

例:戻るまでの回数が変わる

5 人のあみだくじを 2 つ比べます。

1 つ目は と に分かれるとします。長さ 3 と 2 なので、最小公倍数は 6。6 回で戻る。

2 つ目は と と に分かれるとします。長さ 2、2、1 で最小公倍数は 2。2 回で戻ります。

同じ 5 人でも、輪の分かれ方で回数が変わる。並びの見た目からは分かりません。

輪の長さ最小公倍数戻るまで
5 と 155 回
3 と 266 回
2 と 2 と 122 回
4 と 144 回

5 人で最も長くかかるのは

5 人の場合、輪の長さの組は 5 の分割になります。、、、、、、 を 5 個の 7 通り。

それぞれの最小公倍数は 5、4、6、3、2、2、1。いちばん大きいのは の 6 です。

つまり 5 人のあみだくじは、どんなに長くても 6 回で元に戻ります。

横棒 1 本は入れかえ

あみだくじの横棒 1 本は、隣り合う 2 人を入れかえる操作です。この形を入れかえといいます[1]。

横棒を何本か引けば、その入れかえを順に行ったことになる。どんな並べ替えも、入れかえを繰り返せば作れます。

長さ の輪は、 回の入れかえで作れます。 なら 2 回。

偶奇は変わらない

同じ並べ替えを作るのに、入れかえの回数は 1 通りではありません。遠回りすれば増やせます。

ただし、回数の偶奇は必ず同じになる[1]。偶数回で作れる並べ替えは、何度やり直しても偶数回でしか作れません。

だから、あみだくじの横棒の本数は、目的の並びによって偶数か奇数かが決まっています。

横棒を 2 本足すと、同じ並びのまま本数だけ増やせます。同じ場所に 2 本引けば元に戻るため。

1 本だけ足すことはできない。偶奇が変わってしまい、目的の並びにならない。

例:偶奇を確かめる

を にするには、1 と 2 を入れかえる 1 回で足ります。奇数回です。

を にするには、 の輪なので 2 回。偶数回になります。

輪の長さから計算できます。長さ の輪が 回なので、輪の長さから 1 を引いた値をすべて足せばよい。

例:席替えを繰り返す

30 人のクラスで、同じ規則の席替えを繰り返します。何回で元の席順に戻るか。

輪に分けて、長さの最小公倍数を求めます。30 人でも手順は変わりません。

長さが 2、3、5 の輪に分かれていれば、最小公倍数は 30。30 回かかります。

長さが 6 と 10 と 14 なら、最小公倍数は 210。人数より多い回数がかかることもあります。

並びとして見る

個を並べた結果。何通りあるかを数える

操作として見る

どこへ動かすかの指定。繰り返すとどうなるかを追う

例:カードを切る

52 枚のカードを、いつも同じ手順で切ります。何回切れば元の並びに戻るか。

これも輪に分けて最小公倍数を取る問題です。カードの動き方が決まっていれば、回数が計算できる。

同じ手順を繰り返すかぎり、いつかは必ず元に戻ります。輪の長さが有限だからです。

例:戻らない場合はあるか

ありません。番号は有限個なので、たどればいつか出発点に帰ります。

もし帰らないとすると、途中で 2 か所から同じ番号へ入ることになる。操作は 1 対 1 なので、それは起こりません。

だから、どんな操作でも必ず輪に分かれます。

6 人のあみだくじで、輪の長さが 3 と 2 と 1 に分かれています。何回引けば元の並びに戻りますか。

  • 3 回
  • 6 回
  • 12 回
__RESULT__

長さ 3、2、1 の最小公倍数は 6 です。3 回では長さ 2 の輪が戻らず、2 回では長さ 3 の輪が戻りません。12 は最小公倍数ではなく、単に長さを掛けた値になります。

よくある誤り

輪の長さを足してしまう。最小公倍数をとります
長さ 1 の輪を数え落とす。動かない番号も 1 つの輪です
たどる向きを途中で変える。移る先へ一方向にたどります
輪の長さを掛けて答えにする。最小公倍数のほうが小さくなることがあります
入れかえの回数を輪の長さと同じにする。長さから 1 を引いた回数です
偶奇が変わると考える。何度作り直しても偶奇は同じです
並びの見た目から回数を当てようとする。輪に分けないと分かりません

順列を結果としてではなく、動かす操作として読む。この見方に切り替えると、繰り返しの問いに答えられます。

参考文献

[1] が輪への分解と入れかえと偶奇、[2] が順列の基本、[3] が分割の考え方、[4] と [5] が各国語での整理です。

Cyclic permutation - Wikipedia
Permutation - Wikipedia
Partition (number theory) - Wikipedia)
Combinatoire - Wikipédia
Abzählende Kombinatorik - Wikipedia
同じあみだくじを続けて引くと、いつか元の並びに戻ります。5 人でも 6 回かかるものと 2 回で済むものがある。並び方を結果ではなく動かす操作として読み、1 からたどって輪をつくると答えが出ます。輪の長さの最小公倍数が戻るまでの回数。横棒 1 本が隣どうしの入れかえにあたること、その回数の偶奇が変わらないこと、席替えやカード切りが同じ問題であることも扱いました。